新型二维晶体材料黑磷的自旋输运行为研究

Black phosphorus (BP) is a recently added number of two dimensional (2D) crystal family. Due to its high carrier mobility, tunable direct bandgap, BP has distinguished itself from graphene and other 2D materials. FETs made out of BP have recently been shown to exhibit superior semiconductor device performances. So far, various charge based devices are demonstrated and the charge transport properties of BP are intensively studied, however, its spin transport characteristics are totally unexplored. So in the proposed project, we hope to study the spin transport characteristics of BP. By using nonlocal measurement technique, we will study the dependence of nonlocal signal on temperature, gate voltage, film thickness, and BP atomic axis. The underlying physics nature of spin transport in BP will be explored. The results of proposed project will helpful to understand spin transport properties of BP and benefit for the development of BP based spintronic devices.

黑磷是最近在实验上新发现的二维晶体材料。黑磷以其高载流子迁移率的特点，以及可调控的直接带隙结构，使它从其他二维材料中脱颖而出，成为目前研究的热点。最近实验证明用黑磷制作的场效应晶体管具有十分优越性能，许多基于黑磷的半导体原型器件已被成功演示。目前，虽然我们对黑磷的电荷输运行为已有较多的理解，但是其自旋输运行为还处于未知状态。为此，本项目希望探索黑磷的自旋输运特性。项目将采用非局域测量方式探索黑磷的自旋输运行为，通过系统研究自旋信号对温度、背栅电压、薄膜厚度以及原子晶向的依赖关系，理解黑磷中自旋输运行为，为开发基于黑磷的自旋电子学器件打下基础。

在过去的十多年中，以Graphene为代表的二维材料，以其独特且丰富的物性特征，为未来低功耗，高速度的新型电子器件提供了新的机遇，从而受到了广泛的关注。黑磷是最近几年被证实的新型二维材料，由于其高载流子迁移率的特点以及可调控的直接带隙结构，使它从其他二维材料中脱颖而出。目前，相比于黑磷中的电荷输运行为，我们对其自旋输运行为认识还比较局限。本项目主要目的是研究黑磷中的自旋输运的行为，包括黑磷材料中自旋扩散长度，电压调控行为，以及当其与磁性材料接触形成异质结时，对其磁性以及输运行为的调制。在本项目的支持下，我们主要完成以下的工作：（1）制备了以黑磷薄膜为自旋通道的非局域自旋阀结构，虽然我们最终没有测到非局域自旋信号，我们对器件的制备工艺进行了系统的探索，我们在铁磁电极与黑磷的接触界面增加MgO超薄层，我们发现这种方法虽然对基于石墨烯的非局域自旋信号有较大改进，但对黑磷非局域自旋阀并没有太大的改善。（2）我们制备了以黑磷为非磁层的巨磁阻器件，我们测得了5%左右的磁电阻信号，证明了自旋极化电流可以穿过少层黑磷结构。（3）我们探索了铁磁绝缘体Yttrium Iron Garnet（YIG），反铁磁材料Cr2O3的反应溅射生长工艺。我们搭建了铁磁共振测试系统可以实现铁磁共振以及自旋力矩铁磁共振的测量。也为研究黑磷薄膜与磁性材料之间的耦合行为，以及通过自旋泵浦效应向黑磷注入自旋流奠定了基础，（4）除此之外，我们还研究了低维铁磁材料中的翻转及动力学行为，我们的研究提供了一种低能耗，高速度的磁涡旋态控制方式。