磁性二维材料异质结构的制备与物性研究.doc

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1、摘 要磁性二维材料是目前材料物理领域的热门材料之一。磁性二维材料不仅具备二维材料的优势，还显示独特且丰富的磁学特性。例如本征磁性可保持至单原子层厚度、层间的铁磁耦合或反铁磁耦合、层数依赖的磁学特性等，因此磁性二维材料及其异质结构在二维自旋电子学和磁学器件上具有重要的应用前景。本课题工作是制备磁性二维材料/石墨烯异质结构和其物性的研究，如磁性与输运性质。本工作通过微机械剥离法制备了磁性二维材料CrBr3、RuCl3二维薄膜和石墨烯薄膜；通过二维材料转移技术以及微纳加工技术来制备了CrBr3/石墨烯异质结构的场效应晶体管（FET）器件。通过拉曼光谱对层状结构进行定性表征，通过四端法的电学测量对Cr

2、Br3/石墨烯异质结构器件的输运性质进行表征。输运测量结果发现，经过异质结构的制备和微纳加工工艺，异质结构中的石墨烯仍保持良好的品质，在高的垂直磁场下出现石墨烯的量子霍尔效应；磁性二维材料的邻近作用能调制石墨烯及其器件的性能，例如狄拉克点位置、载流子迁移率等。此外，我们分析了影响CrBr3/石墨烯异质结构质量的因素。关键词：磁性二维材料，石墨烯，异质结构，拉曼测量，四端法测量- I -本页为“7毕业论文目录（1页或若干页）”，点击菜单“USTB本科论文各部分”中的本部分菜单进行相应操作。本提示信息为非打印信息，可一直保留，不影响打印。Preparation and physical prope

3、rties of magnetic two-dimensional materials heterostructureAbstractMagnetic two-dimensional materials are one of the popular materials in the field of material physics. Magnetic two-dimensional materials not only have the advantages of two-dimensional materials, but also show unique and rich magneti

4、c properties. For example, intrinsic magnetism can be maintained to the thickness of a single atomic layer, the ferromagnetic or antiferromagnetic coupling between layers, and the layer-dependent magnetic properties. Therefore, magnetic two-dimensional materials and their heterostructures have impor

5、tant application prospects in two-dimensional spintronics and magnetic devices. The work of this subject is the preparation of magnetic two-dimensional materials / graphene heterostructures and study on their physical properties, such as magnetic properties and transport properties. In this work, Cr

6、Br3 and RuCl3 two-dimensional films and single-layer graphene films were prepared by micromechanical exfoliation method. CrBr3 / graphene heterostructure field effect transistor (FET) was prepared by two-dimensional material transfer technology and micro-nano processing technology. The layered struc

7、ture was qualitatively characterized by Raman spectroscopy, and the transport properties of the CrBr3 / graphene heterostructure device were characterized by the four-terminal electrical measurement. The transport measurement results found that the graphene in the heterostructure still maintains goo

8、d quality and the quantum Hall effect of single-layer graphene appears under a high vertical magnetic field after the preparation and micro-nano processing of the heterostructure. The proximity effect of the magnetic two-dimensional materials can modulate the performance of graphene and graphene dev

9、ices, such as Dirac point position, carrier mobility, etc. In addition, we analyzed the factors affecting the quality of the CrBr3 / graphene heterostructure.Key Words：Magnetic two-dimensional material, Graphene, Heterostructure, Raman measurement, Four-terminal measurement目 录摘 要IAbstractIII1 引 言11.

10、1 二维材料11.1.1 磁性二维材料11.1.2 石墨烯41.2 磁性二维材料的应用研究61.3 本文的研究意义和研究内容101.3.1 研究意义101.3.2 研究内容112 二维磁性材料异质结构的制备122.1 微机械剥离法制备二维材料薄膜122.1.1 微机械剥离法122.1.2 拉曼光谱定性分析142.2 二维异质结构的制备方法162.2.1 湿法转移162.2.2 干法转移162.2.3 课题所用转移法172.2.4 磁控溅射镀膜192.3 微纳加工192.3.1 电子束曝光192.3.2 电子束蒸发镀膜213 异质结构器件的物性测量233.1 磁学特性测量233.1.1 磁光克尔

11、测量233.1.2 磁性圆二色性测量243.2 异质结构输运性质测量243.2.1 CrBr3/石墨烯异质结构器件253.2.2 四端法霍尔测量的原理和步骤263.3 数据分析和总结274 磁性二维材料的研究展望305 结 论32参考文献33附录A37在学取得成果39致 谢41- V -1 引 言1.1 二维材料1.1.1 磁性二维材料过去的几十年中，在二维磁性和自旋实体传播（即自旋极化电子传播或自旋波传播）的实验探索中, 外延薄膜和超晶格发挥了重要作用，发现了诸如巨磁阻1,2、尺寸效应3-5和振荡交换耦合6等开创性现象。但是，获得与三维材料对应的、具有固有磁性的超薄膜，所面临的量子限制效应一

12、直是一项长期挑战。这些传统薄膜会遭受各种干扰，例如界面杂交、电子再分布、原子互扩散、热应变等等7,8，因此，这种超薄膜的性质难以精确控制和复制。图1 剥离在SiO2/Si基上的少层Cr2Ge2Te6薄膜。（a）光学图像；（b）磁光克尔图像；（c）维数效应。与之形成鲜明对比的是，近年发现的二维本征磁性原子晶体（图1，图2）9,10将为基础物理学发展提供独特的平台，也是自旋电子学领域极具潜力的材料。这种本征磁性二维材料，也可称为二维磁体。由于这种磁性有序的原子晶体的存在，单晶二维磁体的基态、基本激发和磁振动力学的实验得以空前地进行。并且此类磁性二维材料容易受到各种外部刺激的影响，包括机械变形、静电

13、掺杂、光入射、化学装饰和介电环境等，因此，为实现所需性能而对二维磁体进行改造的空间很大，同时二维磁体允许开发基于磁阻效应、磁电效应、磁致伸缩效应、磁光效应和磁生物学效应的小型、轻便、灵活且图2 磁性二维材料三溴化铬（CrI3）薄膜。（a）单个CrI3原子层的面内原子晶格的视图及自旋取向；（b）不同原子层数的CrI3中有关磁排序与MOKE信号。生物相容的设备。此外，其兼具二维 材料的优势和独特的磁学特性，磁性二维材料已经成为当前材料物理领域的研究热点。2017年，实验首次报道Cr2Ge2Te69和CrI310是具有本征磁性的二维材料。Cr2Ge2Te6是具有较小磁各向异性的2D Heisenbe

14、rg铁磁体（即集体对准的自旋矩可以朝向所有方向，且能量差很小），而CrI3可能是2D Ising A型反铁磁体（即自旋矩垂直于基底平面，层内铁磁性和层间反铁磁性）。在Cr2Ge2Te6中，Cr-Te6八面体笼的轻微变形，以及Cr离子上的自旋-轨道耦合，导致Cr2Ge2Te6中小的面外磁晶各向异性。几乎各向同性的Heisenberg 2D铁磁体都类似于理想的Mermin-Wagner条件，在此基础上，外部磁场对观察到的2D Cr2Ge2Te6转变温度具有空前的影响。尽管具有范德华（vdW）间距，但层间磁耦合还是可观的，这可由不同厚度的Cr2Ge2Te6的转变温度中强尺寸效应证明。同构化合物Cr2

15、Si2Te6在33 K时具有较大的易轴磁各向异性和较低的整体铁磁相变温度TC。CrI3中相当大的磁各向异性被认为是由于介于Cr离子之间超交换的碘原子的自旋轨道相互作用而引起的交换各向异性引起的。石墨包裹的几层CrI3表现出有趣的且与层相关的磁性，并被认为是A型反铁磁体。尽管需要调用几个原子层CrI3中改变的层间配准，但仍需进一步研究来确定与二维CrI3的异常性质的起源，该异常性质与本体CrI3相反（本体CrI3是铁磁体），说明可能的外部原因有石墨封盖的部分降解（CrI3对水分和光线极为不稳定）以及意外掺杂和应变（特别是对于CrI3样品在聚合物上剥落并随后转移的情况）等。等体积结构的CrBr3磁

16、体是TC = 33 K的易轴铁磁体，而CrCl3磁体是易面A型反铁磁体。CrCl(3-x)Brx块状合金的磁各向异性和相变温度可通过改变化学计量比来调节。磁性二维材料（或称为二维磁体）在有限的温度下直至原子层厚度可呈现固有的铁磁或反铁磁态，这一特点为材料科学开辟了广阔的新领域，并为开发自旋相关的新应用提供了新的发展前途。磁性二维材料的分层结构有利于其原子层的可裂解性和磁各向异性，抵消了自旋波动，从而为理论和实验上探索二维极限内的磁相变提供了理想的平台。以往研究人员对磁性二维材料进行了许多理论研究，目的是确定它们的磁性是否可以保留到单层厚度。2017年，研究人员通过“透明胶带法”制备的二维本征原

17、子晶体9,10Cr2Ge2Te6和CrI3，其厚度可减小到单层厚度，这只是二维磁性研究领域的冰山一角。2018年，张远波团队11报道了一种新型的磁性二维材料Fe3GeTe2。Fe3GeTe2是一种金属铁磁体。在每一层的五层子层中，有三个子层是铁。顶层和底层子层是等效的，而中央子层则不同。铁原子的结晶环境沿基底平面且垂直于基底平面是不对称的，从而导致相当大的磁晶各向异性。居里温度和矫顽力的可调性可以通过改变铁浓度来实现。有趣的是，在这种三维电子系统中，流动铁磁性和Kondo晶格并存，这表明存在重费米子并周期性地存在局部矩。这构成了一个引人入胜的二维材料平台。此外，对于块状Fe3GeTe2，磁化特

18、征、电子迁移、扫描隧道显微镜（STM）和磁力显微镜的证据表明，在更低的温度下会出现不同的磁序。用光电子显微镜观察到的块状Fe3GeTe2的条状畴相表示准二维磁性行为，并且厚度相关的磁滞揭示了有价值的暗示，即在层被堆叠到数十纳米时，长距离偶极相互作用可能起关键的作用。他们发现与块材205K的铁磁转变温度（TC）相比，单层Fe3GeTe2的TC要更低，在1.5K时可以观察到明显的铁磁回线。但是通过施加一个很小的栅极电压，在Fe3GeTe2薄层插入锂离子，会将样品的TC提高，最高能超过到室温，这使该材料制作电子器件成为了可能。对于磁性材料来说，霍尔电阻可以分成两部分： RXY=RNH+RAH，其中R

19、NH为正常霍尔电阻，RAH = RSM为反常霍尔电阻，正比于磁矩M。张远波等人11通过观测反常霍尔效应来研究少层Fe3GeTe2中的磁性。对于不同厚度甚至单层的Fe3GeTe2样品，在垂直于样品解理面的方向施加磁场后，在低温下都观测到了霍尔电阻随外加磁场回滞，如图3（a）所示。这表明在低温下，单层的Fe3GeTe2仍具有长程铁磁序以及面外磁各向异性。若在零磁场下，可以测量到一个非零的剩余霍尔电阻，那么样品在此温度下已有了自发磁极化，可以据此定义一个铁磁转变温度。图3(b)为Fe3GeTe2少层的铁磁转变温度随层数的变化关系，可以看到其铁磁性确实图3 （a）在低温下不同层数的Fe3GeTe2样品

20、的反常霍尔效应；（b）Fe3GeTe2关于层数和温度的相图，铁磁转变温度分别用反常霍尔效应、RMCD 和Arrott Plot得到。会受到维度的影响，他们同时用反射磁性圆二色(RMCD)显微光谱和霍尔电阻的阿罗特图 (Arrott Plot)分别佐证了这一关系。由于磁性二维材料的本征磁性具有可保持至单原子层、层间的铁磁耦合或反铁磁耦合、层数依赖的磁学特性等，因此磁性二维材料及其异质结构在二维自旋电子学和磁学器件应用领域具有巨大的潜力。从2017年被发现至今，众多的科研工作者投身于磁性二维材料的研究中，在结构性质、制备应用、理论研究等方面取得了一系列的研究成果。1.1.2 石墨烯石墨烯是由碳原子

21、以sp杂化轨道组成，是一种六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。在六十年前，石墨烯的单独稳定存在科学界看来是个天方夜谭，因为从热力学涨落的角度来解释，二维晶体是不可能在有限温度下单独稳定存在。直到2004年，Geim和Novoselow12成功的利用胶带反复剥离（即，机械剥离法）分离出单独稳定存在的单原子层石墨烯，并且凭借此发现获得了诺贝尔奖。图4 神奇的材料石墨烯。石墨烯自身就具有众多优异的特性，比如具有非常大的比表面积，理论上为2630 m2/g13；具有出众的机械性能，它的杨氏模量约高达1.0 YPa14；拥有10倍于铜的热导率，5300 Wm-1K-115等等，它的这些令人惊叹的性能都远远

22、超越了已发现的材料，曾经有人赞美石墨烯为“神仙创造的材料”16（图4）。此外，近期发现的魔角石墨烯更是为石墨烯抹上了一股神秘的色彩。石墨烯研究的兴起也为许多其他类型二维晶体材料的研究铺平了道路。人们可以使用类似的方法，通过机械和液相剥离或CVD来获得新材料。创建新的二维晶体的另一种方法是从现有的二维晶体开始（例如，石墨烯），然后将它们用作通过化学手段对原子支架进行修饰（石墨烷或氟石墨烯）。生成的二维晶体池很大，从绝缘体到导体，从最软到最硬。取决于目标应用，可以使用合适的性质。例如，为了在保持强度的基础上覆盖各种电导性质，可以使用石墨烯和氟代石墨烯的组合，后者是绝缘的，但硬度几乎与前者一样强。总

23、之，石墨烯的发现不仅仅是碳材料研究的一个重大里程碑，带来更多的是科学家们对各种二维材料研究的积极与热情。自从石墨烯的发现以来，众多科学家仿效石墨烯的制备，利用机械剥离法试图去制备各种各样的二维材料，不断地给二维材料及其异质结构的研究注入新鲜活力。因此，本课题研究的材料主体便是石墨烯与磁性二维材料的异质结构。1.2 磁性二维材料的应用研究图5 （a）Ar+辐照石墨烯所生成碳空位的STM形貌图，比例尺为5 nm；（b）由单个氢原子修饰的石墨烯局部磁矩示意图（中间的白色小球），同样的自旋-极化态在相同亚晶格的碳位上扩展了几纳米，但相反的自旋-极化态占据了另外的碳位亚晶格。在发现二维本征磁性材料之前，

24、为了实现更好的自旋电子学应用，人们不断尝试人为地在非磁性材料中诱导出磁性。一种主流的方法之一就是通过引入空位或添加氢和氟之类的原子17-23，如图5所示，这种缺陷工程会从不成对的电子中产生局部磁矩。另外还有一种同样是缺陷工程的方法，通过扩展缺陷实现平带铁磁性24-26。但是，令人遗憾的是，不管是引入缺陷从不成对电子中产生磁矩还是扩展缺陷实现平带铁磁性，这些缺陷工程在非磁性材料中引入磁性的方法都很难实现长程磁序。总之，这些方法都很难进行精确地控制引入的磁性，简单来说就是现在科研人员认为无法干预材料中产生磁矩的位置、范围等。所以就现阶段来说，这一方法难以实现应用，很难大规模生产。另外有一种使二维材

25、料产生磁矩的方法是磁近邻效应（MPE）。磁近邻效应通过从相邻磁性材料中借用特性来使非磁性二维材料磁化。通常，由于晶格结构的不同，彼此靠近的两种材料会耦合在一起，磁邻近效应的影响导致其性能的改善，并导致跨界面的界面交换耦合发生变化。例如，将石墨烯薄膜转移到钇铁石榴石（YIG）上27（图6a）或在石墨烯上面沉积EuS薄膜28（图6b），石墨烯会表现出反常的霍尔效应。磁邻近效应是磁性异质结构设计中最重要的界面现象之一。C. Tang和Z. Zhang等人29报道了三溴化铬CrBr3 /石墨烯范德华异质结构中磁近邻效应的研究，这是利用塞曼自旋霍尔效应并通过非局部测量来探图6（a）在磁绝缘体YIG上制备

26、的石墨烯场效应晶体管的示意图；（b）表面沉积磁性绝缘体EuS薄膜的石墨烯场效应晶体管的示意图，非磁性2D材料可以通过磁性材料的磁邻近效应而获得磁性。测的。即使在低磁场下，也可能通过磁近邻效应引入很大的交换场。此外，他们观察到在狄拉克点附近（背压Vg, 𝐷）处的纵向电阻反常地随着外部磁场增加而变化。这可能归因于在量子霍尔状态下，磁近邻效应导致石墨烯朗道能级的基态从较低磁场下的铁磁态到较高磁场下倾斜反铁磁态的转变。同样是对CrBr3/石墨烯异质结构中磁近邻效应的研究，S. K. Behera等人30报道了由石墨烯单层与二维铁磁体（例如CrBr3）相互作用引起范德华异质结构中磁邻近效

27、应的第一性原理计算。他们发现自旋相关的层间耦合产生的磁邻近效应取决于层间电子结构。邻近效应导致石墨烯轨道的自旋极化高达63.6，加上约73.4 meV的能带分裂，异质结构中的磁矩增加了8（每个单元3.47 B）。费米能级在狄拉克锥中的位置强烈依赖于石墨烯与CrBr3中间层间距，约3.77。他们还表明，垂直电场可用于控制能带自旋分裂和透射谱。同样，由于存在两种不同的成分，界面极化效应通过异质层中的静电屏蔽增强了导电性。这些发现指出了这种独特系统在纳米级设备中的应用潜力，其中电场驱动的磁性邻近效应可导致自旋可控性和自旋浇铸的可能工程。B. Y. Zhou和J. Balgley等人31研究了范德华异

28、质结构中的电子输运，该异质结构由置于单层石墨烯霍尔棒上面的反铁磁Mott绝缘体-RuCl3薄片组成。-RuCl3单晶是用CVD生长技术用纯相-RuCl3粉末生长而成。器件制备：石墨烯剥离在具有300 nm厚表面氧化物层的Si晶片上，使用图案化的聚甲基丙烯酸甲酯掩模和氧等离子体将石墨烯蚀刻成霍尔棒图案，然后沉积3 nm/30 nm厚的Cr/Au电极进行标准的薄膜图案化。然后通过用原子力显微镜尖端以接触模式扫掠来清洁石墨烯表面，用于去除残留的纳米级厚层的电子束抗蚀剂。从母体-RuCl3晶体剥离出薄片状的RuCl3薄膜到SiO2/Si衬底上，然后使用在小硅树脂印模上的聚碳酸酯膜转移RuCl3薄膜到石

29、墨烯的上面。RuCl3薄片的厚度范围为5到25 nm（约10 40层）。先前类似厚度的薄片的拉曼光谱与原始大块样品的相同，所有输运测量均使用标准低频锁相技术，在磁场可达9T且可变温度的低温恒温器中进行，并施加栅极电极至Si基板。石墨烯载流子密度可以直接通过Shubnikov-de Haas振荡分析确定，n = 7.21010（Vg -VDP）cm-2 V-1，其中VDP是观察到狄拉克峰位置的电压。尽管零磁场输运与孤立的石墨烯非常相似，但他们发现这种相似的p型霍尔效应显示了多带导通，以及低温下电阻率的非单调性和栅极电压的依赖性。他们将这些数据解释为在异质结构器件中电荷从石墨烯转移到-RuCl3的

30、证据，该器件会同时产生石墨烯的高掺杂区和轻掺杂区，而后者在-RuCl3中表现出对磁性的特殊敏感性。而在寻求开发增强-RuCl3中磁性Kitaev相互作用的途径以及探测掺杂效应的过程中，S. Biswas和Y. Li等人32研究了邻近石墨烯的-RuCl3的电子性质。他们通过从头算密度泛函（DFT）理论计算，Wannier投影和无扰动精确对角线化方法研究-RuCl3/石墨烯的异质结构。他们发现，当放置-RuCl3在石墨烯上时，-RuCl3会发生应变，并且在两层之间发生电荷转移，从而使-RuCl3（石墨烯）轻度电子掺杂（空穴掺杂）。这导致-RuCl3中的绝缘体-金属相变，费米能量靠近t2g轨道的上部

31、哈伯德（Hubbard）带的底部。这些结果表明有可能实现金属甚至奇异的超导状态。此外，他们证明在应变的-RuCl3单层中，与未应变的本体结构相比，Kitaev相互作用增强了50以上。P. Wei等人28证明了化学气相沉积（CVD）生长的石墨烯/ EuS异质结构中的大量磁近邻效应和自旋极化。他们选择EuS作为模型绝缘体，是因为其带隙宽（1.65 eV），大交换耦合J10 meV，每个Eu离子的磁矩Sz7B，从而在石墨烯中产生了大的估计交换分裂Sz。EuS还被证明可以使包括超导体和拓扑绝缘体在内的材料中的准粒子发生自旋极化。磁近邻效应的强度主要取决于界面和EuS质量，他们通过原位清洗和合成工艺对其

32、进行优化。与其他方法（例如由缺陷或吸附原子引起的自旋极化）形成对比的是，沉积绝缘的EuS可以很好地保留石墨烯的化学键，这一点已通过拉曼光谱法得到了证实。图8 基于石墨-CrI3-石墨的MTJ。（a）MTJ示意图；（b）与磁场相关的隧穿电导。磁性隧道结（MTJ）是最常见的自旋电子学的基本组成部分。与在非均匀MTJ中的隧穿优先通过较薄的势垒区域相反，范德华MTJ的明显优势之一便是是均匀的势垒厚度有助于全区域隧穿。此类范德华MTJ是基于Fe0.25TaS2Ta2O5-Fe0.25TaS233、石墨-CrI3-石墨34-37、Fe3GeTe2-BN-Fe3GeTe238和石墨-CrBr3-石墨39等结

33、构而制备的。图7显示Fe0.25TaS2Ta2O5-Fe0.25TaS2范德华MTJ的TEM截面图。FexTaS2的居里温度可通过Fe的化学图7 基于Fe0.25TaS2-Ta2O5-Fe0.25TaS2的MTJ，铁夹层的TaS2具有铁磁性，表面天然氧化物作为绝缘隔层。（a）Fe夹层TaS2的原子结构;（b）MTJ三明治截面的TEM图。计量数进行调节，当x = 0.2时，最大TC在160 K，而Ta2O5是一种薄的非范德华天然氧化物，隧道磁阻在5 K时约为6.533。最近，几个研究小组报道了基于石墨-CrI3-石墨夹心结构的非常大的隧道磁阻（图8），最大磁阻在2 K时为19,00034，在30

34、0 mK时为55035，在10 K下为10,00036，在1.4 K下为1,000,00037。这些报道的隧道磁阻值之间的较大差异与诸如测量温度、间隔层的厚度、施加的偏压以及详细的界面质量等详细的实验条件有关。这种类型的MTJ的原理被认为是利用隧道电子在交替自旋极化CrI3层上的多次散射35,39。与传统的声子或电子介导的隧穿相反，这些MTJ被认为是磁振介导的隧穿过程的结果。另一个Fe3GeTe2-BN-Fe3GeTe2范德华MTJ在4.2 K时表现出160的隧穿磁阻39。这些实验研究表明，范德华磁体在高性能的自旋电子学或磁控学中具有诱人的前景。与此同时，这些范德华MTJ再室温下的非易失性和低

35、功率开关还有很大的改进空间，现有的CrI3-MTJs需要在液氦温度下工作，同时还需要较大的磁场才能在不同状态之间切换。此外，范德华MTJ还要面对许多重要问题，例如：垂直各向异性、高温二维磁体、适度矫顽力、大剩磁以及与反铁磁体的牢固交换偏置等。尽管范德华MTJ还面临如此多的挑战，但与传统的非范德华MTJ相比较，范德华MTJ有较小的磁体积，更为优异的电气控制以及二维磁体中增强的热波动可以为自旋扭矩磁化切换提供较低的临界电流。由二维磁性材料组成的双层结构为磁强电子和自旋双电子器件提供了新的发展途径。自旋泵浦和自旋-轨道扭矩是相互的过程。磁振子可以通过微波相干地在磁性基质中激发，无需传导电子的受激磁振

36、子就会传播到相邻的二维材料中。如果二维材料具有较大的自旋-轨道耦合强度或较大的Rashba-Edelstein逆系数，则它们将能够有效地将行进的磁振子转换为充电电流和可检测电压。与自旋泵浦相反，自旋电流或自旋-轨道扭矩是由自旋电流从二维材料注入磁性薄膜基板产生的。具有强自旋-轨道耦合的2D材料中的纵向电荷电流可使横向自旋取向的电子朝垂直于双层界面的方向偏转，从而导致将自旋极化电流注入磁性基板。注入的自旋电流在下面的磁性基板的磁矩上施加自旋-轨道转矩，从而激发这些矩以进动，甚至切换到相反的方向。如果使用二维材料作为自旋电流源，则基于自旋-轨道转矩的MRAM可能具有原子层级薄的潜力。使用二维材料作

37、为自旋电流源的另一个优点是，大多数自旋电流将在界面处而不是散发，从而构成了低功率自旋电子学的诱人平台。1.3 本文的研究意义和研究内容1.3.1 研究意义目前，基于磁性二维材料广阔的发展前景，相关的各种研究炙手可热，特别是越来越多的科研人员积极参与到磁性二维材料的制备和性能研究。但是，磁性二维材料的应用研究才刚刚起步，各方面的研究都还面临着巨大的挑战。磁性二维材料的异质结构作为功能器件的主体结构，其制备和物性的研究对于磁性二维材料的应用非常重要。本课题通过制备和研究不同磁性二维材料异质结构的物性，对比其各种结构的物性特点，发掘磁性二维材料异质结构中结构与性能之间内在的联系，为实现目的性、高效率

38、地制备磁性二维材料的功能器件做好基础性研究。1.3.2 研究内容在本课题中，我们通过利用微机械剥离法制备磁性二维材料（RuCl3、CrBr3）薄膜以及石墨烯薄膜，在光学显微镜下对薄膜进行分析和标定，且进一步利用拉曼光谱定性分析薄膜；再利用二维材料转移法或磁控溅射镀膜技术制备磁性二维材料/石墨烯异质结构；通过微纳加工（电子束曝光、显影、镀膜、刻蚀）将制得的磁性二维材料/石墨烯异质结构制成场效应晶体管（FET）器件，并对磁性二维材料/石墨烯异质结构FET器件进行磁学性质和输运性质测量。最后基于上述内容的结果分析磁性二维材料/石墨烯异质结构的材料种类、制备过程与该样品磁性性能和输运性能之间的关系。2

39、 二维磁性材料异质结构的制备2.1 微机械剥离法制备二维材料薄膜2.1.1 微机械剥离法图9 微机械剥离法示意图。微机械剥离法从定义上讲是通过各种手段使物质表面被外力剥离。微机械剥离法的发明使得高质量且排列整齐的石墨烯片层变成了可能。使用微机械剥离法来制备二维材料，尤其是单层或少层二维材料实验样品，成为最常用的办法。在实验室中，一般是通过合适粘度的胶带对二维材料进行反复的粘扯剥离（图9）40。在本课题中，我们将使用微机械剥离法制备石墨烯的薄片和磁性二维材料的薄片，实验步骤如下（以石墨烯为例）：1.首先准备两条白色的Scotch胶带，利用镊子将块状石墨薄片夹取到其中一条Scotch胶带上。2.用

40、Scotch胶带的另一端粘贴，剥离。此时胶带上就能得到一定厚度的石墨烯样品。3.用另一条Scotch胶带粘贴步骤2所得的石墨烯样品，再剥离。此时这条胶带上的石墨烯薄片的厚度将比步骤2时石墨烯薄片的厚度更小。4.可重复一定次数的步骤3，直到Scotch胶带上剩余石墨烯样品的厚度满足要求。5.得到符合要求的石墨烯样品后，将其粘贴到事先准备好的干净的带氧化硅层的硅衬底上，接着再将携带有石墨烯样品的衬底移至光学显微镜下观察，可根据已有经验判断样品厚度（一般是颜色越浅，厚度越薄）。磁性二维材料薄片制备步骤跟石墨烯的类似。图10石墨烯、RuCl3和CrBr3薄片的光学显微图片。（a）（b）石墨烯薄片；（c

41、）（d） RuCl3薄片；（e）（f）CrBr3薄片。本课题通过如上的微机械剥离法制备了石墨烯薄片、三氯化钌（RuCl3）薄片与三溴化铬（CrBr3）薄片。通过光学显微镜观察这些薄片的大小和厚度情况。图10展示了这些薄片的光学图片。通过二维薄片的颜色深浅可以初步判断厚度。之后可以用其他表征技术对二维薄膜进行定性分析。图11 拉曼光谱示意图。2.1.2 拉曼光谱定性分析当制备好石墨烯薄片和磁性二维材料薄片后，我们利用拉曼光谱来定性分析石墨烯薄片和磁性二维材料薄片。拉曼光谱能进行定性分析，即确定其是否为单层、双层石墨烯。拉曼光谱属于散射光谱的一种，当发生拉曼散射时候，由于是非弹性碰撞，会有能量交换

42、发生同时产生方向变化。在分子结构研究中经常会用到拉曼光谱，其原理如图11所示，波长为0的入射光照射到样品后，光子会被散射，散射有两种，一种称为瑞利散射，特点是属于弹性散射，散射后光子的波长不会改变；另一种称为拉曼散射，特点是属于非弹性散射，散射后，分子振动能级向高能级跃迁，从而使光子的能量减少，波长增大为1。拉曼散射光子与入射光子之间的差异即反映了分子振动能级的信息，即拉曼位移。对于同一种分子，拉曼位移是固定的，可以看作这种分子的一个特征值，与入射光波长无关，所以通过比对拉曼峰位便能知道被测物质的结构组成。而由于二维材料层间存在相互作用，分子振动存在层间耦合，随着层数的增加，两个峰位的差值在逐

43、渐增大，且同样不受拉曼入射光波长的影响，所以通过比对拉曼峰位同样能测出二维材料的层数。本课题中利用的拉曼光谱仪型号为inVia Raman Microscope，配备有Ar离子激光器，其发射激光的波长为514nm，操作步骤如下：1. 打开Raman Analyzer软件，打开激光，预热半小时。2. 将样品放至样品垫上。3. 使样品处于黑暗环境中。4. 设置测试参数：平均参数和积分时间，调整激光功率，点击程序的暗电流扫描来采集暗电流参考数据。5. 参数提示对话框弹出，单击OK接受默认值。点击保存来保存参考数据。6. 将样品垫放入固体装样装置中，保持暗环境。7. 将探测器前端插入装样装置的探测孔。

44、8. 点击程序页面上的单一扫描键收集拉曼光谱，并点击“SAVE DATA”保存数据。9. 关闭系统程序，关闭激光源，退出拉曼分析软件，关闭电脑。图12 石墨烯样品的拉曼光谱分析。（a）单层石墨烯；（b）双层石墨烯。拉曼光谱中，G峰是石墨烯的主要特征峰，是由sp2碳原子的面内振动引起的，它出现在1580cm-1附近，G峰的强度会随着层数的减少而减弱。而单层石墨烯的一个较为明显的特点便是位于2700cm-1附近的2D峰远远大于G峰；而双层石墨烯的2D峰相较于单层来说会更宽，同时强度也有所不同。且双层石墨烯的G峰强度会比单层更大。我们对石墨烯进行拉曼光谱分析，将测得的数据利用Origin画图（如图1

45、2）。图12（a）拉曼光谱图中有两个明显的峰位，其中一个峰位于1578.47cm-1，被称为G峰。另一个峰位于2675.79cm-1，被称为2D峰。由此我们可以确定图12（a）的石墨烯样品的层数为单层。图12（b）拉曼光谱图中G峰强度较图12（a）明显更大，且其2D峰更宽并有4个子峰。由此可以确定图12（b）的石墨烯样品的层数为双层。2.2 二维异质结构的制备方法转移法是制备二维材料异质结构最为常用的方法，可以快速地、高效地制备二维材料异质结构。目前转移法中人们最为熟知是湿法转移和干法转移。这两种转移法都有其各自的优势，依据材料不同的特性，实验不同的需要，人们通常会选择合适的方法进行二维材料异

46、质结构的制备。2.2.1 湿法转移图13 湿法转移石墨烯示意图。湿法转移一般是指利用化学试剂与衬底的二氧化硅发生反应，使得在二氧化硅衬底上面的材料与衬底分离，然后再用待转移的衬底从液体里面将材料捞出来40（图13）。在转移之前一般会旋涂上一层PMMA，采用的化学试剂一般多为氢氧化钾或者氢氧化钠。此转移方法一般较多用于CVD生长的单层材料，这是因为在CVD生长的材料面积大并且多，如果采用干法转移法都不易保证材料的完整性。但湿法转移的缺点是只能进行粗略的转移。2.2.2 干法转移干法转移是指整个转移的过程不会接触任何液体，干法转移的原理是利用薄层材料与衬底自身的范德瓦尔斯力大于所采用的胶的粘和力，

47、不需要任何晶格匹配从而在转移后的剥离过程，采用的多聚物胶会与二维薄片脱离，而二维薄片与衬底能吸附在一起42。干法转移的流程如图14所示，首先把二维材料通过机械剥离法制备到PDMS表面，在光学显微镜下标记之后，把PDMS上的二维材料与目标二维材料对齐后缓慢降低，直到两种二维材料紧密结合后，加热一定温度，再抬起PDMS，使二维材料与PDMS分离。此方法的优点在于非常有利做一些悬浮的微纳结构，常用PDMS作为干法转移的材料载图14 干法转移的流程示意图。体。2.2.3 课题所用转移法本课题所用的异质结构制备法是基于PC/PDMS的转移法。基于PC/PDMS的转移法是利用聚碳酸酯胶（PC胶）与PDMS

48、胶的之间的粘性会随温度的变化而变化，所以在利用PC/PDMS胶转移样品的过程中，通过调节实验的温度，能够使PC/PDMS胶粘起目标材料，且能在成功转移二维材料之后通过升高温度至170将PC和PDMS轻松分离，最后再清洗掉PC层即可完成转移43（图15）。其本质上也属于干法转移的一种。本课题中选用PC转移法制备磁性二维材料/石墨烯异质结构，制备步骤如下：1. 在丙酮和异丙醇溶液中使用超声清洗三个玻片，用氮气吹干。2. 在载玻片上粘贴白色胶带，在其中心裁剪适当大小的小孔作为PC胶薄膜的面积大小。3. 滴一滴PC胶于玻片小孔上，取另一载玻片压在PC胶上，然后往一个方向快速划去，在空气中干燥后，从玻片上剥下胶带。于是胶带小孔处就有一层很薄的PC胶薄膜。4. 在第三个载玻片上放置一块适当大小的PDMS胶，然后将步骤4中胶带小孔对准PDMS，缓慢放下避免两者之间出现气泡，最后按压使其接触良好。5. 用刀片切下一块PDMS/PC区域。6. 把已准备好的磁性二维材料硅片固