无掩膜直写光刻系统助力范德华异质结构器件制备，室温下展现隧穿磁阻率！
时间：2024-01-16 阅读：369
论文题目：Room-Temperature and Tunable Tunneling Magnetoresistance in Fe3GaTe2‑Based 2D van der Waals Heterojunctions
发表期刊：ACS Applied Materials & Interfaces IF: 9.5
DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.3c06167
发表期刊：ACS Applied Materials & Interfaces IF: 9.5
DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.3c06167
【引言】
基于范德华 (vdW) 异质结构的磁隧道结 (MTJs)具有原子尺度上清晰且锐利的界面，是下一代自旋电子器件的重要材料。传统的Fe3O4、NiFe和Co等材料所制成的MTJ相关器件在10-80K温度下的磁阻率仅为0.2%-3.2%，主要是因为在制备过程中界面处会受到不可避免的损伤。寻找拥有清晰且完整界面的垂直磁各向异性(PMA)的铁磁性晶体就成为了发展MTJ相关器件的关键。二维过渡金属二硫属化物是一种具有清晰的界面二维铁磁材料，近年来成为制备MTJ相关器件的明星材料。然而，在已报道的研究中，尚未有在室温下还展现出一定隧穿磁阻率的相关研究。
【成果简介】
近日，华中科技大学相关团队利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3制备出了基于垂直范德华结构的室温条件下的MTJ器件。器件的上下电极为Fe3GaTe2，中间层为WS2。非线性I-V曲线显示了Fe3GaTe2/WS2/Fe3GaTe2异质结构的隧穿输运行为。在10K的温度下，其隧穿磁阻率可达213%，自旋极化率可达72%。在室温条件下，所制备器件的隧穿磁阻率仍可达11%，此外，隧穿磁阻率可以通过外加电流进行调控，调控范围为-9%-213%，显示出了自旋滤波效应。相关工作以《Room-Temperature and Tunable Tunneling Magnetoresistance in Fe3GaTe2‑Based 2D van der Waals Heterojunctions》为题在SCI期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上发表。
文中所使用的小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3具有结构小巧紧凑(70 cm x 70 cm x 70 cm)，无掩膜直写系统的灵活性，还拥有高直写速度，高分辨率等特点，为本实验提供了方便高效的器件制备方案。
小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3
【图文导读】
图1. Fe3GaTe2/WS2/Fe3GaTe2异质结构的MTJ器件结构及表征。（a）Fe3GaTe2/WS2/Fe3GaTe2异质结构的MTJ器件结构的示意图。（b）Fe3GaTe2/WS2/Fe3GaTe2异质结构的MTJ器件各部分的AFM表征。（c）MTJ器件的刨面图。
图2. Fe3GaTe2霍尔器件的磁传输特性。（a）利用MicroWriter ML3无掩模光刻机制备的Fe3GaTe2霍尔器件的AFM表征结果。（b）Rxx随温度的变化。（c）不同温度下，Rxy随磁场的变化。
图3. Fe3GaTe2/WS2/Fe3GaTe2异质结构的MTJ器件的电磁输运特性。（a）在10K和300K的温度下的I-V曲线。（b）在温度为10K和电流为10nA的条件下，电阻和隧穿磁阻率随磁场的变化。
图4. 在10K到300K的温度范围内的磁输运测量结果。(a)隧穿磁阻率在不同温度下的结果。（b）隧穿磁阻率随温度的变化。（c）自旋极化率随温度的变化。
图5. 论文中制备的器件与其他论文中器件的自旋极化率比较。
【结论】
论文中，华中科技大学相关团队利用小型台式无掩膜直写光刻系统- MicroWriter ML3 制备了基于Fe3GaTe2/WS2/Fe3GaTe2异质结构的MTJ器件。该器件在10K的温度下，隧穿磁阻率高达213%，自旋极化率为72%。与已报道的MTJ器件相比，论文中所制备的器件在室温下的隧穿磁阻率仍可达11%，为自旋电子器件的发展提供了一种可能。此外，在论文中还可以看出，小型台式无掩膜直写光刻系统-MicroWriter ML3得益于其强大的光刻和套刻能力，可以十分方便地实现实验中所设计图形的曝光，是各学科科研中制备各类微纳器件的得力助手。