《基於鐵磁半金屬/石墨烯的自旋MOSFET器件的研究》是依託武漢大學，由葉雙莉擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於鐵磁半金屬/石墨烯的自旋MOSFET器件的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：葉雙莉
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目提出的基於鐵磁半金屬/石墨烯的自旋MOSFET(金屬氧化物半導體場效應管)器件是同時利用電子自旋和電荷屬性的新型電子器件。研究內容包括高質量的鐵磁半金屬與石墨烯薄膜的製備與最佳化；版圖設計、自旋MOSFET結構模型的構造；半導體製備工藝與金屬/氧化物多層膜製備工藝的集成技術的研究；薄膜質量及界面對自旋輸運的影響；各工藝環節對自旋MOSFET器件功能的影響，及電極尺寸、薄膜厚度、溝道長度的合理設計與最佳化；自旋MOSFET器件的電學性質測試及器件可靠性的研究。與傳統MOSFET器件相比較，自旋MOSFET器件能將邏輯、非易揮發性存儲和通信等功能融合在以半導體為基的器件上，具有多功能、低能耗、速度快、小尺寸的優勢。所以該項目研究的結果將有利於促進自旋電子器件的實用化，同時對自旋MOSFET器件製備提供完備的物理機制及工藝條件具有重要的指導和參考價值。
結題摘要
本課題基於自旋MOSFET電子器件具有低能耗、速度快、尺寸小、多功能等優勢，結合半金屬鐵磁材料中的高自旋極化率、與石墨烯中特有的高電子遷移率以及預測的微米級自旋弛豫長度，開展了基於鐵磁半金屬/石墨烯複合材料的自旋MOSFET器件的研究。主要研究工作包括：高質量的石墨烯薄膜、Co2FeAl0.5Si0.5半金屬薄膜、與MgO/TiOx隧穿層的製備與表征；石墨烯薄膜的轉移與圖形化工藝；自旋MOSFET器件的工藝製備與集成；採用交流non-local的磁電阻測試方式檢測器件中的載流子自旋壽命與自旋弛豫長度；基於ATK理論計算器件中的自旋輸運特性；以及研究了相關磁性元素與分子摻雜對石墨烯中自旋調控的影響。重要實驗與理論結果包括：通過機械剝離法、氣相沉積 (CVD) 法與氧化還原法等方法的比較與摸索，獲得了高質量低缺陷的CVD石墨烯薄膜；通過直流磁控濺射與真空原位退火工藝，成功的生長了幾十納米厚的分別具有L2相高質量的Co2FeAl0.5Si0.5半金屬鐵磁薄膜電極；利用電子束蒸發技術，發現在石墨烯與半金屬之間製備高質量的MgO/TiOx隧穿層可以避免了表面多針孔結構的形成，抑制了由於電極界面引起的自旋弛豫效應；結合以上薄膜製備工藝與電子束光刻和lift-off等技術實現了鐵磁半金屬/石墨烯的自旋MOSFET器件的製備與各薄膜層集成生長工藝；利用non-local自旋電流測量與Hanle效應測量，在所製備的鐵磁半金屬/石墨烯的自旋MOSFET器件中觀測到了可控的室溫自旋電流效應，信號比相同結構與相同工藝製備的比較樣品Co/石墨烯MOSFET器件中的自旋電流信號高几個數量級。成功的證明了Co2FeAl0.5Si0.5半金屬鐵磁材料中的高自旋極化率有利於獲得大的自旋注入電流，導致信噪比較高的可控自旋電流信號；另外，通過ATK軟體模擬了不同石墨烯層數對自旋電流輸運的影響，以及不對稱鐵磁金屬對自旋電流的影響，發現在單層石墨烯中獲得最大的自旋電流，以及石墨烯中自旋電流的可控調整。同時，我們利用沉積與化學方法分別製備了石墨烯/鐵磁納米顆粒的複合材料，結果表明鐵磁納米顆粒可以調製石墨烯中的自旋輸運特性，獲得更最佳化的易控自旋電流信號。
