NiFe/BP/NiFe垂直自旋阀器件的磁阻效应

摘要

二维(2D)层状材料，如石墨烯和过渡金属二卤族，是自旋电子应用的候选材料。在这里，我们报道了一种黑磷(BP)自旋阀装置的磁电阻(MR)性质，该装置由薄BP片与镍铁铁磁(FM)电极接触组成。在室温至4k范围内观察到自旋阀效应，在4k和300k时的MR值分别为0.57%和0.23%。此外，自旋阀电阻随温度的降低而单调减小，表明BP薄膜作为NiFe电极之间的导电层。

1.介绍

二维(2D)纳米材料，如单层石墨烯和过渡金属二卤族(TMDs)，由于其特殊的层状结构和新的物理性能，作为未来(opto)电子技术的构建模块受到了极大的关注[1- - - - - -3.]最近，2D纳米材料也被证明在自旋电子学领域具有潜在的应用前景[4- - - - - -11]．二维材料主要被研究为自旋阀的非磁性夹层，它类似于传统的磁隧穿结，由两个铁磁(FM)层组成，由非磁性绝缘垫片(通常为Al)隔开₂O_3.和MgO，其电阻取决于两个铁磁电极的磁化方向[12，13]Tombros等人在基于石墨烯的平面自旋阀结构中首次报道了实现自旋输运现象的实验工作[4]．随后，在室温下测量了石墨烯垂直自旋阀的磁电阻[7，8]随后的研究报告了h-BN和过渡金属二氯化铝（TMD）中的自旋依赖输运，如MoS₂和WS₂［9- - - - - -11]．这些研究表明，二维纳米材料在自旋电子方面可能有广阔的应用前景。近年来，一种新发现的二维纳米材料——数层黑磷(BP)，由于其独特的物理特性，如厚度依赖的可调谐带隙和高载流子迁移率，被证明是一种极具吸引力的候选材料[14- - - - - -18]有趣的是，理论研究预测在基于BP的自旋阀结构中有相对较大的MR比率[19- - - - - -21]．然而，到目前为止，还没有关于bp基自旋阀MR效应的报道。

在这项工作中，我们报道了制造和自旋阀效应在bp基器件。二维BP被两个波马合金电极(Py和Ni)夹在中间₈₁铁₁₉)， BP层为非磁性隔离层，如图所示1(一)．器件从室温到低温均表现出自旋阀效应，在4 K时磁流变率为0.57%。器件电阻的温度依赖性表明，BP层作为两个FM电极之间的金属层。

2.方法

2．1．材料与器件制造

以红磷为原料，在1000℃的高温和2 GPa的高压下合成了BP晶体。采用胶带(透明胶带)机械剥离BP晶体，获得薄BP薄片，然后将薄片转移到预先在SiO上的Py(底部)电极上₂/硅衬底。底部电极采用电子束光刻（EBL）和电子束蒸发厚度约为30μm的Py后的剥离工艺制作 纳米。在随后的工艺中，顶部Py电极的厚度约为50 通过另一轮EBL、金属沉积和剥离工艺制备纳米材料。最后，底部和顶部FM电极通过EBL和Cr（5）与大电极连接 nm）/Au（60 纳米）沉积。

2．2.设备特性和测量设置

使用四端装置测量装置，其中偏置电流垂直于自旋阀的装置平面流动。磁场在平面内施加，与Py铁磁电极方向成45°，如图所示1 (b)．BP薄片最初由光学显微镜鉴定，见图1 (c)然后通过原子力显微镜(AFM)进一步证实。数字1（d）显示了一个装置的原子力显微镜（AFM）图像，显示该装置的BP厚度约为6.5 利用量子设计的物理性质测量系统（PPMS）对BP基自旋阀器件进行了输运测量。

3.结果与讨论

３．１．电流-电压特性和自旋阀效应

数字2（a）显示电流-电压(我-V)在不同温度下一个典型器件的曲线。线性我-V曲线反映了BP片电极和FM电极的欧姆接触特性。在室温下，该器件的电阻面积(RA)乘积约为~10⁻¹¹Ω·米²，比单层MoS中的小₂装置（~10⁻¹⁰Ω·米²［10])。这种差异可能与不同的带隙有关(在我们的器件中~0.5 eV，而在[10])。注意，电阻随着温度的降低而降低，这表明BP在自旋阀结构中表现为金属，如图中插图所示2（a）．结果表明，薄BP薄片表现为导电薄膜，而不是两个FM电极之间的隧道势垒，这与之前在MoS中的工作是一致的₂和WS₂基自旋阀[10，11]．

自旋阀效应的特点是测量作为磁场函数的电阻。通过扫掠磁场，可以将电阻调谐到高电阻()状态及低阻()状态，因为它取决于FM电极的磁化方向。磁电阻的定义为,在那里和为两个Py电极磁化矢量为反平行和平行时的电阻。请注意，上下电极的宽度被设计为500 nm和2μm如图所示1 (c),分别。这在两个FM电极之间产生了很大的矫顽力差异。在磁场作用下，由于形状各向异性较弱，底部电极比顶部电极更容易磁化。图中显示了一个具有代表性的Py/BP/Py自旋阀在室温下的电阻随磁场的函数2（b）.当磁场从−400 Oe至400 Oe，顶部和底部电极顺序切换，导致观察到电阻平台。在RT时，设备的MR值确定为0.23%。

３．２．自旋阀效应的温度依赖性

数字3（a）给出了一个具有代表性的Py/BP/Py自旋阀在4.2 ~ 300 K不同温度下的一系列MR曲线。在4 K时，最大MR值为0.57%。一个结的MR和FM电极的极化之间的简单关系可以近似为,在那里和分别为两种FM金属的电子自旋极化[10].假设两个FM电极具有相同的成分，则极化()估计两个Py电极的平均值约为5%，与之前报告的其他值相当[10)，但比那个小()在Py/Al₂O_3.界面。极化降低的一个可能原因是在应用BP层之前暴露在Py表面的空气中。一些污染物不可避免地吸附在表面上，Py的空气暴露可能产生反铁磁NiO，从而显著降低自旋极化[22]．未来在不暴露界面空气的情况下，在原位控制良好的制备工艺可以改善界面质量，使MR效应最大化。

MR的大小随温度的增加而单调减小，如图所示3（b）．较高温度下MR振幅的降低可能是由于声子的非弹性散射、磁杂质散射、表面态和FM金属中电子能量分布的热涂涂[23]发现数据符合布洛赫定律，其中自旋极化由．通过考虑自旋极化的温度依赖性和物质依赖性，将数据拟合到MR关系中α可以估计为5.9 × 10吗⁻⁵K^−3/2．这个数值可与3~5 × 10的数值相比较⁻⁵K^−3/2文献报导[24]．并联电阻和反并联电阻的温度依赖关系如图所示3 (c)，进一步说明BP在MTJ中不是侮侮性的阻挡层，而在垂直自旋阀中是金属层。

３．３．自旋阀效应的偏置电流依赖性

最后，我们研究了自旋阀效应对偏置电流的依赖关系。数字4(一)表示从10开始的各种偏置电流下的电阻与磁场的函数μ一个50μA四点钟 K.发现MR值的振幅随着偏置电流的增加而减小，如图所示4 (b)．我们将较大偏置电流下MR值的降低归因于在FM电极和BP夹层之间的界面处的自旋激励[25]以及BP层间局部圈闭状态[26]在垂直自旋阀中，BP中间层起到了金属性质的作用。研究结果为将新兴的BP纳米材料用于未来的自旋电子学应用，如磁记忆和逻辑器件提供了可能的途径。

相互竞争的利益

作者声明他们没有相互竞争的利益。

致谢

基金资助:国家自然科学基金(no. 11274343, no. 91222110);国家杰出青年科学基金(no. 11274343, no. 91222110);教育部新世纪优秀人才支持计划(NCET-13-0993);

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