一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结及其制备方法与流程

本发明属于纳米磁性器件，更具体地，涉及一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结及其制备方法。

背景技术：

1、作为自旋电子学核心器件之一，磁隧穿结依靠两侧铁磁电极自旋磁矩平行、反平行排布形成低阻、高阻两种电导状态，凭借大隧穿磁电阻比值、非易失存储特性，大量应用于高精度磁场传感、高速磁随机存储器、低功耗存算一体芯片等自旋电子器件场景。常规磁隧穿结结构包含上下两层铁磁电极，中间夹一层绝缘隧穿势垒层；在外磁场调控下，两侧磁性层磁矩取向发生平行/反平行翻转，隧穿电流大小随之显著改变，以此完成高低阻态的电控、磁控切换。

2、传统磁隧穿结普遍选用fe、co、cofeb、nife等块体铁磁金属作为铁磁电极，搭配mco等氧化物作为隧穿势垒层制备异质结构，但传统块体材料与氧化物势垒之间存在严重晶格失配，异质界面易产生悬挂键、位错、界面杂质等缺陷，会引发自旋散射加剧、隧穿磁电阻衰减、器件开关比下降等问题，大幅限制器件稳定性与自旋输运效率。二维范德华材料拥有无悬挂键的原子级平整表面，层间依靠范德华力结合，制备异质结构时不受晶格匹配条件约束，能够构筑原子级洁净、无缺陷的完美界面，从根源缓解界面自旋损耗。但现有单一组分二维本征铁磁材料普遍居里温度低于室温，无法满足室温器件工作要求；同时传统复合结构磁隧穿结常混合块体金属与二维材料，无法充分发挥范德华界面的本征优势。因此，构筑全部功能层（铁磁电极、绝缘势垒层）均由二维范德华材料堆叠而成的全范德华磁隧穿结，实现室温下高效自旋隧穿输运，成为当前自旋电子器件领域亟待突破的难点与研究热点。

3、针对上述问题，亟需提高磁隧穿结的室温磁阻，从而提升磁隧穿结室温工作的稳定性。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结及其制备方法，其目的在于通过提高磁隧穿结的室温磁阻，从而提升磁隧穿结室温工作的稳定性。

2、根据本发明第一方面，提供了一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结，所述磁遂穿结包括绝缘衬底、电极a、电极g、二维范德华磁性层b、二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d和二维范德华磁性层f；

3、所述二维范德华磁性层b和二维范德华磁性层f各自独立地选自fe3-agabte2-c、fe3-agabgedte2-c、co-fe3-agabte2-c、co-fe3-agedte2-c，其中a=-3.0~3.0，b=0.01~5.0，c=-1~1，d=0.01~5.0；

4、所述磁遂穿结的结构为：自下而上依次堆叠绝缘衬底、电极a、二维范德华磁性层b、二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d、二维范德华磁性层f和电极g；

5、或者所述磁遂穿结的结构为：所述电极a和电极g分别位于绝缘衬底的绝缘表面两端，且互不接触；所述二维范德华磁性层b和电极a接触，所述二维范德华磁性层b位于绝缘衬底表面，且二维范德华磁性层b不与电极g接触；所述二维范德华障碍层c的一部分位于二维范德华磁性层b的上部，所述二维范德华障碍层c位于二维范德华磁性层b上部以外的部分位于绝缘衬底表面，且二维范德华障碍层c不与电极g接触；所述二维范德华障碍层d位于二维范德华障碍层c表面，且二维范德华障碍层d不与电极g接触；所述二维范德华磁性层f位于二维范德华障碍层d的上部，且一端与电极g接触。

6、根据本发明另一方面，提供了一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结，所述磁遂穿结包括绝缘衬底、电极a、电极g、二维范德华磁性层b、二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d、二维范德华障碍层e和二维范德华磁性层f；

7、所述二维范德华磁性层b和二维范德华磁性层f各自独立地选自fe3-agabte2-c、fe3-agabgedte2-c、co-fe3-agabte2-c、co-fe3-agedte2-c，其中a=-3.0~3.0，b=0.01~5.0，c=-1~1，d=0.01~5.0；

8、所述磁遂穿结的结构为：自下而上依次堆叠绝缘衬底、电极a、二维范德华磁性层b、二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d、二维范德华障碍层e、二维范德华磁性层f和电极g；

9、或者所述磁遂穿结的结构为：所述电极a和电极g分别位于绝缘衬底的绝缘表面两端，且互不接触；所述二维范德华磁性层b与电极a接触，所述二维范德华磁性层b位于绝缘衬底表面，且二维范德华磁性层b不与电极g接触；所述二维范德华障碍层c的一部分位于二维范德华磁性层b的上部，所述二维范德华障碍层c位于二维范德华磁性层b上部以外的部分位于绝缘衬底表面，且二维范德华障碍层c不与电极g接触；所述二维范德华障碍层d位于二维范德华障碍层c表面，且二维范德华障碍层d不与电极g接触；所述二维范德华障碍层e位于二维范德华障碍层d表面，且二维范德华障碍层e不与电极g接触；所述二维范德华磁性层f位于二维范德华障碍层e的上部，且一端与电极g接触。

10、优选地，所述二维范德华障碍层c和二维范德华障碍层d的材料各自独立地选自ws2、wse2、cuin2ps6、in2se3和黑磷。

11、优选地，所述二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d和二维范德华障碍层e的材料各自独立地选自ws2、wse2、cuin2ps6、in2se3、黑磷，且二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d和二维范德华障碍层e这三层障碍层中相邻两层障碍层为不同的材料。

12、根据本发明另一方面，提供了一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结阵列，包括多个相互独立的所述的基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结。

13、根据本发明另一方面，提供了所述的基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结的制备方法，包括以下步骤：

14、（1）在绝缘衬底上蒸镀电极a；

15、（2）在电极a上依次机械剥离或沉积二维范德华磁性层b、二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d和二维范德华磁性层f；

16、（3）在二维范德华磁性层f上蒸镀电极g；

17、或者包括以下步骤：

18、s1：在绝缘衬底上旋涂光刻胶；

19、s2：通过光刻技术绘制出电极图案；

20、s3：在步骤s2得到的电极图案上蒸镀电极a和电极g，所述电极a和电极g分别位于绝缘衬底的绝缘表面两端，且互不接触；

21、s4：在绝缘衬底上依次机械剥离或沉积二维范德华磁性层b、二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d和二维范德华磁性层f；所述二维范德华磁性层b位于绝缘衬底表面，二维范德华磁性层b和电极a接触，且不与电极g接触；所述二维范德华障碍层c的一部分位于二维范德华磁性层b的上部，二维范德华障碍层c位于二维范德华磁性层b上部以外的部分位于绝缘衬底上，且二维范德华障碍层c不与电极g接触；所述二维范德华障碍层d位于二维范德华障碍层c表面，且二维范德华障碍层d不与电极g接触；所述二维范德华磁性层f位于二维范德华障碍层d的上部，且一端与电极g接触，得到二维全范德华磁隧穿结。

22、根据本发明另一方面，提供了所述的基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结的制备方法，包括以下步骤：

23、（1）在绝缘衬底上蒸镀电极a；

24、（2）在电极a上依次机械剥离或沉积二维范德华磁性层b、二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d、二维范德华障碍层e和二维范德华磁性层f；

25、（3）在二维范德华磁性层f上蒸镀电极g；

26、或者包括以下步骤：

27、s1：在绝缘衬底上旋涂光刻胶；

28、s2：通过光刻技术绘制出电极图案；

29、s3：在步骤s2得到的电极图案上蒸镀电极a和电极g，所述电极a和电极g分别位于绝缘衬底的绝缘表面两端，且互不接触；

30、s4：在绝缘衬底上依次机械剥离或沉积二维范德华磁性层b、二维范德华障碍层c、二维范德华障碍层d、二维范德华障碍层e和二维范德华磁性层f；所述二维范德华磁性层b位于绝缘衬底表面，二维范德华磁性层b与电极a接触，且不与电极g接触；所述二维范德华障碍层c的一部分位于二维范德华磁性层b的上部，所述二维范德华障碍层c位于二维范德华磁性层b上部以外的部分位于绝缘衬底表面，且二维范德华障碍层c不与电极g接触；所述二维范德华障碍层d位于二维范德华障碍层c表面，且二维范德华障碍层d不与电极g接触；所述二维范德华障碍层e位于二维范德华障碍层d表面，且二维范德华障碍e不与电极g接触；所述二维范德华磁性层f位于二维范德华障碍层e的上部，且一端与电极g接触，得到二维全范德华磁隧穿结。

31、优选地，所述沉积的方法为化学气相沉积法、分子束外延法或磁控溅射法。

32、优选地，所述绝缘衬底为sio2、al2o3、gaas、聚酰亚胺或氟晶云母。

33、优选地，所述电极a和电极g各自独立地选自金属电极au、cr、pt、al、cu或ti。

34、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

35、（1）本发明基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结，采用具有室温铁磁性的ga基二维范德华铁磁体fe3-agabte2-c、fe3-agabgedte2-c、co-fe3-agabte2-c或co-fe3-agedte2-c（a=-3.0~3.0，b=0.01~5.0，c=-1~1，d=0.01~5.0），作为二维范德华磁性层，用二维范德华半导体材料ws2，wse2，cuin2ps6，in2se3，黑磷作为障碍层，由于不同障碍层形成能级差异导致零偏压磁阻。磁隧穿结在室温下隧穿磁电阻比值达400%以上，可实现零电流的超低功耗可靠运行，解决了目前已知的基于其它二维范德华铁磁体构成的磁隧穿结不能稳定工作于室温的技术问题。

36、（2）本发明制备的二维全范德华磁遂穿结，避免了传统材料带来的晶格失配问题；所用的铁磁材料实现了室温下理想的磁阻比，可以超低功耗稳定工作。

37、（3）本发明制备的二维全范德华磁遂穿结，更进一步地，三层障碍层能级匹配度更好，有更高的磁阻。

38、（4）本发明所制备的一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结优选地采用四端金属电极，可避免接触电阻带来的影响，使测试结果更加可靠。

39、（5）本发明所制备的一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结的厚度可以从20-500 nm任意可调，可与柔性衬底兼容，适用于可穿戴磁电子设备等领域。

40、（6）本发明所制备的一种基于多层障碍层的二维全范德华磁遂穿结可通过化学气相沉积法、分子束外延法或磁控溅射法等制备，实现了与逻辑电路等领域兼容的可能。