基于石墨烯的自旋场效应晶体管及其制备方法与流程

本申请属于电子学，尤其涉及一种基于石墨烯的自旋场效应晶体管及其制备方法。

背景技术：

1、自旋电子学(spintronics)，也称磁电子学。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。应用于自旋电子学的材料，需要具有较高的电子极化率，以及较长的电子自旋弛豫时间。许多新材料，例如磁性半导体、半金属等，近年来被广泛的研究，以求能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。

2、目前，自旋电子学的重要研究方向之一是开发合适的自旋电子学材料，最近的研究除了聚焦于传统的铁钴镍基等金属材料，以石墨烯、碳纳米管和富勒烯为代表的碳基材料也受到了广泛的关注。由于碳材料具有相对较弱的超精细相互作用和和自旋轨道耦合效应，因此相较于传统的金属或半导体材料，其可以实现更长的自旋弛豫寿命和自旋扩散长度，从而为大规模自旋集成电路的实现奠定了基础。自旋场效应晶体管(spin-fet)，也称为自旋偏振(极化)半导体场效应晶体管，是一种半导体自旋电子器件。其基本结构与传统的硅基场效应晶体管类似，具有源极、漏极、栅极三个电极和导电沟道，其工作原理是利用铁磁源极向导电沟道注入自旋极化电流，通过自旋轨道耦合及栅极电压电场对自旋流进行调控，利用铁磁漏级检测自旋流。具体地，器件中参与导电的是自旋异质结形成的高迁移率二维电子气；铁磁电极s和d具有相同的极化方向(即其中电子自旋的取向相同)，以注入和收集自旋极化的电子；栅极电场使沟道中高速运动的电子的自旋发生进动或转动，当自旋变成反平行时即被d极排斥而不导电，d极排斥作用的强弱决定于自旋进动的程度，从而s-d电流受到栅电压的控制。

3、石墨烯自2004年第一次被发现以来，由于其是半金属性，没有带隙，所以不能作为传统场效应晶体管中源漏电极之间的电荷流传输的沟道材料。非局域测量方法常常用于探测微纳器件的一些难以发现的特殊物理性质，近年来已逐渐成为自旋电子的研究热点之一。目前，石墨烯非局域测量的器件主要有h型结构或霍尔结构，但上述这些器件结构复杂，测量条件苛刻，测量效率低，且磁性半导体材料的居里温度远低于室温导致器件无法在室温下进行有效的测量，不利于器件的集成与应用。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种基于石墨烯的自旋场效应晶体管及其制备方法，旨在一定程度上解决现有自旋场效应晶体管工业化难度高的问题。

2、为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

3、第一方面，本申请提供一种基于石墨烯的自旋场效应晶体管，包括：绝缘衬底和设置在所述绝缘衬底表面的石墨烯片、导电电极和探测电极，以及与所述石墨烯片、所述导电电极和所述探测电极绝缘的栅电极；其中，

4、所述导电电极用于提供导通电路；

5、所述导电电极和所述探测电极之间通过所述石墨烯片连通；所述导电电极和所述探测电极与所述石墨烯片中碳原子形成具有铁磁性的石墨烯边缘，有电流通过所述导电电极时所述石墨烯片中产生自旋流；

6、所述探测电极用于检测所述自旋流；

7、所述栅电极用于提供栅极电压控制所述自旋流的状态。

8、第二方面，本申请提供一种基于石墨烯的自旋场效应晶体管的制备方法，包括以下步骤：

9、制备石墨烯片，将所述石墨烯片转移到绝缘衬底表面；

10、在所述绝缘衬底的表面制备导电电极和探测电极；使所述导电电极和所述探测电极之间通过所述石墨烯片连通，所述导电电极和所述探测电极与所述石墨烯片中碳原子形成具有铁磁性的石墨烯边缘，有电流通过所述导电电极时所述石墨烯片中产生自旋流。

11、本申请第一方面提供的基于石墨烯的自旋场效应晶体管中，导电电极用于提供导通电路，电荷从导电电极注入并在导电电极中流动。所述导电电极和所述探测电极之间通过所述石墨烯片连通，石墨烯具有优良的电学性能，超高的载流子浓度，超长的自旋弛豫时间，自旋轨道相互作用弱，自旋扩散距离长等优点，是理想的自旋流传输沟道材料。所述导电电极材料与所述石墨烯片中碳原子形成具有铁磁性的石墨烯边缘，形成磁矩，有电流通过所述导电电极时所述石墨烯片中产生自旋流。导电电极下方石墨烯中产生的自旋流通过石墨烯片形成的自旋流沟道流到探测电极，探测电极基于下方石墨烯与电极材料形成的具有铁磁性的石墨烯边缘，实现对器件中自旋流的输运和探测，并实现电流和自旋流的分离。提供的基于石墨烯的自旋场效应晶体管相对于石墨烯非局域测量器件结构更简单，且测量条件温和，测试效率高。

12、本申请第二方面提供的基于石墨烯的自旋场效应晶体管的制备方法，制备石墨烯片后转移到绝缘衬底表面，制备导电电极和探测电极，使所述导电电极和所述探测电极之间通过所述石墨烯片连通，石墨烯具有优良的电学性能，超高的载流子浓度，超长的自旋弛豫时间，自旋轨道相互作用弱，自旋扩散距离长等优点，是理想的自旋流传输沟道材料。制备的导电电极材料与所述石墨烯片中碳原子形成具有铁磁性的石墨烯边缘，形成磁矩，有电流通过所述导电电极时所述石墨烯片中产生自旋流。所述导电电极材料与所述石墨烯片中碳原子形成具有铁磁性的石墨烯边缘，形成磁矩，有电流通过所述导电电极时石墨烯片中产生自旋流。导电电极下方石墨烯中产生的自旋流通过石墨烯片形成的自旋流沟道流到探测电极，探测电极基于下方石墨烯与电极材料形成的具有铁磁性的石墨烯边缘，实现对器件中自旋流的输运和探测，并实现电流和自旋流的分离。制备的基于石墨烯的自旋场效应晶体管相对于石墨烯非局域测量器件结构更简单，且测量条件温和，测试效率高。

技术特征：

1.一种基于石墨烯的自旋场效应晶体管，其特征在于，包括：绝缘衬底和设置在所述绝缘衬底表面的石墨烯片、导电电极和探测电极，以及与所述石墨烯片、所述导电电极和所述探测电极绝缘的栅电极；其中，

2.如权利要求1所述的基于石墨烯的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述石墨烯片中包括1～4层石墨烯；

3.如权利要求1或2所述的基于石墨烯的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述导电电极包括源电极和漏电极，注入电荷在所述源电极和所述漏电极之间流动，形成导通电路；

4.如权利要求3所述的基于石墨烯的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述探测电极为两个，两个所述探测电极设置在所述导电电极的两侧，通过所述石墨烯片形成连通；

5.如权利要求1或4所述的基于石墨烯的自旋场效应晶体管，其特征在于，所述栅电极包括顶栅电极或者底栅电极；

6.一种基于石墨烯的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的基于石墨烯的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，制备所述石墨烯片的方法包括机械剥离法；

8.如权利要求7所述的基于石墨烯的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，所述机械剥离法包括步骤：将石墨贴附到透明胶带上，通过所述透明胶带对所述石墨进行反复折叠剥离，在所述透明胶带上形成所述石墨烯片；

9.如权利要求6～8任一项所述的基于石墨烯的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，在所述绝缘衬底的表面制备所述导电电极和所述探测电极的步骤包括：在所述绝缘衬底形成有所述石墨烯片的表面制备光刻胶层；所述光刻胶层的厚度高于所述导电电极和所述探测电极高度的预设值；

10.如权利要求9所述的基于石墨烯的自旋场效应晶体管的制备方法，其特征在于，还包括制备栅电极的步骤，所述栅电极包括顶栅电极或者底栅电极。

技术总结本申请属于电子学技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯的自旋场效应晶体管及其制备方法。包括：绝缘衬底和设置在绝缘衬底表面的石墨烯片、导电电极和探测电极，以及栅电极；导电电极用于提供导通电路；导电电极和探测电极之间通过石墨烯片连通；导电电极和探测电极与石墨烯片中碳原子形成具有铁磁性的石墨烯边缘，有电流通过导电电极时石墨烯片中产生自旋流；探测电极用于检测自旋流；栅电极用于提供栅极电压控制自旋流的状态。采用石墨烯片具有优良的电学性能，超高的载流子浓度，超长的自旋弛豫时间，自旋轨道相互作用弱，自旋扩散距离长等优点，是理想的自旋流传输沟道材料。其与电极形成具有铁磁性石墨烯边缘，实现对器件中自旋流的输运和探测。技术研发人员：魏征,彭志盛,李勇军,任红轩,孙连峰受保护的技术使用者：广东粤港澳大湾区国家纳米科技创新研究院技术研发日：技术公布日：2024/10/10