微納加工制作基于LaAlO3-SrTiO3異質(zhì)結(jié)的自旋霍爾效應(yīng)器件研究.pdf

1、LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)異質(zhì)結(jié)界面存在著二維電子氣(2DEG)并且2DEG具有豐富的性質(zhì)，包括超導(dǎo)性、鐵磁性、超導(dǎo)與鐵磁共存以及很強(qiáng)的Rashba自旋軌道耦合(Rashba SOC)。針對LAO/STO界面Rashba SOC的研究表明，SOC強(qiáng)度能夠被柵壓進(jìn)行有效調(diào)控。受柵壓調(diào)控的SOC意味著可以通過改變柵壓而影響自旋的進(jìn)動、弛豫，這使得LAO/STO異質(zhì)結(jié)有望成為下一代電子器件-自旋電子學(xué)器件的平臺，包括實(shí)現(xiàn)自旋

2、場效應(yīng)晶體管。實(shí)際的自旋電子學(xué)器件要求通過自旋注入或者其它手段實(shí)現(xiàn)非平衡的自旋積累，然后在自旋傳輸（擴(kuò)散）過程中對自旋進(jìn)行操控，最后對自旋信號進(jìn)行探測。而自旋霍爾效應(yīng)(SHE)與逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE)為產(chǎn)生非平衡自旋積累，探測自旋信號的有效手段。
　　事實(shí)上，在LAO/STO異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)非平衡自旋積累以及進(jìn)行自旋輸運(yùn)現(xiàn)在還少有研究。這主要是由于LAO/STO異質(zhì)結(jié)的自旋擴(kuò)散長度很短，根據(jù)最近的報(bào)道僅在百納米量級。我們希望利用S

3、HE(ISHE)器件在LAO/STO中產(chǎn)生非平衡自旋積累并進(jìn)行自旋信號探測，同時(shí)通過柵壓調(diào)控SOC強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對自旋的操控。要在LAO/STO異質(zhì)結(jié)中制作SHE器件要求對其進(jìn)行微納加工，實(shí)現(xiàn)與自旋擴(kuò)散長度相當(dāng)尺寸的器件（百納米）。盡管文獻(xiàn)中有多種針對LAO/STO進(jìn)行微納加工的方法被提出，要實(shí)現(xiàn)百納米的器件依然具有挑戰(zhàn)。其中一個(gè)重要原因是由于傳統(tǒng)的干法刻蝕容易在STO襯底引入氧空位而使得襯底導(dǎo)電。襯底導(dǎo)電將導(dǎo)致器件不可靠。除了尺寸要求外，要

4、實(shí)現(xiàn)受柵壓調(diào)控的SHE器件，還要求百納米尺寸的LAO/STO器件仍然具有Rashba SOC且SOC強(qiáng)度能夠被調(diào)控。
　　我們首先研究了百納米尺寸LAO/STO器件的可靠性。我們采用文獻(xiàn)報(bào)道的低能Ar+輻照方法制作LAO/STO器件。利用這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的大尺寸器件（微米量級）。但是當(dāng)器件尺寸減小到幾百納米時(shí)，器件中本應(yīng)絕緣的區(qū)域變得導(dǎo)電。具體來講，如果器件中的兩條導(dǎo)電通道間隔僅為幾百納米，那么兩條通道之間的區(qū)域?qū)?dǎo)電，這使

5、得器件不可靠。我們研究發(fā)現(xiàn)可以通過聚焦離子束（Focused ion beam，F(xiàn)IB）刻蝕在百納米尺度內(nèi)實(shí)現(xiàn)有效的絕緣。這使得制作可靠的百納米尺寸SHE器件成為可能。
　　其次，我們研究了不同寬度LAO/STO條帶Rashba SOC強(qiáng)度被柵壓調(diào)控的效果。通過研究LAO/STO條帶的磁輸運(yùn)性質(zhì)，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)條帶較寬時(shí)（幾微米），柵壓能有效地調(diào)控SOC強(qiáng)度。但是當(dāng)條帶寬度較小到幾百納米時(shí)，柵壓調(diào)控SOC的能力減弱甚至消失。我們認(rèn)為這