利用高效自旋注入和探测电极探测 Ni/Au/Ni 单电子晶体管中的自旋积累

我们研究了通过原子力显微镜组装的 Ni/Au/Ni 单电子晶体管中的自旋积累。该制备技术的独特之处在于，可以以前所未有的控制力实现非常规混合器件，包括实时可调的隧道电阻。通过常规电子束光刻在 SiO2 表面制备了直径为 30 nm、厚度为 30 nm 的 Au 圆盘网格。随后，在类似的工艺步骤中形成了 30 nm 厚的铁磁性 Ni 源极、漏极和侧栅电极。源极和漏极的宽度和长度不同，以表现出不同的矫顽力开关场。通过依次进行 Ar 和 O2 等离子体处理实现了 NiO 隧道势垒。使用带有专门设计软件的原子力显微镜，将一个非磁性 Au 纳米圆盘定位到源极和漏极之间 25 nm 的间隙中。在 Au 圆盘以埃级精度逐步操纵时，实时监测器件的电阻。在 1.7 K 的磁场中的输运测量未显示器件中有明显的自旋积累，这可归因于 Au 圆盘中的快速自旋弛豫。通过使用正统库仑阻塞理论的速率方程方法进行数值模拟，我们可以将 Au 圆盘中电子的自旋弛豫时间上限定为几纳秒。为了确认 Ni 电极的磁开关特性和自旋注入效率，我们制备了一个测试结构，该结构由 Ni/NiO/Ni 磁性隧道结组成，其电极的不对称尺寸与 SET 相似。对测试器件的磁电阻测量显示出清晰的磁反转迹象和最大 10% 的 TMR，由此我们推断 Ni 电极中的自旋极化率约为 22%。