基于Co基Heusler合金的侧向自旋阀的研究

A longstanding goal of research in semiconductor spintronics is the ability to inject, modulate and detect spin-polarized carriers electrically in a single device. Lateral spin valve is one of the most important devices for investigating spin transport properties. In this project, we will design and prepare lateral spin valves based on Co2FeMnAl/n+GaAs/n-GaAs and Co2FeMnAl/MgO/Si junctions, then spin transport properties in the semiconductor channels will be investigated using all electrical measurement. We will firstly fabricate these two junctions using molecular-beam epitaxy and investigate the structure and magnetic properties of Co2FeMnAl films. Then, standard photolithography and etching techniques will be performed on these two junctions to define electrodes and channels. Finally, the magnetoresistance measurements will be carried out by sweeping the magnetic field parallel to the device surface, and the bias current dependence of output signals will be discussed. Furthermore, we will investigate the spin transport properties(spin diffusion length, spin lifetime and spin polarization) in the semiconductor channels through Hanle effect. This project will provide useful research cases for fabricating new kinds of spintronic devices.

半导体自旋电子学的一个长远目标是在一个独立的器件中实现自旋的电学注入、调制和探测，而侧向自旋阀是利用全电学方法研究自旋输运性质的最重要结构之一。本项目拟设计并制备出基于Co2FeMnAl/n+GaAs/n-GaAs和Co2FeMnAl/MgO/Si异质结的侧向自旋阀,利用全电学的方法研究自旋在半导体材料中的输运性质。我们计划利用全分子束外延生长技术生长制备出上述两种异质结,并开展Co2FeMnAl薄膜的结构和磁学性质研究。然后,利用常规的微纳加工手段将上述两种异质结制备成侧向自旋阀。最后，采用在注入端加恒定电流的办法测量探测端的输出电压随平行于器件磁场和注入电流的变化关系，并通过观测Hanle效应研究半导体材料中的自旋输运性质（自旋扩散长度、自旋弛豫时间和自旋极化度等）。本项目的顺利进行将为开发多功能自旋电子学器件提供研究基础。

石墨烯具有极好的导电性能的同时，在室温下就具有很长的自旋扩散长度和自旋寿命，是自旋输运的理想材料。而横向自旋阀因其可以进行非局域测量，可以有效反映二维材料面内的自旋输运性质。因此，本项目在基于石墨烯为自旋沟道的侧向自旋阀器件研究方面，利用 Cu 基化学气相沉积生长的石墨烯，采用一系列优化手段改良了电化学剥离转移流程。通过光学显微镜和拉曼光谱，快速标定薄石墨烯层数。利用微机械剥离石墨烯探究了隧穿层材料与工艺，得出电子束蒸镀原位氧化的 TiOx/MgO 结构可以得到较好的隧穿电阻。自旋扩散长度可达 2 μm，自旋寿命 248.3 ps。CVD 转移的石墨烯横向自旋阀器件性能与天然石墨烯相近，具有良好应用前景。.自旋轨道转矩可以实现在由垂直磁各向异性的重金属/磁性材料组成的异质结中由电流控制磁矩的翻转，因此得到了广泛关注。因此，本项目系统研究了基于MnGa和MnAl合金的自旋轨道转矩效应。在MnGa/IrMn异质结中，我们同样研究了由IrMn中强自旋霍尔效应导致的自旋轨道转矩。IrMn同时提供了面内的交换偏置场，实现了几乎在零外加辅助磁场下的磁矩翻转。在MnAl/Ta异质结中，我们通过退火增加MnAl中的有序度，从而提高了自旋轨道转矩的效率。退火增加了界面处和MnAl中的自旋流的穿透和传输效率。这些成果表明，具有本征垂直磁各向异性的MnGa和MnAl是研究自旋轨道转矩的理想材料。