巨自旋霍尔角金属-氧化铪复合薄膜材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了巨自旋霍尔角金属

【技术实现步骤摘要】
巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及自旋电子新材料
，特别涉及巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]传统的电子器件由于存在电流焦耳热，电子器件的小型化和低功耗面临着严峻的瓶颈。电子自旋是电子除电荷之外的另一个属性，可被用来传输和处理信息，诞生了自旋电子学（Spintronics）。自旋电子传输信息具有极低的功耗，甚至可以完成量子信息的处理和存储，是构建量子信息芯片的理想媒质。自旋霍尔效应（Spin Hall Effect）是在自旋轨道耦合作用下，施加横向电流作用下产生纵向自旋流的效应，自旋流不伴随着电荷的移动，实现无耗散过程，使得器件不产生焦耳热。相反地，逆自旋霍尔效应（Inverse Spin Hall Effect）是指自旋流转换为电流的过程，可以用来测试自旋流的大小。自旋霍尔效应的强弱体现为电流与自旋流转换效率的大小，这个转换效率人们用自旋霍尔角（θ
SH
）表示。当前，自旋霍尔效应研究通常在“磁性/非磁性重金属”异质结体系，然而单一的非磁性重金属的自旋霍尔效应都较弱，最常用的重金属铂（Pt）自旋霍尔角在0.15左右，通过合金化或者掺杂的重金属材料的自旋霍尔角将显著提升，例如铜铋（CuBi）合金低温下自旋霍尔角可达0.24，铋铂（BiPt）合金室温下自旋霍尔角可达0.23，β
‑
W掺杂少量氧自旋霍尔角可达0.45等。
[0003]然而，现有合金材料都无法满足获得更强自旋霍尔效应的材料的紧迫需求，人们在拓扑绝缘体（Bi2Se3）和拓扑半金属材料（TaAs，W3Ta等）中获得了大于1的自旋霍尔角，但是拓扑材料生长工艺十分昂贵、且难以大尺存量产，通常需要超高真空的分子束外延系统或者高温制备小面积单晶材料，尚无法实现磁控溅射的大面积制备和应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：为了解决现有材料无法满足获得更强自旋霍尔效应的材料的技术问题，本专利技术提供巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料及其制备方法。
[0005]本专利技术为了实现上述目的具体采用以下技术方案：本专利技术的第一个目的是提供巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料，采用的技术方案如下：巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料，所述复合薄膜材料为生长于基片表面的金属
‑
氧化铪复合薄膜，所述金属
‑
氧化铪复合薄膜的组分为R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
，所述R为金属元素Pt、W、Ta、Bi或其合金中任一种，所述x的取值范围为1~10。
[0006]优选地，所述基片为半导体硅。
[0007]优选地，所述金属
‑
氧化铪复合薄膜的厚度范围为1~50nm。
[0008]本专利技术的第二个目的是提供巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料的制备方法，采用的技术方案如下：
巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料的制备方法，包括以下步骤：S1、选择R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合靶材作为溅射靶材；S2、将步骤S1中的R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
靶材装在磁控溅射设备腔体靶位；S3、采用基片作为基底，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，以保证基片表面洁净；S4、将步骤S3清洗后的基片放入磁控溅射设备中生长R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜。
[0009]优选地，步骤S1所述的R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合靶材是以高纯度R颗粒作为母体，与高纯度HfO2粉末混合压制成的复合靶材。
[0010]优选地，所述R颗粒纯度≥99.95wt%，所述HfO2纯度≥99.99wt%。
[0011]优选地，步骤S1所述的R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合靶材作为溅射靶材，可以替换成通过高纯度R和高纯度HfO2分别作为溅射靶材，共同溅射。
[0012]优选地，步骤S2或步骤S4所述的磁控溅射设备可以替换成物理气相沉积设备。
[0013]优选地，步骤S4所述的基片放入磁控溅射设备中生长R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜包括以下步骤：S4
‑
1、在10
‑5Pa量级的真空环境下，以10~30SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.26~0.5 Pa；S4
‑
2、在0.26~0.5 Pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以20 W~50的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗靶材表面；S4
‑
3、打开靶材的挡板，以0.1转/秒的转速匀速旋转基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜。
[0014]优选地，在所述步骤S4得到的R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜上生长厚度为200nm的磁性薄膜，通过磁性薄膜中自旋泵浦产生自旋流并注入到R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜中，测试不同厚度的R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜/磁性薄膜的室温逆自旋霍尔电压，测试R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜的电阻率，拟合得到R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜的室温自旋霍尔角度和自旋扩散长度。
[0015]优选地，所述磁性薄膜为钇铁石榴石薄膜、镍铁薄膜或者钴铁硼薄膜中任一种。
[0016]优选地，所述基片、形成于基片之上的金属
‑
氧化铪复合薄膜薄膜以及形成于金属
‑
氧化铪复合薄膜之上的磁性薄膜可应用于自旋转矩翻转磁矩器件。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：1、本专利技术提供的巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料，制备简单，条件易控制，原材料价格便本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料，其特征在于，所述复合薄膜材料为生长于基片表面的金属
‑
氧化铪复合薄膜，所述金属
‑
氧化铪复合薄膜的组分为R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
，所述R为金属元素Pt、W、Ta、Bi或其合金中任一种，所述x的取值范围为1~10。2.根据权利要求1所述的巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料，其特征在于，所述基片为半导体硅。3.根据权利要求1所述的巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料，其特征在于，所述金属
‑
氧化铪复合薄膜的厚度范围为1~50nm。4.基于权利要求1
‑
3任一项所述的巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：S1、选择R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合靶材作为溅射靶材；S2、将步骤S1中的R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
靶材装在磁控溅射设备腔体靶位；S3、采用基片作为基底，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，以保证基片表面洁净；S4、将步骤S3清洗后的基片放入磁控溅射设备中生长R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合薄膜。5.根据权利要求4所述的巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的R
(100
‑
x)
‑
(HfO2)
(x)
复合靶材是以高纯度R颗粒作为母体，与高纯度HfO2粉末混合压制成的复合靶材。6.根据权利要求5所述的巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述R颗粒纯度≥99.95wt%，所述HfO2纯度≥99.99wt%。7.根据权利要求4所述的巨自旋霍尔角金属
‑
氧化铪复合薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤S1所述的R
(100
‑
x)
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：孟皓，迟克群，金立川，唐晓莉，
申请(专利权)人：浙江驰拓科技有限公司，
类型：发明
国别省市：