ACMP 凝聚态物理的进步 1687 - 8124 1687 - 8108 Hindawi 10.1155 / 2017/9042823 9042823 研究文章 磁阻效应在镍铁/ BP /镍铁垂直自旋阀装置 徐 磊哥 1 2 冯 嘉 3 赵 康康 2 Lv 获刑 4 汉 秀峰 3 刘 中原 4 http://orcid.org/0000 - 0001 - 7588 - 4793 徐 萧红 1 黄 他 2 http://orcid.org/0000 - 0001 - 7240 - 2058 曾 Zhongming 2 Awana 转向p S。 1 化学与材料科学学院 重点实验室的磁分子和磁性材料的信息 教育部 山西师范大学 临汾41004 中国 moe.edu.cn 2 重点实验室的设备和应用程序 苏州Nano-Tech Nano-Bionics研究所 中国科学院 Ruoshui路398号 苏州215123 中国 cas.cn 3 北京凝聚态物理国家实验室 物理研究所 中国科学院 北京100190年 中国 cas.cn 4 亚稳材料科学与技术国家重点实验室 燕山大学 秦皇岛066004 中国 ysu.edu.cn 2017年 26 02 2017年 2017年 06 10 2016年 04 12 2016年 26 02 2017年 2017年 版权©2017雷雷徐et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

二维(2 d)分层材料如石墨烯和过渡金属dichalcogenides出现候选人自旋电子应用程序。在这里,我们报告磁阻(MR)属性的黑磷组成的BP(英国石油公司)自旋阀设备片联系了镍铁铁磁电极(FM)。自旋阀效应已经观察到从室温到4 K,与震级的4 K 0.57%和0.23%先生在300 K。此外,发现自旋阀阻力减少单调温度降低,表明BP薄膜作为导电镍铁电极之间的夹层。

 中国国家自然科学基金 11274343 91222110 国家杰出青年科学基金 51025103 新世纪优秀人才计划在大学 13 - 0993 1。介绍

二维(2 d)纳米材料如单层石墨烯和过渡金属dichalcogenides (tmd)已经引起了极大的关注作为未来的构建块(光电子)电子技术由于其特定的分层结构和新颖的物理性质 1- - - - - - 3]。最近,二维纳米材料也被证明在自旋电子学领域的应用潜力( 4- - - - - - 11]。二维材料很大程度上是研究非磁性层间的自旋阀,类似传统磁隧道结组成的两层铁磁(FM)由非磁性绝缘垫片,通常2O3和分别,阻力取决于两个铁磁电极的磁化方向( 12, 13]。第一个实验工作实现旋转传输现象Tombros等人报道了石墨烯平面旋转阀结构( 4]。后来,磁阻(先生)在室温下测量石墨烯垂直旋转阀( 7, 8]。后续工作报告spin-dependent运输h-BN和过渡金属dichalcogenides (tmd),如金属氧化物半导体2和WS2( 9- - - - - - 11]。这些研究表明,二维纳米材料为自旋电子应用程序可能是有前途的。few-layer黑磷(BP),最近新发现的二维纳米材料,已被证明是一种有吸引力的候选人材料由于其奇特的物理性质如thickness-dependent可调带隙、高载流子迁移率( 14- - - - - - 18]。有趣的是,理论研究预测比例相对较大,BP-based自旋阀结构( 19- - - - - - 21]。然而,到目前为止,还没有报道BP-based自旋阀效应先生。

在这项工作中,我们报告BP-based设备制造和自旋阀效应。2 d BP是夹在两个坡莫合金电极(Py和倪81年菲19)和英国石油(BP)作为非磁性层间隔层如图 1(一)。设备显示自旋阀效应从室温到低温4 K先生为0.57%。设备的温度依赖性电阻显示,英国石油(BP)层是两个调频电极之间的金属层。

((a)和(b))的结构和测量结构BP-based垂直自旋阀装置,包括底镍铁电极,2 d-bp垫片,镍铁电极。(c)光学宏观图的镍铁/ BP /镍铁自旋阀装置。(d) AFM图像的装置。

 2。方法 2.1。材料和设备制造

BP晶体合成了赤磷在高温1000°C和高压2 GPa。薄BP片是通过机械地去死皮BP水晶使用胶带(透明胶带),然后是片可在预制的Py(底部)被转移到SiO电极2/ Si衬底。底部电极被电子束光刻制造(EBL)和发射过程后电子束蒸发Py ~ 30纳米的厚度。在随后的过程中,顶部Py电极厚度~ 50 nm被另一个捏造的EBL、金属沉积和发射过程。最后,底部和顶部调频电极与大电极通过电子提单和Cr (5 nm) /非盟(60海里)沉积。

 2.2。设备描述和测量设置

测量设备的四端设置,流动的偏置电流的设备平面垂直于旋转阀。在45°磁场应用平面的方向Py铁磁电极,如图 1 (b)。BP片状最初确认的光学显微镜图 1 (c)然后进一步证实了原子力显微镜(AFM)。图 1 (d)显示了原子力显微镜(AFM)的一个设备,显示英国石油(BP)的厚度为设备~ 6.5海里。的传输测量BP-based自旋阀设备进行使用物理性质测量系统(项目组合管理系统)由量子设计。

 3所示。结果与讨论 3.1。电流电压特性和自旋阀效应

图 2(一个)显示电流电压( 我- - - - - - V)曲线的典型设备为各种温度。线性 我- - - - - - V曲线表明BP片状的欧姆接触特性和调频电极。在室温下,resistance-area (RA)设备的产品~ 10的顺序−11Ω·米2小于,单层金属氧化物半导体2设备(~ 10−10Ω·米2( 10])。这种差异可能与不同的带隙(1.87 ~ 0.5电动汽车在我们的设备而~ eV ( 10])。注意,电阻随温度降低,表明BP的行为作为一个自旋阀结构的金属如插图所示图 2(一个)。结果表明,BP片状薄行为作为导电薄膜而不是两个调频电极之间的隧道结,在金属氧化物半导体和以前作品是一致的2和WS2基于旋转阀( 10, 11]。

特征的镍铁/ BP /镍铁自旋阀装置。(a)设备在不同温度下的电流电压曲线从4 K到300 K和阻力曲线作为温度的函数在零磁场插图图(a) (b)阻力曲线的设备当外部磁场应用于300 K和先生的值是0.23% Py / BP / Py自旋阀的结构。

自旋阀效应的特点是通过测量电阻的函数磁场。通过全面的磁场,电阻可以调整为高阻( R 美联社 )国家和低阻( R P )状态,因为它取决于调频电极磁化的方向。磁阻的定义是 先生 = One hundred. × ( R 美联社 - - - - - - R P ) / R P ,在那里 R 美联社 和 R P 是电阻的磁化向量的两个Py电极反平行的和相互平行,分别。注意,顶部和底部电极的宽度设计为500 nm和2 μm如图 1 (c),分别。这个收益率的矫顽力大区别两个调频电极。因此底部电极比前一个更容易磁化磁场的应用程序下由于较弱的形状各向异性。的阻力的函数磁场代表Py / BP / Py自旋阀在室温下如图 2 (b)。随着磁场扫描从400−400 Oe Oe,顶部和底部电极开关顺序,导致抗高原的观测。设备的价值先生决心在RT是0.23%。

 3.2。依赖于温度的自旋阀效应

图 3(一个)显示一系列的曲线代表Py / BP / Py先生自旋阀在不同温度从4.2 K到300 K。最大的值是0.57%,4 K先生。简单先生之间的关系和调频电极的极化结可以近似 先生 = 2 P 1 P 2 / ( 1 - - - - - - P 1 P 2 ) ,在那里 P 1 和 P 2 的电子自旋极化两种调频金属分别( 10]。假设两个调频电极有相同的成分,那么极化( P 1 ≈ P 2 = P )的两个Py电极估计~ 5%,这与先前报告的其他值( 10),但小于( P ~ 0.3 Py / Al)2O3接口。可能原因减少极化的空气是Py表面之前,英国石油公司层的应用。一些污染物不可避免地吸附在表面和空气接触的Py可能产生反铁磁性的NiO,显著降低自旋极化( 22]。未来原位控制制造过程没有空气暴露的接口可能提高界面质量,最大化先生的效果。

依赖于温度的自旋阀效应在镍铁/ BP /镍铁设备。(b)规范化先生比作为温度的函数和实线的拟合布洛赫定律。(c)电阻的设备,对应于低电阻( R P )和高电阻( R 美联社 )。

奥单调减少的大小随着温度的增加,如图 3 (b)。振幅先生在更高的温度的降低可能是由于非弹性散射声子,磁性杂质散射、表面状态和热涂调频电子能量分布的金属( 23]。数据发现遵循布洛赫定律,自旋极化的描述 P ( T ) = P ( 0 ) ( 1 - - - - - - α T 3 / 2 ) 。通过拟合数据与奥关系通过考虑自旋极化的温度依赖性,material-dependent常数 α可以估计为5.9×10−5K−3/2。这个值是相当的3 ~ 5×10−5K−3/2在文献中报道( 24]。与温度有关的平行和反平行的阻力关系是显示在图 3 (c),进一步表明BP没有侮辱MTJ阻挡层,但随着金属层在垂直旋转阀。

 3.3。偏置电流自旋阀效应的依赖

最后,我们研究了自旋阀的偏置电流依赖效应。图 4(一)显示了阻力的函数磁场在不同偏置电流从10 μ一个50 μ一个4 K。发现先生的振幅值降低的偏置电流增加,如图 4 (b)。我们属性先生的减少值较大的偏置电流的旋转励磁的局部FM电极和BP夹层之间的接口( 25)以及局部陷阱州BP夹层( 26]在英国石油公司(BP)层间金属属性作用垂直自旋阀。结果提供一个可能的方法来使用新兴的英国石油(BP)等纳米材料未来的自旋电子学应用磁存储器和逻辑设备。

(一)磁阻曲线在不同偏置电流。(b)比先生作为偏置电流的函数。

 相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

 确认

支持的工作是由中国国家自然科学基金(拨款11274343和11274343号),国家杰出青年科学基金(批准号51025103),新世纪优秀人才计划在大学(ncet - 13 - 0993)。

 Osada M。 佐佐木 T。 从纳米晶体二维介质nanosheets:小说纳电子学构建块 先进材料 2012年 24 2 210年 228年 10.1002 / adma.201103241 2 - s2.0 - 84855430907 诺沃肖洛夫 k . S。 海姆 答:K。 莫洛佐夫 s V。 江 D。 张 Y。 Dubonos s V。 杰 i V。 Firsov 答:一个。 电场自动薄碳膜 科学 2004年 306年 5696年 666年 669年 10.1126 / science.1102896 2 - s2.0 - 7444220645 Radisavljevic B。 Radenovic 一个。 Brivio J。 贾科梅蒂 V。 克义斯 一个。 单层金属氧化物半导体2晶体管 自然纳米技术 2011年 6 3 147年 150年 10.1038 / nnano.2010.279 2 - s2.0 - 79952406873 Tombros N。 Jozsa C。 Popinciuc M。 Jonkman h·T。 车我们 b . J。 在单电子自旋传输和自旋进动的石墨烯在室温下 自然 2007年 448年 7153年 571年 574年 10.1038 / nature06037 2 - s2.0 - 34547635051 汉 W。 王 w·H。 π K。 McCreary k . M。 保 W。 李 Y。 苗族 F。 刘 c . N。 川上 r·K。 间不对称的自旋注入和传输在单层石墨烯 物理评论快报 2009年 102年 13 137205年 10.1103 / physrevlett.102.137205 2 - s2.0 - 64649089485 汉 W。 π K。 保 W。 McCreary k . M。 李 Y。 王 w·H。 刘 c . N。 川上 r·K。 电探测自旋进动的单层石墨烯自旋阀与透明的联系 应用物理快报 2009年 94年 22 222109年 10.1063/1.3147203 2 - s2.0 - 66749172229 Cobas E。 弗里德曼 a . L。 凡不神经 o . m . J。 罗宾逊 j . T。 Jonker b . T。 石墨烯作为隧道结:石墨烯磁隧道结 纳米快报 2012年 12 6 3000年 3004年 10.1021 / nl3007616 2 - s2.0 - 84862272703 伊克巴尔 m Z。 伊克巴尔 m·W。 李 j . H。 金 y S。 春 工程学系。 加工 J。 自旋阀效应的镍铁/石墨烯/镍铁连接 纳米研究 2013年 6 5 373年 380年 10.1007 / s12274 - 013 - 0314 - x 2 - s2.0 - 84877827469 Dankert 一个。 Venkata Kamalakar M。 瓦吉德 一个。 帕特尔 r S。 破折号 s P。 隧道磁电阻与自动薄的二维六角氮化硼的障碍 纳米研究 2015年 8 4 1357年 1364年 10.1007 / s12274 - 014 - 0627 - 4 2 - s2.0 - 84939212163 王 W。 纳拉 一个。 唐 l Dolui K。 刘 Y。 元 X。 金 Y。 吴 Y。 响 我。 Sanvito 年代。 秀 F。 在镍铁/ MoS Spin-valve效果2/镍铁连接 纳米快报 2015年 15 8 5261年 5267年 10.1021 / acs.nanolett.5b01553 2 - s2.0 - 84939188346 伊克巴尔 m Z。 伊克巴尔 m·W。 克 年代。 汗 m F。 Ramay s M。 室温自旋阀效应在镍铁/ WS2/公司连接 科学报告 2016年 6 21038年 10.1038 / srep21038 2 - s2.0 - 84958163969 魏 h . X。 秦 问:H。 马 M。 谢里夫 R。 汉 x F。 80%的隧穿磁电阻在室温下薄Al-O屏障磁隧道结与CoFeB自由和参考层 应用物理杂志 2007年 101年 9 09年b501 10.1063/1.2696590 2 - s2.0 - 34248576578 汤 年代。 Nagahama T。 福岛 一个。 铃木 Y。 安藤 K。 巨大的室温磁电阻在单晶铁/分别以/ Fe磁隧道结 自然材料 2004年 3 12 868年 871年 10.1038 / nmat1257 2 - s2.0 - 10044257857 李 l 余 Y。 叶 g . J。 通用电气 Q。 欧 X。 吴 H。 冯 D。 陈 x H。 张 Y。 黑磷场效应晶体管 自然纳米技术 2014年 9 5 372年 377年 10.1038 / nnano.2014.35 2 - s2.0 - 84901193930 夏 F。 王 H。 贾 Y。 重新发现黑磷作为一种各向异性层状材料光电和电子产品 自然通讯 2014年 5日,第4458条 10.1038 / ncomms5458 2 - s2.0 - 84904707277 Castellanos-Gomez 一个。 Vicarelli l 普拉达 E。 岛 j . O。 Narasimha-Acharya k . L。 Blanter 我美国。 Groenendijk d . J。 Buscema M。 斯蒂尔 g。 阿尔瓦雷斯 j . V。 Zandbergen h·W。 帕拉奇斯 J·J。 van der Zant h·S。 隔离和表征few-layer黑磷 二维材料 2014年 1 2 025001年 10.1088 / 2053 - 1583/1/2/025001 Castellanos-Gomez 一个。 Buscema M。 Molenaar R。 辛格 V。 詹森 l Van Der Zant h·s·J。 斯蒂尔 g。 确定的转让二维全干粘弹性材料的冲压 二维材料 2014年 1 1 011002年 10.1088 / 2053 - 1583/1/1/011002 2 - s2.0 - 84938844603 王ydF4y2Ba B。 杨 B。 王 Y。 增强稳定性的黑磷与SiO场效应晶体管2钝化 纳米技术 2015年 26 43 435702年 陈 M。 余 Z。 王 Y。 谢 Y。 王 J。 郭 H。 非平衡自旋注入单层黑磷 物理化学化学物理 2016年 18 3 1601年 1606年 10.1039 / c5cp04652a 2 - s2.0 - 84954104904 Anugrah Y。 罗宾斯 m . C。 克罗威尔 p。 凯斯特 美国J。 肖特基势垒高度的测定铁磁联系人few-layer phosphorene 应用物理快报 2015年 106年 10 103108年 10.1063/1.4914978 2 - s2.0 - 84924787192 Venkata Kamalakar M。 Madhushankar b . N。 Dankert 一个。 破折号 s P。 肖特基势垒的黑色低磷与铁磁隧道场效应器件的联系人 小 2015年 11 18 2209年 2216年 10.1002 / smll.201402900 2 - s2.0 - 84928948921 菲茨西蒙斯 m·R。 席尔瓦 t·J。 克劳福德 t M。 坡莫合金薄膜的表面氧化 物理评论B 2006年 73年 1 014420年 10.1103 / physrevb.73.014420 2 - s2.0 - 33144473571 克曼 J·J。 Roshchin i V。 屠杀 j . M。 戴夫 r·W。 舒乐问 即K。 隧穿磁电阻的温度依赖性的起源 Europhysics字母 2003年 63年 1 104年 110年 10.1209 / epl / i2003 - 00484 4 2 - s2.0 - 0742310731 商 c . H。 诺瓦克 J。 詹森 R。 Moodera j·S。 的温度依赖性的铁磁隧道结磁电阻和表面磁化 物理评论B 1998年 58 6 R2917 R2920 10.1103 / physrevb.58.r2917 2 - s2.0 - 0001316601 张 年代。 莱维 p . M。 马利 a . C。 帕金 s s P。 淬火电子在磁隧道结磁电阻的热 物理评论快报 1997年 79年 19 3744年 3747年 10.1103 / PhysRevLett.79.3744 2 - s2.0 - 4243062775 Tsymbal e . Y。 Mryasov o . N。 LeClair p R。 Spin-dependent磁隧道结的隧穿 凝聚态物理学杂志》上 2003年 15 4 R109 R142 10.1088 / 0953 - 8984/15/4/201 2 - s2.0 - 0037420011