论文总字数：22112字

摘 要

近几十年来半导体行业的发展与摩尔定律预测一致，芯片集成元件数量以及性能逐步提高，伴随其成本逐步降低。但是随着硅基材料元器件的特征尺寸向十纳米之下进军，器件量子性质占据主导，摩尔定律不再普适，产生了一系列新的问题如短沟道效应等。科研工作者们一方面试图优化元器件以规避不良影响，另一方面试图寻找新型半导体材料。随着石墨烯成功制备，具有优异性质和卓越性能的二维材料受到广泛关注,这种新型材料在未来多领域应用中具有极强潜力。

作为新晋二维材料，硒化铟（InSe）具有卓越的光学性能和电学性能。室温下具有较高的本征迁移率（10³ cm²V^-1s^-1），并且拥有能带随层数而改变的特殊性质,这使得InSe在高性能微电子器件、光电器件和力学传感器件等相关领域的应用具有极大潜力。但少数层InSe的荧光响应极低，尤其是单层InSe。此外常态环境下二维InSe不易储存，材料表面与O₂和H₂O反应生成的In₂Se₃等会使器件性能产生不可逆的变化。

此外，探究二维材料磁性背后的物理机制和探寻自旋电子器件的实验制备乃至工业流程，是最近主要的调研方向。电子和空穴所表现出的固有自旋赋予了半导体器件全新的性能和特质。在这个领域，采用电荷与自旋两种本征性质作为传输桥梁，这相当于在传统信息处理器件的基础之上额外开辟了一个自由度。自旋电子学器件具有稳定性好、可重复编程、高集成性、处理快速和低功耗的优势。

要想挖掘、利用并转换自旋输运在半导体器件和量子信息领域的潜在价值，自旋注入是制备自旋阀的首要条件，并在一定程度上限制相关器件的开发及应用。

本文安排如下：

1. 首先介绍二维材料性质、InSe特性及自旋注入；
2. 其次进行实验，通过使用机械剥离法成功剥离少层甚至单层InSe，随后运用光学显微镜对其进行表征；
3. 最后通过制备磁性电极获得自旋注入器件，对其进行输运特性的测试。

关键词：二维材料 硒化铟 自旋注入

Abstract

In recent decades,the development and innovation of semiconductor industry are in great shape just as the Moore’s Law predicted.The total amount and quality of devices on a chip are increasing,and the cost is reducing.However,the challenge of short channel effect(SCE) cannot be conquered when the feather length of silicon based devices goes below 10 nm.Scientists are trying to optimize the configuration to avoid above problems on the one hand.On the other hand,it is of great importance to search for new kinds of suitable semiconductor materials to replace traditional silicon based materials.Two-dimensional (2D) materials have attracted tremendous attention because of their outstanding properties when graphene was discovered,and they have great potential for future applications in various areas.

As one kind of 2D materials,indium selenide has excellent optical and electrical properties.At room temperature,the intrinsic mobility of indium selenide is high up to 10³ cm² V^-1 s^-1.The type of energy bandgap of two-dimensional indium selenide varies due to the conversion of its thickness.These properties have made two-dimensional indium selenide great potential in the application of future electronic devices,subtle strain sensors as well as high-precison optoelectronic devices.Unfortunately,few layers especially monolayer indium selenide has quite weak PL response and oxidizes with oxygen and water in the atmosphere easily.

Besides,investigations of two-dimensional materials on their magnetic mechanism and industrial application are really popular these days.The intrinsic spin exhibited by electrons and holes offers new functionality and performance for semiconductor devices.As two intrinsic characteristics of electrons,both the charge and spin are applied to data processing and storage.There are many preponderances using spintronic devices,such as good stability,reprogrammability,high integration,fast processing speed and low power consumption.

To actualize the potential value of spin transportation,spin injection to semiconductor plays a decisive role in it.It also severely restricts the application of spintronic devices.

Firstly,this thesis aims at the preparation process of few layers indium selenide by mechanical exfoliation.Secondly,tries to fabricate an InSe based horizontal spin valve device using ferromagnetic electrodes.Finally,tries to calculate the mobility of the fabricated device.

Key Words: Two-dimensional materials; Indium selenide; Spin injection

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 二维材料简介 1

1.2.1 过渡金属硫化物 2

1.2.2 黑磷 3

1.2.3 III-VI族层状化合物 4

1.2.4 二维材料研究中的问题 4

1.3 块体及薄膜硒化铟的结构和性质 4

1.4 自旋电子学 5

1.5 自旋注入 6

1.6 研究内容和预期目标 9

1.6.1 研究内容 9

1.6.2 预期目标 10

第二章 实验样品制备方法、工艺及表征手段 11

2.1 引言 11

2.2 机械剥离法 11

2.3 自旋注入器件制备工艺 12

2.3.1 紫外光刻 13

2.3.2 电子束光刻 13

2.4 二维材料的表征手段 13

2.4.1 光学显微镜 13

2.4.2 拉曼光谱 14

第三章 二维InSe的自旋注入 16

3.1 引言 16

3.2 二维InSe材料样品制备 16

3.3 基于InSe磁性电极的自旋注入器件制备 16

第四章 基于InSe的自旋注入器件的特性研究 19

4.1 电极的电学特性 19

4.2 磁光克尔效应 19

4.3 输运特性测量 22

4.5 本章小结 23

第五章 总结与展望 24

5.1 主要研究成果总结 24

5.2 展望 24

参考文献 25

致 谢 28

第一章 绪论

1.1 研究背景

近二十年，半导体行业的发展速度令人瞠目，硅基元器件的特征尺寸逐步低于10 nm，但特征尺寸在接近5 nm时器件已遭受量子效应的限制。受制于材料本身物理性质、栅极调控、短沟道效应和热耗散等一系列问题，关于传统硅基半导体器件的研究与发展逐渐趋近于理论极限而不再遵循摩尔定律。相关器件微型化和集成化的发展趋势使得人们将目光转而投向新型材料，其中厚度仅为原子级的二维材料以其在光学、力学、电学和磁性等方面独特而卓越的性质成为了研究热点。

此外，能否引入新的理论研究和实验技术以支撑新一代工艺革新也是近二十年来各界关注的重点。传统材料器件的研究中，电子的电荷特性和自旋特性是独立的；伴随着对材料磁性认知的不断深入与学科前沿交叉研究，电子的自旋特性被赋予了全新理解。研究表明，与平均自由程相比，自旋电子有更具优势的扩散长度。这意味着电子能在一定时间内保持其自旋状态，结合电子自旋的非易失特性,自旋电子器件在进一步提升信息存储密度和处理效率的同时为行业发展提供了崭新的思路以及巨大的潜能。

1.2 二维材料简介

自2004年采用机械剥离法从三维石墨中获得单层石墨烯伊始，二维材料以其卓越的光电性质为新型半导体材料领域带来无限的希望[1]。低维指物体长宽高三个维度之中任意其一介于1-100 nm之间，元素一致的材料在不同厚度上表现出不同性质。由此定义当材料的长度、宽度和高度中有0 个、1 个和2 个维度大于100 nm时，分别对应零维（0 D）、一维（1 D）和二维（2 D）材料。通常厚度仅有几个原子或少数分子层的二维材料是一种层状薄膜材料，其尺度在纳米级并且表面没有悬挂键，层内由共价键连接相邻原子，较弱的范德华力作用存在于层间，因此将电子运动限制在了二维平面。这使得二维材料在具有良好延展性、柔韧性和透光性的同时呈现出极为独特的光电性质和极强的可操作性、兼容性。

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