一种多功能自旋波晶体管及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于自旋波器件技术领域，具体涉及一种基于热梯度调控的多功能自旋波晶体管及其制备方法和应用。

背景技术

自旋波器件是利用自旋波的振幅与相位这两个自由度构建的逻辑器件。自旋波振幅的大小作为信号的输入与输出，振幅较大时可以视为逻辑“1”，振幅较小时可以视为逻辑“0”，逻辑“1”与“0”分别对应于大于原幅值的三分之二以及小于原幅值的三分之一。自旋波的“波”属性赋予了区别于电荷电流的第二个自由度，即自旋波的相位，当两束相位相差180°的自旋波发生干涉时，彼此幅值相消，便能实现逻辑“1”至逻辑“0”的转变。值得一提的是，自旋波的波长短至纳米量级、频段高至太赫兹以及易受外场调控的这些特点，是声波与光波所不具备的，这也是为何自旋波器件被认为是实现“后摩尔时代”的重要途径之一。

实现节能且高效的外场调控是自旋波器件的重要研究方向，也是一直以来阻碍自旋波器件实际应用的困难之一。传统硅基半导体集成电路的成功建立在晶体管的发明之上，利用微量的电流控制相比之下大得多的电流，实现电荷电流的放大与关断。自旋波操纵已经被证明有多种方式，包括使用电场、奥斯特场、或热场，抑或使用电子或磁子流。例如，一些研究将热场或磁子流与布拉格散射过程结合起来，以反射一定频率的自旋波，并对特定波长的自旋波进行关断，这一调控方式限制自旋波的调控波长。另一些则通过电场或电流驱动磁各向异性畴的运动来控制自旋波衰减或相移，但这只能在高损耗金属或反铁磁波导中实现，这一调控方式限制了自旋波的长距离传输。到目前为止，还没有一种调控方式能在一个器件中实现自旋波三种功能：有效的相移，显著的放大以及完全截止。同时，如何实现全波长的自旋波的低损耗调控也是一个难题。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出了一种多功能自旋波晶体管及其制备方法和应用。本发明多功能自旋波晶体管利用定向热梯度调控幅值与相位，实现了自旋波移相、放大与关断功能的集成化。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种多功能自旋波晶体管，包括基片，形成于基片之上的磁性薄膜层，形成于磁性薄膜层之上的定向加热层，形成于磁性薄膜层之上、定向加热层两侧的微波天线；在定向加热层上、自旋波传输路径的垂直方向上施加热流，实现自旋波晶体管的自旋波移相功能、自旋波放大功能以及自旋波关断功能的调控。

进一步的，所述自旋波移相功能是指对波的相位进行调整，自旋波放大功能是指将波的信号幅值进行放大，自旋波关断功能是指将波的信号幅值减弱至原幅值的三分之一以下。

进一步的，当定向加热层上施加温度梯度大于0且小于0.0184K/μm的热流时，利用磁性材料随温度升高饱和磁化强度下降的特点，实现自旋波移相功能；当定向加热层上施加温度梯度为0.0184～0.0643K/μm的热流时，温度梯度带来的磁振子力矩强度逐渐增加，并给自旋波施加正向自旋矩的作用，实现自旋波放大功能；当定向加热层上施加温度梯度大于0.1010K/μm的热流时，热磁子注入作为主要模式，实现了自旋波关断功能。

进一步的，所述磁性薄膜层为磁性绝缘体薄膜、铁磁合金薄膜或反铁磁薄膜。具体地，所述磁性绝缘体薄膜为钇铁石榴石(YIG)、铥铁石榴石(TmBiIG)、铋掺杂的铥铁石榴石(TmBiIG)、六角铁氧体、尖晶石铁氧体薄膜等；所述铁磁合金薄膜为坡莫合金(NiFe)、钴铁硼(CoFeB)、Heusler合金等；所述反铁磁薄膜为氧化亚镍(NiO)、铁酸铋(BiFeO

进一步的，所述定向加热层为石墨烯加热层、金属加热层或半导体加热层。具体地，所述石墨烯加热层为单层石墨烯、双层石墨烯或多层石墨烯；所述金属加热层为铂(Pt)、金(Au)、钽(Ta)、铜(Cu)、铝(Al)等；所述半导体加热层为硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、氮化镓(GaN)、碳化硅(SiC)、氧化铟锡(ITO)等。

进一步的，所述微波天线包括用于激发自旋波的天线和用于接收自旋波的天线，用于激发自旋波的天线和用于接收自旋波的天线位于定向加热层的两侧。

优选的，所述磁性薄膜层的厚度为1nm～10μm；所述定向加热层的厚度为0.5nm～10μm。

本发明还提供了一种多功能自旋波晶体管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、清洗基片；

步骤2、在步骤1清洗后的基片上生长磁性薄膜层；

步骤3、在步骤2得到的磁性薄膜层上生长定向加热层和微波天线；

步骤4、采用微电子加工工艺，在步骤3得到的多层薄膜结构上进行光刻和刻蚀，在多层薄膜结构上制作出自旋波晶体管的微纳图形。

进一步的，步骤2中生长磁性薄膜层的方法为脉冲激光沉积法、液相外延法或磁控溅射法。

进一步的，步骤3中生长定向加热层的方法为湿法转移法、化学气相沉积法、脉冲激光沉积法、磁控溅射法或分子束外延法等。

进一步的，步骤3中生长微波天线的方法为磁控溅射法。

本发明还提供了上述多功能自旋波晶体管在自旋电子学、自旋波逻辑器件、量子计算、全息存储、数据存储与逻辑运算、磁振子电路等领域中的应用。

本发明提供的一种多功能自旋波晶体管及其制备方法，通过定向加热层在自旋波传输路径的垂直方向上施加一定大小的热流，实现了自旋波晶体管的自旋波移相功能、自旋波放大功能以及自旋波关断功能的调控。其中，自旋波移相功能是指对波的相位进行调整，自旋波放大功能是指将波的信号幅值进行放大，自旋波关断功能是指将波的信号幅值减弱至原幅值的三分之一以下。当定向加热层上施加温度梯度大于0且小于0.0184K/μm的热流时，利用磁性材料随温度升高饱和磁化强度下降的特点，实现自旋波移相功能；当定向加热层上施加温度梯度为0.0184～0.0643K/μm的热流时，温度梯度带来的磁振子力矩强度逐渐增加，并给自旋波施加正向自旋矩的作用，实现自旋波放大功能；当定向加热层上施加温度梯度大于0.1010K/μm的热流时，热磁子注入作为主要模式，实现了自旋波关断功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供的一种多功能自旋波晶体管及其制备方法，通过定向加热层在自旋波传输路径的垂直方向上施加一定大小的热流，实现了自旋波晶体管的自旋波移相功能、自旋波放大功能以及自旋波关断功能的调控，与现代硅基半导体晶体管的功能类似，实现了自旋波器件功能的集成化，大大加速了自旋波超低功耗集成电路的商用化进程。

2、本发明多功能自旋波晶体管在自旋波激发频段的所有频率点均可调节，相比于布拉赫散射机制或者磁畴移动理论只能对自旋波激发频段中的某些频率点(即特定波长)进行调节的现有技术来说，实现了全波长范围的自旋波调控。

3、相比于高损耗的金属波导或者反铁磁波导，本发明实施例多功能自旋波晶体管在单层石墨烯与钇铁石榴石界面处实现自旋波调控，由于钇铁石榴石损耗极小、单层石墨烯对自旋波传输几乎无影响，因此实施例实现了自旋波的低损耗调控。

附图说明

图1为本发明提供的一种多功能自旋波晶体管的俯视图(a)与侧视图(b)；

图2为实施例1所述的多功能自旋波晶体管的移相效果图；

图3为实施例1所述的多功能自旋波晶体管的信号放大效果图；

图4为实施例1所述的多功能自旋波晶体管的信号关断效果图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，为本实施例所述的基于定向热梯度调控的多功能自旋波晶体管的俯视图(a)与侧视图(b)；包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，形成于基片之上的钇铁石榴石(YIG)磁性薄膜层，形成于磁性薄膜层之上的石墨烯定向加热层，形成于磁性薄膜层之上、定向加热层两侧的微波天线铬/金(Cr/Au)层。其中，石墨烯定向加热层由导电电极与单层石墨烯组成。

如图2所示，当石墨烯定向加热层上施加温度梯度为0.007K/μm的热流时，对140mT下的自旋波相位移动了180°；当施加温度梯度为0.01K/μm的热流时，对80mT下的自旋波相位移动了180°，这是由于温度的改变带来了磁性薄膜饱和磁化强度的降低。如图3所示，在石墨烯定向加热层上施加温度梯度为0.0518K/μm的热流时，自旋波发生放大，这是由于温度梯度带来的磁振子力矩强度逐渐增加，并给自旋波施加正向自旋矩的作用；在石墨烯定向加热层上施加温度梯度为0.1101的热流时，自旋波信号消失，这是由于不同模式的热磁子发生注入，并对当前模式的自旋波产生干扰，并最终关断。可以看到自旋波激发频段为3.6到3.9GHz，三种功能在该频段下的所有频率点均可实现，区别于现有技术中只有某些频率点可以实现特定功能。

实施例基于定向热梯度调控的多功能自旋波晶体管的制备方法，具体包括以下步骤：

1)依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗GGG单晶基片10分钟；

2)采用脉冲激光沉积法，在步骤1清洗后的基片上沉积1000nm的YIG薄膜，沉积完成后采用管式退火炉在空气中、800℃的温度下退火4h；

3)在步骤2得到的YIG薄膜上，采用直流磁控溅射法沉积一层Cr/Au薄膜，其中Cr层厚度为5nm，Au层厚度为200nm，得到微波天线；

4)在步骤2得到的YIG薄膜上、微波天线之间，采用直流磁控溅射法沉积一层Cr/Au薄膜，其中Cr层厚度为10nm，Au层厚度为300nm，得到导电电极；

5)在步骤2得到的YIG薄膜上、微波天线之间，采用化学湿法转移法转移一层石墨烯。具体为：将双面的铜基石墨烯薄膜的一面涂覆PMMA，将未涂覆PMMA的一面置于三氯化铁溶液表面，腐蚀3分钟后，用三氯化铁溶液冲洗掉未涂覆PMMA的石墨烯薄膜，然后继续置于三氯化铁溶液表面，腐蚀1小时后，将铜层全部腐蚀掉，使涂覆PMMA的石墨烯薄膜漂浮在三氯化铁溶液表面，用载玻片从下往上将涂覆PMMA的石墨烯薄膜捞起来，并放入盛有去离子水的培养皿中(涂覆PMMA的石墨烯薄膜漂浮在去离子水表面)，将生长有钇铁石榴石(YIG)薄膜层的基片从下往上将涂覆PMMA的石墨烯薄膜捞起来，使涂覆PMMA的石墨烯薄膜位于生长有钇铁石榴石(YIG)薄膜层的基片的中央，干燥(将样品放在吸水的材料上，进行自然风干)，热处理后，用丙酮溶液去除PMMA，得到在钇铁石榴石(YIG)薄膜层表面生长有石墨烯薄膜(单层石墨烯)的基片(所述钇铁石榴石(YIG)薄膜层与所述石墨烯薄膜为异质结结构)；

6)在步骤5得到的多层薄膜结构上，采用氩离子刻蚀技术，在自旋波传输通道中刻蚀出一定形状的石墨烯沟道，离子束刻蚀系统的阴极电流为5.2A，弧极电压为45V，屏栅电压为455V，加速电压为300V，中和电流为3.5A，耦合系数为1.25，刻蚀时长为30s。

实施例2

一种多功能自旋波晶体管，包括钆镓石榴石(GGG)单晶基片，形成于基片之上的钇铁石榴石(YIG)磁性薄膜层，形成于磁性薄膜层之上的金属Pt定向加热层，形成于磁性薄膜层之上、定向加热层两侧的微波天线铬/金(Cr/Au)层。

除生长金属Pt层以外的制备方法参考实施例1；

生长金属Pt层的过程(磁控溅射法)为：在10