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本发明提供一种多层膜异质结构、其制备方法及应用。本发明提供的该多层膜异质结构能够排除其他热磁效应的干扰，清晰有效地将自旋流探测层的逆自旋霍尔效应ISHE和反常能斯特效应ANE以及反常里吉‑勒杜克效应ARL分离开来，减小了自旋流在界面处的反射，实现了室温下对纵向自旋塞贝克效应的测量；且不限制自旋流探测层材料的矫顽力，扩大了可进行实际应用的材料范围。

技术领域

[0001]本发明属于自旋电子技术领域，具体涉及一种多层膜异质结构、其制备方法和在自旋流探测中的应用。

背景技术

[0002]自旋流的产生、输运和探测是近些年来自旋电子学的热门研究课题，在目前的研究方法中自旋霍尔效应，自旋塞贝克效应、自旋泵浦以及局域自旋阀结构等引起了该研究领域人士的广泛关注，而其中的自旋塞贝克效应以其简单的探测机制和便易的实验方法更是受到诸多研究者青睐。

[0003]对于自旋塞贝克效应的研究，通常有横向(温度梯度在膜面内)和纵向(温度梯度垂直于膜面)两种实验装置，用于研究的样品一般是铁磁/金属双层膜结构，其中底层的铁磁层在温度梯度的作用下产生自旋流并将其注入到与之相邻的具有强自旋轨道耦合作用的非磁金属层中，通过非磁金属层的逆自旋霍尔效应ISHE可以对自旋流进行探测。近三年来已在非磁金属Pt、W、Ta、Cu(Bi)、Au(W)、Cu(Au)等薄膜材料中观察到了明显的逆自旋霍尔效应ISHE，随后，研究者们开始了对铁磁金属的逆自旋霍尔效应ISHE的探究，但是，不同于非磁材料逆自旋霍尔效应ISHE的检测，铁磁材料在温度梯度和外磁场的作用下会产生反常能斯特效应ANE以及反常里吉-勒杜克效应ARL，ANE、ARL与ISHE纠缠在一起，为自旋流的探测带来了一时间难以解决的麻烦，国际上相关课题组目前对此问题也开展了一些相关的研究，但是对体系的温度、铁磁材料的矫顽力以及薄膜的厚度上有若干限制。

[0004]另外，对于横向的自旋塞贝克装置来说，由于不同材料的热导率不同，横向的温度梯度会产生纵向的温度梯度，导致纵向自旋塞贝克效应混入；而且面内温度梯度与磁场共同作用下还会产生其他的热磁效应，比如平面能斯特效应，里吉-勒杜克效应，这些伴随效应都不利于自旋流的探测。

发明内容

[0005]为克服现有技术中的缺陷，本发明人利用交换偏置，设计了一种基于铁磁性绝缘体的多层膜异质结构，可以排除其他热磁效应的干扰，在室温下即可进行自旋流的探测，而且该系统对铁磁体的矫顽力没有严格的限制，从而扩展了可用于实际操作的材料范围。本发明提供的多层膜异质结构工艺简单、重复且稳定，非常适合实际操作。

[0006]概括而言，本发明的目的在于提供一种多层膜异质结构及其制备方法和应用。

[0007]为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种多层膜异质结构。所述多层膜异质结构中，包括：

[0008]衬底，和衬底上依次设置的：

[0009]第一铁磁层，设置于衬底上；

[0010]非磁隔离层，设置于第一铁磁层上；

[0011]第二铁磁层，设置于非磁隔离层上；

[0012]反铁磁钉扎层，设置于第二铁磁层上；以及

[0013]设置于反铁磁钉扎层上的保护层。

[0014]第一铁磁层作为自旋流的生成层；第二铁磁层作为自旋流的探测层，非磁层作为隔离层以消除两铁磁层之间的耦合作用。由于反铁磁层的钉扎作用可以使第二铁磁层的磁滞回线偏移零点，能够清晰有效地将第二铁磁层的逆自旋霍尔效应ISHE和反常能斯特效应ANE以及反常里吉-勒杜克效应ARL分离开来，从而可以对自旋流进行明确的探测；而反铁磁钉扎层的加入使得自旋流在界面处的反射减少，自旋流通过第二铁磁层后继续流入反铁磁钉扎层并在其中产生逆自旋霍尔效应ISHE，进一步增加了探测到的自旋流的数量。

[0015]其中，制备态时第一铁磁层和第二铁磁层的磁矩翻转过程有明显的区分。所述第一铁磁层的材料选自铁磁性绝缘材料、亚铁磁性绝缘材料、铁磁性金属及其合金材料或亚铁磁性金属及其合金材料，优选为含铁石榴石，最优选为Y3Fe5O12；

[0016]所述衬底材料为非磁材料，优选为硅片、钆镓石榴石GGG，最优选为钆镓石榴石GGG；

[0017]所述非磁隔离层材料为非磁金属，优选为Ti、C、Cu，最优选为Cu；

[0018]所述反铁磁钉扎层材料为反铁磁性材料，优选为FeMn、IrMn，最优选为IrMn；

[0019]所述保护层材料为非磁性抗氧化材料，优选为Ta、SiO2，最优选为SiO2。

[0020]本发明的第二方面提供了第一方面所述的多层膜异质结构的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

[0021](1)采用液相外延法在衬底上生长第一铁磁层；

[0022](2)采用磁控溅射方法在第一铁磁层上依次镀上非磁隔离层、第二铁磁层、反铁磁钉扎层及保护层；

[0023]优选地，所述非磁隔离层、第二铁磁层、反铁磁钉扎层采用直流溅射方式，所述保护层采用射频溅射方式。

[0024]本发明的第三方面提供了一种自旋阀，所述自旋阀包括第一方面所述多层膜异质结构或第二方面所述方法制备的多层膜异质结构。

[0025]本发明的第四方面提供了一种自旋流探测装置，所述自旋流探测装置包括如本发明第三方面提供的自旋阀。

[0026]本发明的第五方面提供了一种自旋流探测方法，所述方法使用本发明第一方面所述的多层膜异质结构，并且，探测时温度梯度垂直于膜面、样品表面位于冷端，外加磁场在样品平面内扫描，热电压通过样品平面内垂直于外加磁场的两端电极进行测量。

[0027]本发明的多层膜异质结构可以具有但不限于以下有益效果：

[0028]1、排除其他热磁效应的干扰，在室温下即可进行自旋流的探测；

[0029]2、清晰有效地将第二铁磁层的逆自旋霍尔效应ISHE和反常能斯特效应ANE以及反常里吉-勒杜克效应ARL分离开来，从而可以对自旋流进行明确的探测；

[0030]3、不限制多层膜异质结构中第二铁磁层的矫顽力，扩大了可进行实际应用的材料范围；

[0031]4、加入反铁磁钉扎层使自旋流在界面处的反射减少，自旋流通过第二铁磁层后继续流入反铁磁钉扎层并在其中产生逆自旋霍尔效应ISHE，进一步增加了探测到的自旋流的数量。