微納加工制作基于LaAlO3-SrTiO3異質結的自旋霍爾效應器件研究.pdf

1、LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)異質結界面存在著二維電子氣(2DEG)并且2DEG具有豐富的性質，包括超導性、鐵磁性、超導與鐵磁共存以及很強的Rashba自旋軌道耦合(Rashba SOC)。針對LAO/STO界面Rashba SOC的研究表明，SOC強度能夠被柵壓進行有效調控。受柵壓調控的SOC意味著可以通過改變柵壓而影響自旋的進動、弛豫，這使得LAO/STO異質結有望成為下一代電子器件-自旋電子學器件的平臺，包括實現自旋

2、場效應晶體管。實際的自旋電子學器件要求通過自旋注入或者其它手段實現非平衡的自旋積累，然后在自旋傳輸（擴散）過程中對自旋進行操控，最后對自旋信號進行探測。而自旋霍爾效應(SHE)與逆自旋霍爾效應(ISHE)為產生非平衡自旋積累，探測自旋信號的有效手段。
　　事實上，在LAO/STO異質結中實現非平衡自旋積累以及進行自旋輸運現在還少有研究。這主要是由于LAO/STO異質結的自旋擴散長度很短，根據最近的報道僅在百納米量級。我們希望利用S

3、HE(ISHE)器件在LAO/STO中產生非平衡自旋積累并進行自旋信號探測，同時通過柵壓調控SOC強度實現對自旋的操控。要在LAO/STO異質結中制作SHE器件要求對其進行微納加工，實現與自旋擴散長度相當尺寸的器件（百納米）。盡管文獻中有多種針對LAO/STO進行微納加工的方法被提出，要實現百納米的器件依然具有挑戰(zhàn)。其中一個重要原因是由于傳統(tǒng)的干法刻蝕容易在STO襯底引入氧空位而使得襯底導電。襯底導電將導致器件不可靠。除了尺寸要求外，要

4、實現受柵壓調控的SHE器件，還要求百納米尺寸的LAO/STO器件仍然具有Rashba SOC且SOC強度能夠被調控。
　　我們首先研究了百納米尺寸LAO/STO器件的可靠性。我們采用文獻報道的低能Ar+輻照方法制作LAO/STO器件。利用這種方法能夠實現可靠的大尺寸器件（微米量級）。但是當器件尺寸減小到幾百納米時，器件中本應絕緣的區(qū)域變得導電。具體來講，如果器件中的兩條導電通道間隔僅為幾百納米，那么兩條通道之間的區(qū)域將會導電，這使

5、得器件不可靠。我們研究發(fā)現可以通過聚焦離子束（Focused ion beam，FIB）刻蝕在百納米尺度內實現有效的絕緣。這使得制作可靠的百納米尺寸SHE器件成為可能。
　　其次，我們研究了不同寬度LAO/STO條帶Rashba SOC強度被柵壓調控的效果。通過研究LAO/STO條帶的磁輸運性質，我們發(fā)現當條帶較寬時（幾微米），柵壓能有效地調控SOC強度。但是當條帶寬度較小到幾百納米時，柵壓調控SOC的能力減弱甚至消失。我們認為這