磁性二维半导体的同质结磁阻器件及其制备方法和应用
阅读说明：本技术 磁性二维半导体的同质结磁阻器件及其制备方法和应用 (Homojunction magnetoresistive device of magnetic two-dimensional semiconductor and preparation method and application thereof ) 是由 魏钟鸣 房景治 黎博 廖志敏 杨珏晗 魏大海 宗易昕 文宏玉 于 2020-04-17 设计创作，主要内容包括：一种磁性二维半导体的同质结磁阻器件及其制备方法和应用,该同质结磁阻器件包括硅层；二氧化硅层,其设置在硅层上,与硅层共同作为栅极和绝缘层；第一纳米片和第二纳米片,均设置在二氧化硅层上,第一纳米片和第二纳米片部分重叠,该重叠区域形成垂直结构,第一纳米片和第二纳米片均为过渡金属磁性原子掺杂非磁性二维半导体材料；以及源极和漏极,分别位于第一纳米片和第二纳米片之上。本发明中元素的掺杂是一种调控二维材料性质的有效手段,利用过渡金属原子对非磁性材料的掺杂从而在非磁性材料中引入磁性,这种方式为自旋电子学的发展提供了更多选择。(A homojunction magneto-resistive device of a magnetic two-dimensional semiconductor and a preparation method and application thereof are provided, wherein the homojunction magneto-resistive device comprises a silicon layer; a silicon dioxide layer disposed on the silicon layer, and serving as a gate electrode and an insulating layer together with the silicon layer; the first nanosheet and the second nanosheet are both arranged on the silicon dioxide layer, are partially overlapped, form a vertical structure in the overlapped area, and are made of transition metal magnetic atom-doped non-magnetic two-dimensional semiconductor materials; and a source and a drain respectively located on the first nanosheet and the second nanosheet. The doping of elements in the invention is an effective means for regulating and controlling the properties of the two-dimensional material, and the transition metal atoms are used for doping the nonmagnetic material so as to introduce magnetism into the nonmagnetic material, so that the method provides more choices for the development of the spintronics.)
技术领域
本发明涉及磁性二维半导体领域，具体涉及一种磁性二维半导体的同质结磁阻器件及其制备方法和应用。
背景技术
自石墨烯被成功制备以来，二维材料的发展吸引了非常广泛的关注。诸多具有独特优异性质的材料被发现并被广泛研究。例如过渡金属硫族化合物(TMDCs)因为自身优异的光电特性在光电领域具有非常大的应用潜力。在关于二维材料的研究中，二维磁性材料的发展也一直在吸引着一些研究者的关注。
在材料中引入杂质原子以改变二维材料的物理性质，这是实现二维材料更多功能化的非常有效的一种方法。即使掺入的杂质原子很少，也会对材料的性能影响很大，甚至可能会影响材料的固有性能。例如材料中引入杂质原子进而调控光学带隙，这对于二维材料在光电子领域中的应用具有非常重要的意义。过渡金属原子对非磁性二维材料的掺杂被认为是一种在二维材料中诱导铁磁性的有效方法。
SnS2本身是抗磁性的，其具有很高的载流子迁移率和很好的光电特性，在纳米电子和光电子领域具有很大的应用潜力。但是非磁的特性使得它们在磁性材料领域应用受限。进一步，通过过渡金属原子的掺杂可以调控材料的电子结构并引入磁性。将磁性引入到半导体中，可以同时得到自旋电子器件的自旋输运和电子输运。这对于进一步的研究和实际应用具有很大的价值。
除了这种掺杂过渡金属元素的方法来诱导磁性外，CrI3、Fe2Ge2Te6等本征的二维磁性材料的出现使得二维磁性材料的发展前进了一大步。相关的邻近效应或者异质结构带来了很多新奇的物理现象，例如量子反常霍尔效应、非常规超导等。各种异质结构的构建也可以实现更多新的性能和应用，这对于自旋电子学的发展具有非常重要的意义。
二维材料堆叠的范德瓦尔斯异质结构是近几年被广泛研究的一种器件结构，它可以实现很多普通器件所不具备的特性和功能。而且，二维材料的一大优点就是可以在不需要晶格匹配的情况下设计异质结构。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种磁性二维半导体的同质结磁阻器件及其制备方法和应用，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种磁性二维半导体的同质结磁阻器件，包括：
硅层；
二氧化硅层，其设置在硅层上，与硅层共同作为栅极和绝缘层；
第一纳米片和第二纳米片，均设置在二氧化硅层上，第一纳米片和第二纳米片部分重叠，该重叠区域形成垂直结构，第一纳米片和第二纳米片均为过渡金属磁性原子掺杂非磁性二维半导体材料；以及
源极和漏极，分别位于第一纳米片和第二纳米片之上。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述同质结磁阻器件的制备方法，包括：
在硅片上制备二氧化硅层；
在二氧化硅层上制备第一纳米片；
在第一纳米片上转移第二纳米片，将部分第二纳米片置于第一纳米片之上，以形成部分重叠；
在第一纳米片和第二纳米片上分别制备源极和漏极，源极和漏极分别位于第一纳米片和第二纳米片之上且没有交叉，即得到所述同质结磁阻器件。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种如上所述同质结磁阻器件或如上所述制备方法得到的同质结磁阻器在光电领域或磁学中的应用。
基于上述技术方案可知，本发明的磁性二维半导体的同质结磁阻器件及其制备方法和应用相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明中元素的掺杂是一种调控二维材料性质的有效手段，利用过渡金属原子对非磁性材料的掺杂从而在非磁性材料中引入磁性，这种方式为自旋电子学的发展提供了更多选择；
2、本发明中，稳定均匀的掺杂可以在常温下空气中长时间保持，而不会影响材料的性质，这对磁性材料的实际应用具有非常重要的意义；Fe原子掺杂的SnS2可以实现可控有效的均匀掺杂，使得抗磁性材料产生铁磁性或者顺磁性；相对于本征的磁性二维材料而言，FexSn1-xS2可以实现在常温下空气中的较长时间的稳定性；而且，不同的掺杂选择也提供了更多的可能性；
3、SnS2作为一类光电性质非常优异的半导体，引入磁性将会使得其具有更多的应用，甚至可以同时实现在光电领域和磁学中的应用；
4、通过掺杂可能实现在室温下的铁磁性，这对于实际应用具有非常重大的价值；
5、本发明同质结器件对厚度的依赖并不明显；
6、本发明同质结器件的输运特性可以通过栅极电压进行调控；
7、本发明平行磁场下实现了高达1000％的磁电阻，垂直磁场下磁阻也有近250％，这对于实际应用具有重要的意义。
附图说明
图1为本发明基于FexSn1-xS2的同质结器件的截面示意图；
图2为在垂直磁场下不同的磁场强度时器件的I-V(电流-电压)曲线图，此时施加的源漏电压为7V，栅极电压为0V；
图3为在垂直磁场下的磁电阻MR-B曲线；
图4为在平行磁场下不同的磁场强度时器件的I-V曲线图，此时施加的源漏电压为7V，栅极电压为0V；
图5为在平行磁场下的磁电阻MR-B曲线；
图6为平行磁场下不同磁场强度时器件的转移曲线(I-Vg)图，此时施加的源漏电压为3V。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种磁性二维半导体的同质结磁阻器件，包括：
硅层；
二氧化硅层，其设置在硅层上，与硅层共同作为栅极和绝缘层；
第一纳米片和第二纳米片，均设置在二氧化硅层上，第一纳米片和第二纳米片部分重叠，该重叠区域形成垂直结构，第一纳米片和第二纳米片均为过渡金属磁性原子掺杂非磁性二维半导体材料；以及
源极和漏极，分别位于第一纳米片和第二纳米片之上。
在本发明的一些实施例中，所述过渡金属磁性原子包括铁、钴或镍中的任一种；
在本发明的一些实施例中，所述过渡金属原子在晶格中为Sn原子位的替位掺杂。
在本发明的一些实施例中，所述第一纳米片和第二纳米片均为FexSn1-xS2纳米片；
在本发明的一些实施例中，铁原子掺杂的含量x为0.01％至20％，例如为0.01％、0.02％、0.05％、0.08％、0.1％、0.12％、0.15％、0.18％、0.2％、0.3％、0.5％、0.8％、1％、2％、5％、8％、10％、12％、15％、18％、20％。
在本发明的一些实施例中，所述源极和漏极采用的电极材料均包括金、银、铜、钛中的任一种；
在本发明的一些实施例中，所述第一纳米片和第二纳米片的厚度不同。
在本发明的一些实施例中，所述第一纳米片和第二纳米片的厚度为6至40nm。
本发明还公开了如上所述同质结磁阻器件的制备方法，包括：
在硅片上制备二氧化硅层；
在二氧化硅层上制备第一纳米片；
在第一纳米片上转移第二纳米片，将部分第二纳米片置于第一纳米片之上，以形成部分重叠；
在第一纳米片和第二纳米片上分别制备源极和漏极，源极和漏极分别位于第一纳米片和第二纳米片之上且没有交叉，即得到所述同质结磁阻器件。
在本发明的一些实施例中，所述第一纳米片和第二纳米片均为FexSn1-xS2纳米片；
在本发明的一些实施例中，所述FexSn1-xS2纳米片的制备方法包括：将Sn粉、S粉和FeCl3粉末混合后放在双温区管式炉中生长，即得到所述FexSn1-xS2纳米片。
在本发明的一些实施例中，所述Sn粉、S粉和FeCl3粉末以摩尔比为10∶30∶(0.001至10)。
在本发明的一些实施例中，将制备完成的同质结磁阻器件进行退火处理：
在本发明的一些实施例中，退火温度为100至400℃，退火时间为30至100分钟。
本发明还公开了如上所述同质结磁阻器件或如上所述制备方法得到的同质结磁阻器在光电领域或磁学中的应用。
在一个示例性实施例中，本发明涉及一种基于过渡金属磁性原子掺杂的非磁性二维半导体材料的范德瓦尔斯同质结器件及其制备方法。首先利用化学气相输运法制备高质量的Fe掺杂的SnS2单晶体。随后通过转移的方式制备同质结器件。通过在硅衬底的二氧化硅氧化层上转移两个厚度不同的Fe掺杂的SnS2纳米片(第一纳米片和第二纳米片)，并使其部分重叠，重叠区域形成垂直结构；两个纳米片分别引出电极作为器件的源极和漏极，硅衬底和设置于硅衬底上面的二氧化硅层作为栅极电极和绝缘层。本发明中两个厚度不同的Fe掺杂的SnS2纳米片构成同质结器件，低温强磁场输运测试在平行磁场下得到了一个近1000％的磁电阻信号，垂直磁场下磁阻也有近250％。本发明所提到的Fe掺杂SnS2，钴(Co)、镍(Ni)等过渡金属原子的掺杂同样是调整非磁性材料固有性质的选择。
在本实施例中，本发明基于一种掺杂比例约为2.1％的Fe原子掺杂的SnS2单晶薄膜，磁性原子对非磁性二维半导体材料的掺杂，其化学式为Fe0.021Sn0.979S2。构建的同质结器件包括两个厚度不同的Fe0.021Sn0.979S2纳米片(第一纳米片和第二纳米片)。
本发明利用过渡金属原子掺杂非磁性二维材料，并制备出范德瓦尔斯同质结器件，低温输运性质表明，该器件在低温下可以得到一个很大的磁电阻。而且，相对于本征的二维磁性材料，Fe掺杂的SnS2在空气中具有很好的稳定性。
本实施例采用的制备方法为：
首先利用化学气相沉积的方法制备出Fe原子掺杂的SnS2晶体，然后利用机械剥离法得到薄层的材料，所述的Fe0.021Sn0.979S2薄层材料剥离在设置有一层二氧化硅层的硅衬底上，之后在剥离得到的Fe0.021Sn0.979S2薄层材料上面再转移一层厚度不同的同种材料，这样两层不同厚度的Fe0.021Sn0.979S2层就构成了范德瓦尔斯同质结；
所述的两层Fe0.021Sn0.979S2层上分别设置源极电极和漏极电极，硅衬底与其上的二氧化硅层构成栅极和绝缘层。
其中，由于过渡金属原子掺杂的含量较低，优选的Fe0.021Sn0.979S2层厚度不宜过小，所以Fe0.021Sn0.979S2层厚度为6-40nm。
其中，所述的电极材质为金，常温下测量表明可以和材料及基底形成良好的电学接触。低温测量时在源极、漏极和栅极电极上分别引出电极，与外部电路相连。
其中，Fe0.021Sn0.979S2的晶体制备方法为化学气相输运法，具体步骤如下：
(1)原材料Sn粉、S粉和FeCl3粉末以摩尔比为10∶30∶(0.5-2)的比例配置总质量约为2克的混合粉末，并使其充分混合均匀；
(2)将混合粉末倒入石英安瓿瓶中，抽真空抽至1×10-5Torr后高温封闭瓶口；
(3)将封闭好的石英安瓿瓶放置于双温区管式炉中，有材料一侧置于高温区。生长的条件设置为：首先，两个温区均以5℃-60℃/h、优选30℃/h的速率升至510℃-720℃、优选610℃，并放置15-40小时、优选24小时。随后进入生长阶段，这时保持源区(高温区)温度为610℃，并以0.2℃/h-6℃/h，优选2℃/h的速率逐渐将生长区(低温区)的温度降低至600℃，此时保持高、低温区的温度差为2℃-50℃，优选10℃，整个生长过程持续50-200小时，优选120小时。最后，待生长过程结束后，将系统以2℃/h-50℃/h，优选10℃/h的速率冷却至室温(20-30℃)。
(4)整个生长过程结束后，取出石英安瓿瓶；最后在有保护的情况下，取出瓶中的晶体即可。
其中，生长得到的晶体为高质量的单晶。高分辨电子投射显微镜的表征结果证明，生长得到的晶体具有很好的晶格周期性排列结构。
其中，上述基于Fe0.021Sn0.979S2的同质结器件的制备过程，实施步骤如下：
(1)准备并清洗表明蒸镀一层厚度约为300nmSiO2的硅衬底；
(2)利用机械剥离法在清洗好的衬底上剥离一层厚度合适的Fe0.021Sn0.979S2薄膜；
(3)取一层薄膜材料作为下层材料，另取一层厚度不同的薄膜作为上层材料，利用湿法转移或干法转移的方法定向地将上层材料转移至下层材料上；
(4)制备金属电极采用金膜掩膜的方法，先用合适宽度的金膜盖住沟道区域，然后利用热蒸镀的方式蒸镀合适厚度的金电极，最后揭去用作掩膜的金膜，用探针划出合适大小的电极即可。
(5)最后，为改善器件的电学接触，在高纯氩气环境下100℃-400℃对器件退火30-100分钟。
所述的Fe0.021Sn0.979S2同质结器件的测试利用的是低温强磁场量子输运设备，该设备可以提供最低1.6K和最高14T的稳定测试环境。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
实施例1
如图1所示，Si/SiO2衬底上分别设置两层Fe0.021Sn0.979S2薄片，在两个薄片的两个边缘设置金属电极。图1为器件的切面示意图。
本实施例中所示的下层Fe0.021Sn0.979S2层厚度约为12nm；
本实施例中所示的上层Fe0.021Sn0.979S2层厚度约为25nm。
本实施例中采用的退火温度和时间是150℃退火60分钟。
所述的源极电极和漏极电极均为热蒸镀的Au电极，厚度约为46nm。测试时分别利用键合机从源极和漏极电极引出电极与外部电路相连。
测量方式是采用低温强磁场量子输运设备进行测量，该设备可以提供最大14特斯拉(T)、最低1.6开尔文(K)的稳定测试环境。图2-6是本器件的典型测量结果。图2和图4分别是在垂直场和平行场时施加不同磁场时的I-V曲线，展示出了器件很好的磁场响应能力。
在垂直场和平行场两种磁场方向下测量该器件的输运性质，均展现出较大的磁电阻信号。特别是在平行场时，最大可达到1000％的磁电阻信号(图5)。垂直场时也得到了最大250％的磁电阻信号(图3)。
不同磁场方向下的磁电阻响应不同表明，该器件具有较大的各向异性，这对于实际应用更有价值。
图6展示了器件的栅压调制效果，在平行场不同磁场下的转移曲线(I-Vg曲线)表明了该器件在低温下仍然具有良好的电子输运特性，并且同样具有很好的磁场响应能力。
以上所述仅是本发明的实施方式之一，并不用于限制本发明。应当指出，本发明中的材料转移方式并不限于此方法，源漏电极的也可由不同方式蒸镀，同时也可采用其他不同金属。本发明基于磁性原子掺杂非磁性二维材料的同质结构器件，是对磁性器件发展和制备的很好的补充，对这类材料和器件的测试和分析同样是磁学领域发展中很重要的一部分。
实施例2
与实施例1相比，器件的制备过程一样，区别在于采用不同厚度的纳米片制备同质结器件。
本实施例中所示的下层Fe0.021Sn0.979S2层厚度为12.3nm，约为15层；
本实施例中所示的上层Fe0.021Sn0.979S2层厚度为11.5nm，约为14层。
本实施例中采用的退火温度和时间是200℃退火60分钟。
实施例3
实施例1，2采用的材料转移方式为干法转移，采用湿法转移方式同样可以制备该同质结器件。本实施例中采用湿法转移制备Fe0.021Sn0.979S2同质结器件。
本实施例中所示的下层Fe0.021Sn0.979S2层厚度为7nm左右；
本实施例中所示的上层Fe0.021Sn0.979S2层厚度为12nm左右。
本实施例中采用的退火温度和时间是200℃退火60分钟。
对比例1
与过渡金属Fe原子掺杂的SnS2相比，SnS2本身是抗磁性的，所以制备不掺杂的SnS2同质结纳米皮以作为对比是非常有必要的。
采用与实施例1，2相同的器件制备方法。
低温输运测试结果表明，在垂直场和平行场下，器件的磁电阻均小于50％，这比磁性原子掺杂的SnS2同质结器件的磁电阻值小一个数量级。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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