BLG/SL-MoSe2 异质堆中磁阻极性的调制

介绍

过渡金属二硫属化物 (TMD) 和石墨烯是用于电子、光伏和自旋电子器件的重要二维材料 [1,2,3,4,5]。在自旋电子学中，SVJ 是一种很有前途的物理现象，它可以使用充当自旋偏振器或分析器的铁磁存储元件实现非易失性数据存储。它实现了磁性随机存取存储器、磁性传感器和基本逻辑应用作为信息向量的新时代 [6,7,8]。近年来，石墨烯和二维过渡金属二硫属元素化物 (2D-TMD) 发现了广泛的新型自旋电子应用 [9,10,11,12,13,14,15,16]。由于它们的自旋相干性和高自旋轨道耦合，它们已被广泛用于确定二维材料的高磁阻 [16, 17]。然而，在所有 TMD 中，尽管单层 MoSe2 (SL-MoSe2) 的自旋分裂效应 (188 meV) 和带隙 (1.5 eV) 比薄层纳米结构中的 WS2 和 WSe2 小，但在自旋电子学中的探索较少。表 [18, 19]。基于二维材料的 SVJ 的集成继承了一些问题，例如抗氧化性，这激发了器件制造的新发展 [20,21,22]。此外，2D 层状半导体材料和石墨烯的混合或异质结构在磁性隧道结中未被探索。它们可能在自旋极化设备中具有明确的自旋特性和互补信息。传统 SVJ 中湿转移的几个问题是影响铁磁金属 (FM) 接触的不利氧化的问题，这些接触依赖于界面质量以达到真实和高磁阻 (MR) 值 [9, 22, 23]。然而，自旋极化电极的氧化物势垒、界面、材料（隔离物）的替代和性能的控制需要进一步的进步和器件尺寸的极限制造。

为了克服这些限制，我们利用 2D 材料及其异质叠层来展示 Co 和 NiFe 电极之间三种不同层间结的熟练、超洁净的垂直 SVJ。我们观察到双层石墨烯 (BLG)、SL-MoSe2 和 BLG/SL-MoSe2 的清晰自旋信号，显示了室温下的 MR。在这里，我们将自旋阀结分为两种类型。在第一种类型（单个/单一材料；BLG 或 SL-MoSe2）自旋阀结 Co/BLG/NiFe 中，我们研究了退火前后的正负自旋信号，但在其他 Co/SL-MoSe2 /NiFe 器件，自旋信号保持正值，MR 值略有改善。有趣的是，在第二种类型（异质堆叠；BLG/SL-MoSe2）自旋阀结 Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 中，即使在退火过程之前和之后，MR 也被发现是正的。此外，在NiFe/BLG/SL-MoSe2/Co器件中，在退火前观察到正MR，但电子的自旋极化反转，退火后MR值显着增强。

为了探索卓越的 SVJ，应将去污和无残留的界面用于夹在 FM 电极之间的非磁性薄膜（垫片）。通过蒸发FMs（没有光和电子束光刻）来绕过氧化过程，实现了BLG/FMs的超清洁界面。

实验方法

设备制造

剥离的 BLG 通过厚的 SiN 窗口转移到直径 2-μm 的圆孔上。悬浮的BLG薄膜在炉管中在氩气和氢气环境中在350 °C下退火4 h，使BLG悬浮部分两侧的残留物变质。在沉积 FM 金属之前，我们在真空环境中的 DUV 灯下从两侧照射我们的设备 15 分钟，以进一步清洁 BLG。接下来，首先将 Co（~ 20 nm，蒸发速率 =0.6 Å/s）和 Au（~ 5 nm）金属分别沉积在悬浮石墨烯的顶部。随后，NiFe（~ 100 nm，蒸发速率 =0.8 Å/s）和 Au（~ 200 nm）从样品的底部沉积。此外，为了制造异质叠层，BLG 被转移到 SL-MoSe2 上以制造 BLG/SL-MoSe2 器件，该器件在氩气 (Ar) 和氢气 (H2) 气体环境中在炉管中在 250 °C 下退火 4 小时以劣化悬垂连接处两侧的残留物。对于 SL-MoSe2 和 BLG/SL-MoSe2 器件，Co/Au（35/10 nm）和 NiFe/Au（150/200 nm）分别沉积在顶部和底部。然后，将器件在 Ar 和 H2 气体混合物中在 250 °C 下退火 15 小时，以提高结质量和紧凑性。钻孔过程的详细信息可以在补充信息说明（1-2）中看到。

设备特性

雷尼绍拉曼微型光谱仪和 514 nm 的激光波长用于表征拉曼光谱。使用 ac 锁定放大器技术进行基于垂直自旋阀结的四探针传输测量。驱动交流电流固定在 10 μA 用于温度相关自旋磁传输测量，后来增加到 50 μA 以研究恒定温度下电流依赖性的影响 (T =4 K)。器件采用液氦冷却进行低温测量，温度由 Lake Shore 331 控制。电流电压测量使用皮安表 (Keithley 6485) 和纳伏表 (2182A) 完成。

结果与讨论

BLG 的自旋阀结

在我们的结果中，在垂直 SVJ 中，BLG 夹在 Co 和 NiFe 电极之间；其示意图如图 1a 所示。从图S1a中，悬浮区域的拉曼光谱证实BLG为G，并且在~ 1585.5和~ 2710 cm ⁻¹ 附近发现了2D峰 ，分别与之前的报告一致 [24]。此外，在 FM 沉积后，顶部的扫描电子显微镜 (SEM) 图像如图 S1b 所示。此后，温度依赖 I-V 获得了特性，如图 1b（插图）所示，其中展示了有关 SVJ 传导行为的宝贵信息。图 1b（插图）显示了 FM/BLG/FM 的线性曲线，表示欧姆接触，这与之前的报告一致 [25]。观察到不同温度下 R 与 B（面内）的变化，如图 1b 所示。两个电极在室温下磁分离并独立切换，其中 MR 定义为 MR (%) =[(R AP - R P)/R P] × 100 (%)。在这里，R AP 对应于 FM 层的磁化以反平行配置排列时的电阻，并且 R P 是 FM 层的磁化平行排列时的电阻。因为，在退火之前，我们测量了器件并发现了 BLG SVJ 的正磁阻，分别代表由于 FM 材料磁化的平行和反平行排列而导致的低电阻和高电阻状态。图 1b 显示了通过固定恒流值 (I =10 μA）。发现在退火之前，BLG 的 MR 值在 T 处从 ~ 0.75、~ 0.88、~ 0.95、~ 1.12 和 ~ 1.26% 单调增加 =300、200、100、50 和 4 K，如图 1c 所示。然而，这些结果是一致的，并且比以前的报告要好 [26,27,28]。在低温下观察到更高的磁阻，这是磁隧道结 (MTJ) 的典型行为，归因于 FM 材料中自旋波的激发 [29]。因此，在退火后，由于 Co 和 NiFe 在 BLG 的顶部和底部的掺杂效应，BLG SVJ 改变其符号，如图 1c（插图）所示。重要的是，退火后，MR 在 T 增加到 ~ − 0.84、~ − 0.98、~ − 1.19、~ − 1.35 和 ~ − 1.49% =300、200、100、50 和 4 K，如图 1c 所示。因此，自旋极化被反转并表明负 MR，这归因于 BLG 中的电荷转移和邻近诱导带分裂，如图 1d [28] 所示。

一 铁磁 Co 和 NiFe 金属分别沉积在顶部和底部的器件制造方案。 b 在不同温度下退火前 R 与 B 的变化曲线（I =10 μA）。 （插图）BLG 在不同温度下的电流-电压特性是线性的，表示欧姆接触。 c 在固定交流电流下退火前后 BLG 的温度相关 MR 值。 （插图）在 T 退火后 Co/BLG/NiFe 结的 MR 与 B =4 K。d BLG 的自旋相关态密度示意图。带分裂使 E 处的自旋向上和自旋向下载流子不同 F. 中间粗红色虚线表示范德瓦尔斯键合BLG的解耦

由于退火，结变得紧凑，层与层之间的距离和结电阻减小（图 S3c）；否则，在退火之前，可能会有一些埃 (Å) 间隙充当绝缘体，阻碍掺杂机制，并规避之前报告 [28] 中报道的邻近诱导带分裂效应。此外，在费米能级，自旋向上电子在 n 掺杂石墨烯中占多数，而自旋向下电子在 p 掺杂石墨烯中占多数，这会产生负 MR。此外，为了确认 Co 和 NiFe 的掺杂效果，我们制造了原始 BLG、Co 掺杂 BLG 和 NiFe 掺杂 BLG 的场效应晶体管，如图 S3（a，b）所示。我们使用了 Ni89Fe11，因此，如之前报道的那样，Ni 很容易掺杂 p 型 [30, 31]。 Dirac 测量表明，原始 BLG 的电荷中性点 (CNP) 接近 + 4 V。在 BLG 掺杂 Co 和 NiFe 后，CNP 分别移动到 + 17 和 - 11 V，这支持费米能级的调制BLG，如图S3b所示。

SL-MoSe2 的自旋阀结

此外，在 SiN 膜孔上转移的 SL-MoSe2 的光学图像如图 2a 所示。剥离的 MoSe2 薄片的高度，通过原子力显微镜 (AFM) 测量，高度分布表明 ~ 0.7 nm 厚，如图 S2a-b 所示。在单层剥离的 MoSe2 中，A1g（面外）拉曼模式软化至 ~ 240.6 cm ⁻¹ 和 E ¹ 2g（面内）模式变硬至 ~ 286.4 cm ⁻¹ ，如图S2c所示，与之前的报告[32]一致。 Co/SL-MoSe2/NiFe 自旋阀结的结电阻如图 2b 所示，随着温度的降低而降低。此外，在线性I-V 不同温度下的曲线，图 2b 的插图还揭示了 SL-MoSe2 和 FM 电极之间的欧姆接触。线性I-V 特性表明单层 MoSe2 充当导电薄膜而不是电极之间的隧道势垒。在图 2c 中，通过保持恒定电流 (I =10 μA)，产生一个正的自​​旋信号。 SL-MoSe2 SVJ 的方案如图 2d 中的插图所示。 Co/SL-MoSe2/NiFe 结的温度相关 MR 值如图 2d 所示，其中观察到 MR 随着温度升高而降低。

一 孔顶部 SL-MoSe2 薄片的光学图像。 b SL-MoSe2 在不同温度下的结电阻。 （插图）与温度相关的 I -V 垂直 Co/SL-MoSe2/NiFe SVJ 的曲线展示了金属结。 c T 处 R 与 B 的变化 =300、200、100、50 和 4 K 退火前。 d Co/SL-MoSe2/NiFe 在固定电流下退火前后的温度相关 MR 比。 （插图）SL-MoSe2 装置示意图

在这个交界处，I 处的 MR 幅度 =10 μA 被确定为 ~ 0.37、~ 0.56、~ 0.76、~ 1.2 和 ~ 1.51% 在 T =300、200、100、50 和 4 K。此外，在固定的交流电流下，Co/SL-MoSe2/NiFe 结的 MR 值在器件退火后略有提高，在 时达到 ~ 0.41、~ 0.6、~ 0.79、~ 1.4 和 ~ 1.56% =300、200、100、50 和 4 K，如图 2d 所示。因此，MR 的增强可归因于结质量的提高，如图 S3c 所示，其中所有器件的结电阻在退火后显着降低。重要的是，这些 SL-MoSe2 结的极性保持不变，因为 Co 和 NiFe 掺杂 SL-MoSe2 的程度不足以将其费米能级从导带转移到价带，反之亦然。这就是为什么 MoSe2 在两个界面都表现出稳定的正自旋极化。

BLG/SL-MoSe2 Heterostack 的自旋阀结

由于其独特的自旋极化传输特性，研究了原子级薄二维材料的异质堆。此外，图 3a 显示了 BLG/SL-MoSe2 异质叠层在 SiN 孔上的光学图像。与温度相关的结电阻如图 3b（顶部插图）所示，其中电阻随着温度的降低而减小，这表明是金属结。为了进一步确认金属行为，我们研究了四探针几何 I-V T 处的特征 =4 K，如图 3b（底部插图）所示。 Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 结表现出线性 I-V 由于欧姆接触而产生的曲线。在退火之前，图 3b 显示了正 MR 迹线，这证明了 Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 中的正自旋极化。然而，在退火后，MR 符号保持为正（图 3d，插图）并且值从 ~ 0.42、~ 0.63、~ 0.85、~ 1.26 和 ~ 1.71%（图 3d；退火前）增加到 ~ 0.49，在 T 处 ~ 1.13、~ 1.65、~ 1.81 和 ~ 1.86%（图 3d；退火后） =300、200、100、50 和 4 K，如图 3d 所示。低温下的高 MR 值是自旋阀结的典型行为 [33, 34]。 Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 器件中的正 MR 归因于两个界面的类似正自旋极化：Co/BLG 和 SL-MoSe2/NiFe。在我们的研究结果中，我们阐明了 SL-MoSe2 中的正自旋极化（图 2c），而在 Co/BLG/NiFe 自旋阀结中，Co/BLG 界面也产生了正自旋极化。因此，Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 自旋阀结的净极化为正，如图 3c 所示。

一 BLG/SL-MoSe2 在孔上的光学显微图像。 b Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 结在固定电流 (I =10 μA)。 （顶部插图）Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 的温度相关结电阻。 （底部插图）线性 I-V Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 器件在 T 处的曲线 =4 K。c BLG 和 SL-MoSe2 异质叠层的自旋相关态密度示意图。在对器件进行退火后，与 Co 或 NiFe 相邻的 BLG 的费米能​​级由于 n 型或 p 型掺杂而发生偏移。 d 在退火前后，Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 结构的 MR 大小是温度的函数。 （插图）退火后，Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 结在固定电流 I 下的温度相关 MR 回路 =10 μA

此外，为了阐明 BLG 掺杂 Co 和 NiFe 的作用，我们制造了另一组异质叠层器件 NiFe/BLG/MoSe2/Co。在退火之前，我们测量了描述正磁阻的 MR 回路，如图 4a 所示。重要的是，退火后，NiFe/BLG/MoSe2/Co 结的极性反转，如图 4b 所示。负极化归因于 NiFe/BLG 界面上的空穴掺杂和 BLG 中的邻近诱导能带分裂，这会诱导大部分自旋向下电子 [28]。计算了 NiFe/BLG/MoSe2/Co SVJ 的温度依赖性 MR 值（~ 0.12、~ 0.24、~ 0.48、~ 0.86 和~ 1.2% at T =300、200、100、50 和 4 K，在退火之前和 ~ -0.56、~ -0.75、~ -0.98、~ -1.42 和 ~ -1.99% 在 T =300、200、100、50 和 4 K，退火后）如图 4c 所示。值得注意的是，退火后，由于电阻降低、层间间隙以及 NiFe 改善 BLG 中的掺杂现象，MR 值增加。此外，在退火之前和之后，NiFe/BLG/SL-MoSe2/Co SVJ 的净极化分别为正和负，如图 3c 所示。此外，在对电流依赖的 MR 进行退火后，计算 NiFe/BLG/MoSe2/Co SVJ 的比率，如图 4d 所示。因此，发现随着交流电流从 I =10 μA 至 I =50 μA，MR值从~ − 2.0降低到~ − 1.71%。这种 MR 的降低是传统的，并且由于位于界面处的自旋激发和非磁性间隔物中的局部陷阱状态 [13, 15, 35, 36]。最后，我们绘制了一个图表，显示了整个项目中我们所有类型设备的 MR (%) 值，并揭示了一致且可重复的趋势，如图 S4 所示。

一 在退火之前，MR 轨迹是 T 处磁场的函数 =300, 4 K 和 I =10 μA。 b 退火后，MR 跟踪不同温度下的磁场 B。 c 退火前后，T处的MR值 =300、200、100、50 和 4 K。d NiFe/BLG/SL-MoSe2/Co在不同电流值下的MR幅值

然而，FM 接触引起的掺杂 [37] 和邻近效应引起的能带分裂会导致石墨烯中自旋向上和自旋向下电子的数量存在差异 [38, 39]。退火后，FM 触点与相邻双层石墨烯之间的构象和改进的接触提供了范德华键合的少层晶体内石墨烯层的有效去耦，如在扭曲的石墨烯双层中所报道的，制造两个电子去耦的更薄石墨烯 [40 ]。之后，这两个明显掺杂和邻近的石墨烯层成为自旋极化的电极，决定了磁阻的极性。

基本上，Co 和 NiFe FM 分别在 BLG 中具有 n 型和 p 型掺杂。结合 Co/BLG，BLG 的费米能​​级由于 n 掺杂而移动到导带。当 BLG 的费米能​​级位于导带时，由于石墨烯的邻近诱导带分裂，自旋向上电子的密度或数量与自旋向下电子相比增加，最终呈现正自旋极化。另一方面，在 NiFe/BLG 堆栈中，BLG 的费米能​​级转移到价带，邻近引起的带分裂促进了自旋向下电子的密度，最终证明了负自旋极化。值得注意的是，在我们的实验中，只有在 FM 金属化后对器件进行退火时，BLG 中的邻近感应效应才会变得突出，如参考文献中所观察到的类似。 [28]。最初，我们对 SL-MoSe2 的费米能​​级感兴趣，该能级可能由于退火过程后 Co 或 NiFe 的接近接触而移动。但令人惊讶的是，由于对 MoSe2 的微弱掺杂效应，它仍然保持一致。它在 SL-MoSe2/NiFe 和 SL-MoSe2/Co 界面上表现出稳定的正自旋极化，因此我们可以通过在 Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 或 BLG 中选择 NiFe 或 Co 来轻松调节 MR 的符号NiFe/BLG/SL-MoSe2/Co 结。此外，我们在参考文献中发现。 [28]，在 BLG 自旋阀结中退火后观察到最大 1% MR。另一方面，在我们退火后的工作中，我们发现 Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 中的 MR ~ 1.86%（比参考文献 [28] 大 86%）和 ~ 1.99%（比参考文献 [28] 大 99%）参考文献 [28]) 在 NiFe/BLG/SL-MoSe2/Co 器件中的结果。由于我们得出结论，与仅 BLG 或 SL-MoSe2 相比，BLG/SL-MoSe2 结的表现形式提供了较大的 MR 值，因此，器件制造的基本功能可能有助于为逻辑和存储器自旋电子应用开辟一条新途径。未来。

结论

总之，我们揭示了 Co/BLG/NiFe、Co/SL-MoSe2/NiFe、Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 和 NiFe/BLG/SL-MoSe2/Co 的净化 SVJ。所有 SVJ 的电流 - 电压特性都表现出线性关系，这证实了金属结并且表现得像导电膜。我们分别检查了退火前后 Co/BLG/NiFe 中的正负 MR 信号。由于在退火后，邻近感应效应会反转 BLG SVJ 的极性。虽然，在 Co/SL-MoSe2/NiFe 中，MR 值略有提高，但与 BLG 不同的是，由于 SL-MoSe2 对 FM 的掺杂影响可以忽略不计，因此其在退火前后的极性保持相同（正）。此外，与 SL-MoSe2 一样，Co/BLG/SL-MoSe2/NiFe 的异质叠层 SVJ 在退火过程前后均呈现正极性，但其 MR 值在退火后显着增强。此外，NiFe/BLG/MoSe2/Co SVJs 在退火前表现出正 MR，但在退火后，由于 BLG 与 NiFe 的邻近诱导能带分裂，极性反转，MR 值提高。此外，我们观察到与电流相关的 MR 幅度在大电流值下会降低，这归因于界面状态在高偏置下的贡献。因此，与 BLG 和 SL-MoSe2 相比，BLG/SL-MoSe2 异质叠层显示出更高的 MR 和自旋极化，从而在界面处提出更好的自旋过滤现象。随后，在 BLG/SL-MoSe2 器件中，极性不仅反转，而且还展示了 FM 界面的高效自旋过滤机制。这些对二维半导体材料及其异质叠层的研究可能会探索自旋电子逻辑器件中有价值的补充信息。

数据和材料的可用性

作者没有数据可分享，因为所有数据都已在提交的手稿中显示。

缩写

TMD：

过渡金属二硫属化物

二维：

二维

MR：

磁阻

BLG：

双层石墨烯

SL-MoSe2：

单层 MoSe2

CNP：

电荷中性点

原子力显微镜：

原子力显微镜