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混合金属-硅-金属垂直结构中界面局域态自旋泵浦产生的纯自旋流证据

DOI：10.1021/acs.nanolett.8b03386 期刊：Nano Letters 出版年份：2018 更新时间：2025-09-09 09:28:46
摘要： 由于在铁磁金属上生长高质量半导体存在困难，硅中自旋扩散输运的研究此前仅局限于横向器件结构。本研究采用超高真空晶圆键合技术，成功制备了CoFeB/MgO/Si/Pt金属-半导体-金属垂直结构。实验证明，在室温n型硅中，我们实现了垂直电流方向上超过2微米距离的纯自旋流注入与传输。通过铁磁共振自旋泵浦产生纯传播自旋流，并利用顶部铂层的逆自旋霍尔效应将其转换为可测电压。通过系统改变硅层和氧化镁层厚度发现，MgO/硅界面局域态对自旋流产生起关键作用。铁磁体与MgO/硅界面态之间的间接交换相互作用邻近效应，似乎是自旋泵浦作用下在硅中建立所需非平衡自旋布居的必要前提。
作者： Carolina Cerqueira，Jianyin Qin，Huong Dang，Abdelhak Djeffal，Jean Christophe LE BRETON，Michel Hehn，Juan Carlos Rojas Sanchez，Xavier Devaux，Stéphane Suire，Sylvie Migot，Philippe Schieffer，Jean-Georges Mussot，Piotr #aczkowski，Abdelmadjid Anane，Sebastien Petit-Watelot，Mathieu Stoffel，Stéphane Mangin，Zhi Liu，Buwen Cheng，Xiufeng Han，Henri Jaffres，Jean-Marie George，Yuan Lu
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

在室温下，利用超高真空晶圆键合技术制备的金属-半导体-金属CoFeB/MgO/Si/Pt垂直结构，在n型硅中以垂直电流流向几何构型实现超过2微米距离的纯自旋流注入与传输演示。

研究成果

该研究成功展示了CoFeB/MgO/Si/Pt垂直器件在室温下实现高效自旋流注入与传输，揭示了MgO/Si界面局域态在自旋流产生中的关键作用。测定n型硅在室温下的自旋扩散长度为2.0±0.3微米，表明其在半导体自旋电子学应用方面具有潜力。

研究不足

该研究的局限性在于难以在铁磁金属上生长高质量半导体，这限制了研究仅能采用横向几何器件结构，而无法运用晶圆键合技术。此外，MgO/硅界面的局域态及其对自旋流生成的影响仍需进一步的理论与实验探索。

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