一种使用缓冲层增强太阳光对金属薄膜磁性调控的方法
阅读说明：本技术 一种使用缓冲层增强太阳光对金属薄膜磁性调控的方法 (Method for enhancing magnetic regulation and control of sunlight on metal film by using buffer layer ) 是由 刘明 周子尧 胡忠强 赵一凡 赵梦 于 2020-03-31 设计创作，主要内容包括：一种使用缓冲层增强太阳光对金属薄膜磁性调控的方法,包括以下步骤：步骤1,薄膜的制备；步骤2,旋涂/沉积缓冲层；步骤3,光伏活性层的旋涂：将选定的光伏活性层旋涂在缓冲层上；步骤4,生长电极：制备器件顶电极；步骤5,使用太阳光进行调控。本发明采用的插入缓冲层增加太阳光调控金属薄膜的调控量的方法,适用于其他可见光源,太阳光属于可再生能源极大地降低了能耗、成本,调控量的增大为实际应用提供了可能。(A method for enhancing the magnetic regulation and control of sunlight on a metal film by using a buffer layer comprises the following steps: step 1, preparing a film; step 2, spin coating/depositing a buffer layer; step 3, spin coating of the photovoltaic active layer: spin coating the selected photovoltaic active layer on the buffer layer; step 4, growing an electrode: preparing a top electrode of the device; and 5, regulating and controlling by using sunlight. The method for increasing the regulation and control quantity of the sunlight regulation and control metal film by inserting the buffer layer is suitable for other visible light sources, the sunlight belongs to renewable energy sources, the energy consumption and the cost are greatly reduced, and the increase of the regulation and control quantity provides possibility for practical application.)
技术领域
本发明属于磁性调控技术领域，特别涉及一种使用缓冲层增强太阳光对金属薄膜磁性调控的方法。
背景技术
现有调控金属薄膜铁磁共振场的技术一般借助电流产生的磁场、施加电压、使用高能量光束实现的。电流产生磁场调控耗能高，体积大，难与小型化器件兼容，产生焦耳热损坏器件，器件温度有可能上升到铁磁材料的居里温度，使器件不能工作。施加电压借助压电材料(如PMN-PT)利用应变作为媒介调控，需要电压高，集成难度大、高耗能；施加小电压借助离子液体调控，有化学反应产生，会腐蚀器件。高能量光束(如激光、脉冲光、偏振光)会产生大量热使器件不稳定，对于存储器件来说会影响临近的磁畴，影响精确性。
太阳光是备受关注的可再生能源，利用太阳光等可见光实现对金属薄膜磁性的调控是纯物理的方法可以实现低能耗，不会对器件造成腐蚀，并且和器件的小型化可以兼容。
目前太阳光调控金属薄膜的铁磁共振场，利用有机太阳能电池相关原理，可见光照射发光层产生电子，电子进入金属薄膜层占据未配对轨道能级，改变费米能级进一步改变磁性，存在的问题是存在散射、耗散、阴极和阳极功函数差太小等问题使进入金属薄膜层的电子数目太少，以至于调控量太小，急需增大调控量为实际应用铺平道路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用缓冲层增强太阳光对金属薄膜磁性调控的方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种使用缓冲层增强太阳光对金属薄膜磁性调控的方法，包括以下步骤：
步骤1，薄膜的制备：在基底上使用薄膜沉积方法得到金属薄膜层；
步骤2，旋涂/沉积缓冲层：选定利于传输电子/阻挡空穴的阴极缓冲层旋涂或者沉积在金属薄膜上，形成多层结构的测试结构；
步骤3，光伏活性层的旋涂：将选定的光伏活性层旋涂在缓冲层上；
步骤4，生长电极：制备器件顶电极；
步骤5，使用太阳光进行调控。
进一步的，步骤1中基底为：硅、二氧化硅或云母mica中的一种；薄膜结构为：Co/Ta/基底或CoFe/Ta/基底，其中CoFe的厚度为1.1nm或1.2nm，Co厚度为0.9nm或1nm，Ta厚度为4nm；CoFe或Co能够替换为FeCoB或NiFe。
进一步的，步骤1中，使用的基片需要在90w功率的超声振荡器中浸没在99％浓度的丙酮中清洗10min；之后在90w功率的超声振荡器中浸没在99％浓度的酒精中清洗10min；最后在90w功率的超声振荡器中浸没在去离子水中清洗10min并使用气枪吹干。
进一步的，步骤2中缓冲层材料为：ZnO、Ba、LiF或Ca中的一种。
进一步的，步骤2中，溶液采用旋涂法，取溶液15μL，使用匀胶机2000rpm进行旋涂，得到缓冲层；固体使用磁控溅射得到3nm到10nm的薄膜。
进一步的，步骤3中，光伏活性层为P3HT:PC61BM、PTB7-Th:PC71BM、p-DTS(FBTTH2)2:PC71BM:PTB7-Th中的一种；旋涂速度：1500rpm，使光伏活性层的厚度为70nm；将旋涂好光伏活性层的样品放置10-15小时使其均匀、干燥。
进一步的，步骤4中，顶电极材料Pt或Au中的一种；使用磁控溅射法制备电极。
进一步的，步骤5中，使用模拟太阳光灯具或其他可见光进行调控。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明采用的插入缓冲层增加太阳光调控金属薄膜的调控量的方法，适用于其他可见光源，太阳光属于可再生能源极大地降低了能耗、成本，调控量的增大为实际应用提供了可能，同时，调控装置简单容易集成化，可以与目前的小型化器件兼容。此外，本发明的方法，过程简单，容易操作，调控效果优良。
本发明在太阳光调控的自旋电子器件中插入这种阴极缓冲层来使更多的电子进入金属薄膜层，具体表现在铁磁共振场的调控量增大。
附图说明
图1是本发明的器件结构示图；
图2是本发明的对照组实验数据图；
图3是本发明的实验数据图；
图4是对照组和实验组实验数据对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
请参阅图1至图4，一种使用缓冲层增强太阳光对金属薄膜磁性调控的方法，包括以下步骤：
步骤1，薄膜的制备：在基底上使用薄膜沉积方法得到金属薄膜层；
步骤2，旋涂/沉积缓冲层：选定利于传输电子/阻挡空穴的阴极缓冲层旋涂或者沉积在金属薄膜上，形成多层结构的测试结构；其作用在于使更多的电子进入金属薄膜层并减少能量耗散提高光电转化效率。
步骤3，光伏活性层的旋涂：将选定的光伏活性层旋涂在缓冲层上；
步骤4，生长电极：制备器件顶电极；
步骤5，使用太阳光进行调控。
步骤1中基底为：硅、二氧化硅或云母mica中的一种；薄膜结构为：Co/Ta/基底或CoFe/Ta/基底，其中CoFe的厚度为1.1nm或1.2nm，Co厚度为0.9nm或1nm，Ta厚度为4nm；CoFe或Co能够替换为FeCoB或NiFe。
步骤1中，使用的基片需要在90w功率的超声振荡器中浸没在99％浓度的丙酮中清洗10min；之后在90w功率的超声振荡器中浸没在99％浓度的酒精中清洗10min；最后在90w功率的超声振荡器中浸没在去离子水中清洗10min并使用气枪吹干。
步骤2中缓冲层材料为：ZnO、Ba、LiF或Ca中的一种。材料的特征是可以传输电子，使更多的电子进入金属薄膜层；可以阻挡空穴，减少空穴电子的复合；可以改善光伏活性层和金属薄膜材料的表面形貌，减少耗散，增加光电转换效率，产生更多的光电子。
步骤2中，溶液采用旋涂法，取溶液15μL，使用匀胶机2000rpm进行旋涂，得到缓冲层；固体使用磁控溅射得到3nm的薄膜。
步骤3中，光伏活性层为P3HT:PC61BM、PTB7-Th:PC71BM、p-DTS(FBTTH2)2:PC71BM:PTB7-Th中的一种；旋涂速度：1500rpm，使有光伏活性层的厚度为70nm；将旋涂好光伏活性层的样品放置10小时使其均匀、干燥。
步骤4中，顶电极材料Pt或Au中的一种；使用磁控溅射法制备电极。
步骤5中，使用模拟太阳光灯具或其他可见光进行调控。
实施例1
请参阅图1所示，本发明插入缓冲层的可见光控磁自旋电子器件
金属薄膜的制备：使用直流磁控溅射法在真空度达到2.0×10-7Torr时开始以30w至50w功率依次沉积所需物质。获得Co(1nm)/Ta(4nm)/substrate结构。在整个薄膜制备过程中使用石英晶体微天平等工具检测生长过程，保证各层生长参数的精确性。
缓冲层的旋涂：吸取ZnO溶液20μL，借助匀胶机，2000rpm进行旋涂，将ZnO薄膜覆盖在Co层上。形成ZnO/Co(1nm)/Ta(4nm)/substrate的测试结构。
光伏活性层的旋涂：采购加拿大公司1-Material Chemscitech的给体PTB7-Th和受体PC71BM。并按原样使用。在含体积分数3％二碘辛烷的无卤素溶剂(邻二甲苯)中制备聚合物浓度为8mg mL-1的光伏活性层溶液(PTB7-Th/PC71BM比为1：1.5)。在制备光伏活性层之前，将溶液在80℃下搅拌过夜。吸取一定量的溶液，使用1500rpm的转速沉积在缓冲层上，厚度在70nm左右。在超净环境中放置10小时以上。形成PTB7-Th：PC71BM/ZnO/Co(1nm)/Ta(4nm)/substrate的测试结构。
生长顶电极：使用直流磁控溅射法在真空度达到2.0×10-7Torr时开始以30w至50w功率依次所需物质，本实列使用Pt(3nm)。形成Pt(3nm)/PTB7-Th：PC71BM/ZnO/Co(1nm)/Ta(4nm)/substrate的器件结构。
进行调控：通过ESR光谱(JES-FA200，JEOL RESONANCE Inc.)对磁各向异性的太阳光控制进行定量。选定TE 011模式微波功率为9200MHz，当外磁场磁性薄膜平行为0°，外磁场与磁性薄膜垂直为90°。使用PL-XQ500W氙气灯太阳能模拟器在150mWcm-2下对设备进行光照，测定其调控量。
本发明的附图2为不加ZnO缓冲层分别在黑暗条件下和加光照条件下，得到的铁磁共振场结果，可以看出在面内调控量为125.58Oe,面外调控量为169.37Oe.
本发明的附图3加入ZnO缓冲层，其余实验条件与附图2条件一致得到的铁磁共振场结果，可以看出在面内调控量为202.73Oe,面外调控量为196Oe。
本发明的附图4对加缓冲层和不加缓冲层的调控量进行了对比，可以看出面内面外加缓冲层的调控量都比不加缓冲层的调控量大。
实施例2
请参阅图1所示，本发明插入缓冲层的可见光控磁自旋电子器件：
金属薄膜的制备：使用直流磁控溅射法在真空度达到2.0×10-7Torr时开始以30w至50w功率依次沉积所需物质。获得NiFe(1.5nm)/Ta(4nm)/substrate结构。在整个薄膜制备过程中使用石英晶体微天平等工具检测生长过程，保证各层生长参数的精确性。
缓冲层的制备：使用直流磁控溅射法在真空度达到2.0×10-7Torr时开始以30w功率生长Ba(3nm),获得Ba(3nm)/NiFe(1.5nm)/Ta(4nm)/substrate结构
光伏活性层的旋涂：采购加拿大公司1-Material Chemscitech的给体PTB7-Th和受体PC71BM。并按原样使用。在含体积分数3％二碘辛烷的无卤素溶剂(邻二甲苯)中制备聚合物浓度为8mg mL-1的光伏活性层溶液(PTB7-Th/PC71BM比为1：1.5)。在制备光伏活性层之前，将溶液在80℃下搅拌过夜。吸取一定量的溶液，使用1500rpm的转速沉积在缓冲层上，厚度在70nm左右。在超净环境中放置10小时以上。形成PTB7-Th：PC71BM/Ba(3nm)/NiFe(1.5nm)/Ta(4nm)/substrate的测试结构。
生长顶电极：使用直流磁控溅射法在真空度达到2.0×10-7Torr时开始以30w至50w功率依次所需物质，本实列使用Au(3nm)。形成Au(3nm)/PTB7-Th：PC71BM/ZnO/Co(1nm)/Ta(4nm)/substrate的器件结构。
进行调控：通过ESR光谱(JES-FA200，JEOL RESONANCE Inc.)对磁各向异性的太阳光控制进行定量。选定TE 011模式微波功率为9200MHz，当外磁场磁性薄膜平行为0°，外磁场与磁性薄膜垂直为90°。使用PL-XQ500W氙气灯太阳能模拟器在150mWcm-2下对设备进行光照，测定其调控量。
实施例3
参阅图1所示，本发明插入缓冲层的可见光控磁自旋电子器件：
金属薄膜的制备：使用直流磁控溅射法在真空度达到2.0×10-7Torr时开始以30w至50w功率依次沉积所需物质。获得Co75Fe25(1.2nm)/Ta(4nm)/substrate结构。在整个薄膜制备过程中使用石英晶体微天平等工具检测生长过程，保证各层生长参数的精确性。
缓冲层的旋涂：吸取ZnO溶液15μL，借助匀胶机，2000rpm进行旋涂，将ZnO薄膜覆盖在Co层上。形成ZnO/Co75Fe25(1.2nm)/Ta(4nm)/substrate的测试结构。
光伏活性层的旋涂：采购加拿大公司1-Material Chemscitech的给体PTB7-Th和受体PC71BM。并按原样使用。在含体积分数3％二碘辛烷的无卤素溶剂(邻二甲苯)中制备聚合物浓度为8mg mL-1的光伏活性层溶液(PTB7-Th/PC71BM比为1：1.5)。在制备光伏活性层之前，将溶液在80℃下搅拌过夜。吸取一定量的溶液，使用1500rpm的转速沉积在缓冲层上，厚度在70nm左右。在超净环境中放置10小时以上。形成PTB7-Th：PC71BM/ZnO/Co75Fe25(1.2nm)/Ta(4nm)/substrate的测试结构。
生长顶电极：使用直流磁控溅射法在真空度达到2.0×10-7Torr时开始以30w至50w功率依次所需物质，本实列使用Au(3nm)。形成Au(3nm)/PTB7-Th：PC71BM/ZnO/Co75Fe25(1.2nm)/Ta(4nm)/substrate的器件结构。
进行调控：通过ESR光谱(JES-FA200，JEOL RESONANCE Inc.)对磁各向异性的太阳光控制进行定量。选定TE 011模式微波功率为9200MHz，当外磁场磁性薄膜平行为0°，外磁场与磁性薄膜垂直为90°。使用PL-XQ500W氙气灯太阳能模拟器在100mWcm-2下对设备进行光照，测定其调控量。