[发明专利]Au‑Cu合金材料、包含其的纯自旋流器件及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及自旋电子学技术领域，尤其是涉及一种Au-Cu合金材料、包含其的纯自旋流器件及其应用。

背景技术

自旋电子学关注自旋相关的输运特性，其中自旋极化电流扮演了重要角色。对纯自旋流，即极化率为100％的自旋极化电流的研究在近几年取得关键进展。纯自旋流能最大限度的传递自旋角动量同时将产生的焦耳热降至最低，因此可用来制造新型自旋电子学器件。目前与纯自旋流的产生和探测相关的技术主要有自旋泵浦、自旋塞贝克效应、自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应等，其中材料的自旋霍尔角是核心参数之一，它表征纯自旋流与电荷流相互转化的效率，自旋霍尔角越大，利用纯自旋流现象工作的器件效率就越高也越节能，因此如何提高材料的自旋霍尔角成为了首要的议题。

现有技术中已发现，作为电极的常见贵金属铂(Pt)具有很大的自旋霍尔角。在具体的材料结构中，不论作为纯自旋流的探测材料还是利用自旋转移力矩效应调控磁结构，Pt都需要与相邻的一层铁磁层(FM)共同工作，进一步的研究证明在FM/Pt的双层膜结构中与铁磁层紧邻的Pt会产生磁极化现象，即磁近邻效应，这会给材料的自旋霍尔角的测定带来麻烦。

因此需要寻找新的具有较大自旋霍尔角、且在一些方面具有比Pt更优性能的自旋流生成材料。

发明内容

本申请的发明人发现，虽然纯铜(Cu)的自旋霍尔角几乎为零，但是当将金(Au)掺杂到Cu中时，能够显著提高Cu的自旋霍尔角。并且，本申请的发明人进一步发现，Au作为一种常见贵金属在具有一定自旋霍尔角的同时完全不受磁近邻效应的影响。由此，本申请的发明人产生了将Au-Cu合金用作自旋流生成材料的技术构思。

本发明的目的旨在提供一种Au-Cu合金材料、包含其的纯自旋流器件及其应用，该Au-Cu合金材料应用于纯自旋流器件中时具有较大的自旋霍尔角且无磁近邻效应。

按照本发明的一个方面，提供了一种Au-Cu合金材料，其化学式为Au_aCu_100-a，其中，17％≤a≤83％。

进一步地，39％≤a≤61％。

进一步地，化学式为Au₆₀Cu₄₀。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种纯自旋流器件，包括用于产生纯自旋流的自旋流生成材料体，其中，自旋流生成材料体由上述任一种的Au-Cu合金材料形成。

进一步地，自旋流生成材料体为由Au-Cu合金材料形成的薄膜。

进一步地，薄膜的厚度为1～100nm；优选为2～70nm；进一步优选为2～10nm。

进一步地，薄膜采用高真空磁控溅射法制备而成。

进一步地，Au-Cu合金材料的自旋霍尔角为0.003～0.01，优选为0.01。

按照本发明的又一个方面，还提供了一种纯自旋流器件，其包括用于产生纯自旋流的自旋流生成材料体，其中，自旋流生成材料体由Au-Cu合金材料形成。

按照本发明的再一个方面，还提供了一种Au-Cu合金材料在纯自旋流器件中的应用。

本申请的发明人惊奇地发现，Au-Cu合金材料形成的自旋流生成材料体是一种具有大自旋霍尔角的材料，并且该Au-Cu合金材料没有其他材料(如Pt)的磁近邻效应问题。本发明通过外禀散射机制(即通过掺杂的方式利用杂质原子散射来增强自旋霍尔效应)极大地提高了Au-Cu合金材料的自旋霍尔角，尤其是当Au-Cu合金材料中的Au与Cu的原子比为6:4时，合金材料的自旋霍尔角为0.01，几乎可与公认的大自旋霍尔角材料Pt(自旋霍尔角为0.013)相媲美，且Au-Cu合金材料还没有Pt中所存在的磁近邻效应。由于自旋霍尔角越大，利用纯自旋流现象工作的器件效率就越高也越节能，因此，本发明为纯自旋流器件提供了一种新的自旋流生成材料体，且Au-Cu合金材料可以广泛地应用在基于自旋流效应的相关器件中。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为本发明的一个实施例中用于测试Au-Cu合金薄膜的自旋霍尔效应的样品的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例中测试Au-Cu合金薄膜的热电压的装置结构示意图；