微纳加工制作基于LaAlO3/SrTiO3异质结的自旋霍尔效应器件研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:macgrady2006
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LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)异质结界面存在着二维电子气(2DEG)并且2DEG具有丰富的性质,包括超导性、铁磁性、超导与铁磁共存以及很强的Rashba自旋轨道耦合(Rashba SOC)。针对LAO/STO界面Rashba SOC的研究表明,SOC强度能够被栅压进行有效调控。受栅压调控的SOC意味着可以通过改变栅压而影响自旋的进动、弛豫,这使得LAO/STO异质结有望成为下一代电子器件-自旋电子学器件的平台,包括实现自旋场效应晶体管。实际的自旋电子学器件要求通过自旋注入或者其它手段实现非平衡的自旋积累,然后在自旋传输(扩散)过程中对自旋进行操控,最后对自旋信号进行探测。而自旋霍尔效应(SHE)与逆自旋霍尔效应(ISHE)为产生非平衡自旋积累,探测自旋信号的有效手段。  事实上,在LAO/STO异质结中实现非平衡自旋积累以及进行自旋输运现在还少有研究。这主要是由于LAO/STO异质结的自旋扩散长度很短,根据最近的报道仅在百纳米量级。我们希望利用SHE(ISHE)器件在LAO/STO中产生非平衡自旋积累并进行自旋信号探测,同时通过栅压调控SOC强度实现对自旋的操控。要在LAO/STO异质结中制作SHE器件要求对其进行微纳加工,实现与自旋扩散长度相当尺寸的器件(百纳米)。尽管文献中有多种针对LAO/STO进行微纳加工的方法被提出,要实现百纳米的器件依然具有挑战。其中一个重要原因是由于传统的干法刻蚀容易在STO衬底引入氧空位而使得衬底导电。衬底导电将导致器件不可靠。除了尺寸要求外,要实现受栅压调控的SHE器件,还要求百纳米尺寸的LAO/STO器件仍然具有Rashba SOC且SOC强度能够被调控。  我们首先研究了百纳米尺寸LAO/STO器件的可靠性。我们采用文献报道的低能Ar+辐照方法制作LAO/STO器件。利用这种方法能够实现可靠的大尺寸器件(微米量级)。但是当器件尺寸减小到几百纳米时,器件中本应绝缘的区域变得导电。具体来讲,如果器件中的两条导电通道间隔仅为几百纳米,那么两条通道之间的区域将会导电,这使得器件不可靠。我们研究发现可以通过聚焦离子束(Focused ion beam,FIB)刻蚀在百纳米尺度内实现有效的绝缘。这使得制作可靠的百纳米尺寸SHE器件成为可能。  其次,我们研究了不同宽度LAO/STO条带Rashba SOC强度被栅压调控的效果。通过研究LAO/STO条带的磁输运性质,我们发现当条带较宽时(几微米),栅压能有效地调控SOC强度。但是当条带宽度较小到几百纳米时,栅压调控SOC的能力减弱甚至消失。我们认为这是由于条带边界的缺陷中心俘获了载流子从而影响了栅压的调控能力。进一步我们通过激光激发,使得被束缚的载流子重新回到导带参与导电。我们发现此时Rashba SOC能够重新被激光与栅压共同作用而被调控。SOC能够重新被调控,使得我们今后可以在百纳米器件中调节SOC强度从而实现对自旋的操控。  百纳米LAO/STO器件的可靠性,以及可调节的SOC强度为我们下一步实现SHE器件奠定了基础。
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