[发明专利]一种应用相变材料作为隧穿层的自旋电子器件

说明书

本发明涉及一种应用相变材料作为隧穿层的自旋电子器件，具体为一种非局域自旋注入器件，其最下端为自旋沟道，所述自旋沟道上方的外侧两端各沉积一普通金属电极，自旋沟道上方中部沉积两个隧穿层，并在隧穿层上各沉积一个铁磁金属电极；其特征在于：所述的隧穿层为能够在温度和光照驱动下发生相变的材料；且该器件进一步包括有温度控制模块或光照控制模块。本发明提出的相变隧穿层(如二氧化钒)，可以用温度和光照控制电阻。隧穿电阻可以被人为调控在合适区间内，从而提高了自旋电子器件的性能。

【技术领域】

本发明涉及一种应用相变材料作为隧穿层的自旋电子器件，利用隧穿层材料的相变控制隧穿层电阻，进而调控自旋电流的隧穿几率，最终实现对自旋电子器件性能的调控。本发明属于自旋电子学领域。

【背景技术】

自旋电子学主要研究电子的自旋自由度的特性及其操控方法，通过产生、调控、输运和检测自旋流实现新一代的电子器件。经过多年的发展，自旋电子器件已吸引科学界和工业界的广泛兴趣，并在多个领域有重要应用。

自旋电子器件经常含有高电阻的隧穿层。隧穿层的作用可以用量子隧穿效应解释。量子力学中，导体或半导体之间插入绝缘层可以形成有较高能量的势垒，但能量较低的电子仍有一定几率穿过势垒，从一侧到达另一侧，该现象称为量子隧穿效应，这里的绝缘层也被称为隧穿层。电子的隧穿几率与隧穿层的电阻大小有关，而隧穿几率的大小会直接影响自旋电子器件的性能。例如自旋注入器件中铁磁电极与自旋沟道之间的隧穿层电阻会影响自旋注入的效率；而磁隧道结器件中两铁磁层之间的隧穿层电阻会影响隧穿磁阻。

自旋注入和磁隧道结器件中的电流输运都会经过铁磁金属。有不同自旋方向的电子因为在铁磁金属中的散射强度不同而有不同的注入速率，从而有浓度和化学势的差异。这种电子在两个自旋方向上的分布不均等的电流称为自旋极化电流。自旋极化电流的产生、输运和检测都会影响自旋电子器件的信号的强弱。

理论分析表明，在非局域自旋注入器件中，铁磁电极和自旋沟道之间隧穿层电阻将影响自旋注入效率。以石墨烯自旋沟道为例，自旋信号与接触电阻和沟道电阻间比值的关系如图1所示。可以看出，接触电阻只有在一定范围内才能使信号有较大值，而接触电阻大小与隧穿层电阻有关，所以隧穿层电阻的控制需要有较高的精度，对材料的选取和隧穿层厚度也有一定的要求；同样地，在磁隧道结中，隧穿层的电阻也会影响相关结构和器件的性能。可见隧穿层电阻的控制对于器件性能具有重要意义。

采用电阻率恒定的的材料作为隧穿层有以下问题：

1.为使隧穿层电阻处于器件所需范围内，需要筛选电阻率合适的材料，并在隧穿层沉积时精确控制厚度，这提高了选材和制备的难度。

2.器件完成后隧穿层的各项参数被固定，无法在需要时进行调控。

【发明内容】

一、发明目的：

针对上述背景中提到的隧穿层电阻难以精确控制导致的自旋电子器件性能受限制的问题，本发明提出一种应用相变材料作为隧穿层的自旋电子器件，可以使用相变材料(如二氧化钒)作为电阻可调的隧穿层。针对温度和光照可以驱动材料相变的特性，通过加入温度或光照控制模块，调节隧穿层的相结构，改变隧穿层电阻并将电阻调控在合适区间内，从而实现优化器件性能的目的。

二、技术方案：

本发明的技术方案是实现一种应用相变材料作为隧穿层的自旋电子器件。在具体器件中，通过控制温度或外加光照，驱动隧穿层的相变，进而调控隧穿层的阻值，最终实现自旋电子器件性能的调控。本发明共提出两种实施方案。

方案一：相变材料(如二氧化钒VO₂)会随着温度变化而发生相变，产生电阻的变化。图2所示是VO₂的电阻随温度变化的曲线。可以通过温度控制，调节隧穿层处的温度，进而保证隧穿层电阻在所需范围之内，保证器件的性能。