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国家纳米科学中心在磁性电极无损转移制备高性能自旋电子器件方面取得新进展

编译者:冯瑞华发布时间:May 21, 2024点击量:5049 来源栏目:成员单位动态

自旋电子器件以高效的方式利用电子自旋进行信息存储、传输和处理,目前已成功应用于电脑硬盘。为了实现性能更加优异、功能更加丰富的自旋电子器件,分子半导体材料凭借其远高于其他材料的自旋寿命而成为近年来自旋电子学领域的研究热点。孙向南课题组长期专注于分子自旋电子器件的研究,目前已在分子半导体材料与自旋特性的构效关系(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202213208)、分子自旋电子器件中的界面效应(Adv. Mater. 2023, 35, 2300055)、新型功能性分子自旋电子器件(Science 2017, 357, 677; Nano Today 2023, 49, 101763)等方面取得系列研究进展。

近日,孙向南课题组开发了一种聚合物薄膜辅助应变限制无损转移铁磁电极的方法,并成功应用于高性能和高重复性自旋电子器件的构筑。相关成果以Strain-restricted transfer of ferromagnetic electrodes for constructing reproducibly superior-quality spintronic devices为题在线发表于Nature Communications上。

由两个铁磁电极和非磁性中间层组成的垂直三明治结构是自旋电子器件最典型的器件结构。然而,在现有的顶部磁性电极直接沉积过程中,高动能和热能的电极金属原子往往会侵染并损伤非磁性中间层,从而严重影响器件的性能和可重复性。为避免金属电极直接沉积过程带来的界面金属丝渗透和破坏脆弱中间层的问题,出现了电极转移技术。该技术依赖于金属电极的预沉积并将其转移到目标材料上。然而,目前为止无论是湿法还是干法转移技术都面临严重的挑战。湿法转移过程使用的溶剂往往会引入新的杂质,造成额外的散射中心;干法转移过程产生的应变会损伤铁磁电极原本的特性。目前仍然缺少一种无损转移铁磁电极的方法。

最新的研究工作中,孙向南团队通过使用高模量聚合物支撑薄膜将铁磁电极的应变限制在极低水平(< 0.025%),以确保在转移过程中铁磁电极的特性得以保持。首先,该工作成功实现了铁磁电极的高质量转移,其微观形貌、电学、磁学等性质在转移前后均保持不变。其次,通过这种无损转移铁磁电极的方法,构建了界面均匀且无侵染的自旋电子器件,降低了界面处的自旋相关散射,提高了器件的性能和可重复性。此外,该方法还具有普适性,能够适用于包含不同类型材料和结构的器件,为构建高质量的半导体器件提供了一种新的途径,同时还展现了在大面积器件阵列中的潜在应用。

该研究工作由国家纳米科学中心孙向南研究团队主导,国家纳米科学中心副研究员郭立丹、特别研究助理谷现荣、博士研究生胡顺华为文章的共同第一作者,国家纳米科学中心孙向南研究员和山东大学秦伟教授为通讯作者。该研究成果得到了国家自然科学基金项目和中国科学院战略性先导科技专项B类等项目的资助。 

图. 铁磁电极无损转移制备自旋电子器件的步骤示意图

原文链接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-45200-7

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