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！

发布日期：2024-01-03

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

【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）R_xx随温度的变化。（c）不同温度下，R_xy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。