厦门大学张峰教授、傅德颐教授，南方科技大学林君浩教授，南京大学高力波教授 发表题为 “Room-temperature high-efficiency spin injection via van der Waals tunnel contact”于Nature Communications 上
本文介绍了一种通过在铁磁金属钴（Co）和二维材料（如石墨烯和二硫化钼）之间插入铟缓冲层来实现室温下高效率自旋注入的方法。这种铟缓冲层在Co和石墨烯之间形成了高效率的范德华（vdW）隧道接触，显著提高了自旋注入效率。通过优化铟缓冲层厚度，实现了约25%的室温自旋注入效率，并在多通道石墨烯自旋阀中展示了性能的均匀性和可扩展性。此外，该方法还成功应用于半导体材料MoS2，实现了约19.7%的自旋注入效率。该策略为未来大规模自旋电子学应用提供了一种简单、成本效益高且与工业兼容的方法。
背景
石墨烯因其极小的自旋轨道耦合、可忽略的超精细相互作用以及超高电荷迁移率而成为理想的自旋传输平台。然而，直接在石墨烯上沉积铁磁金属通常会形成透明接触，导致自旋注入效率极低。为了提高自旋注入效率，研究者们尝试在铁磁电极和石墨烯之间插入各种介电材料（如金属氧化物和范德华六方氮化硼）以形成隧道接触。尽管如此，这些方法存在制备复杂、效率不一致等问题。此外，基于二维范德华接触的自旋注入研究虽然取得了一定进展，但在效率、可扩展性和明确的自旋信号证明方面仍面临挑战。
主要内容
本文提出了一种通过在铁磁金属钴（Co）和二维材料（如石墨烯和MoS2）之间插入铟缓冲层来实现高效率自旋注入的方法。铟缓冲层在Co和石墨烯之间形成了范德华隧道接触，显著提高了自旋注入效率。通过优化铟缓冲层的厚度，研究者们实现了约25%的室温自旋注入效率，并在多通道石墨烯自旋阀中展示了性能的均匀性和可扩展性。此外，该方法还成功应用于半导体材料MoS2，实现了约19.7%的自旋注入效率。实验结果表明，铟缓冲层能够有效保护石墨烯表面，避免Co与石墨烯之间的直接化学杂化，从而形成清晰的范德华间隙作为有效的自旋隧道势垒。通过高分辨率扫描透射电子显微镜（STEM）分析，研究者们观察到了清晰的范德华间隙，并通过电输运测量验证了自旋注入效率。该方法不仅适用于石墨烯，还能够扩展到其他二维材料，为未来大规模自旋电子学应用提供了一种简单、成本效益高且与工业兼容的解决方案。
实验细节
实验中，研究者们首先通过机械剥离法在SiO2/Si衬底上制备了单层石墨烯，并通过光学对比度和拉曼光谱进行识别。然后，通过标准电子束光刻技术制备了不同宽度的自旋注入和检测电极，并在真空腔中依次沉积了不同厚度的铟缓冲层和35nm厚的Co层，最后覆盖一层5nm厚的金以防止Co氧化。对于超长通道的石墨烯自旋阀，研究者们使用了质子辅助化学气相沉积（CVD）生长的超平整石墨烯。
创新点
- 提出了一种通过在铁磁金属和二维材料之间插入铟缓冲层来实现高效率自旋注入的新方法，该方法简单且与工业兼容。
- 实现了约25%的室温自旋注入效率，与目前报道的基于氧化物隧道势垒的石墨烯自旋阀的最高效率相当。
- 通过STEM分析清晰观察到范德华间隙的形成，并通过实验验证了其作为有效自旋隧道势垒的功能。
- 展示了该方法在多通道石墨烯自旋阀中的均匀性和可扩展性，并首次在半导体材料MoS2中实现了约19.7%的自旋注入效率。
结论
本文通过在铁磁金属和二维材料之间插入铟缓冲层，成功实现了高效率的自旋注入。该方法不仅适用于石墨烯，还能够扩展到其他二维材料，如MoS2。通过优化铟缓冲层的厚度，研究者们实现了约25%的室温自旋注入效率，并在多通道石墨烯自旋阀中展示了性能的均匀性和可扩展性。此外，该方法还首次在MoS2中实现了约19.7%的自旋注入效率。该策略为未来大规模自旋电子学应用提供了一种简单、成本效益高且与工业兼容的解决方案，有望推动自旋电子学技术的发展。
图文内容
图1 | Co/In接触与Co接触石墨烯横向自旋阀的自旋信号对比。a 器件结构与测量配置示意图。b 不同温度下Co/In接触通道（上图）与Co接触通道（下图）在注入与检测电极间测量的二探针电流-电压曲线，该器件铟层厚度为4 nm。c 室温下Co/In接触通道的非局域自旋阀信号。d Co/In接触通道在平行与反平行状态下测量的Hanle自旋进动数据，红色实线为拟合曲线。
图2 | Co/MLG与Co/In/MLG界面结构的原子级STEM表征。a Co/MLG截面界面的明场像（上）和EDS元素分布图（中），黄色虚线标示无序层区域，整体区域EDS谱（下）显示除Co和C外无其他元素信号，Cu峰源自TEM载网。b,c Co/In（4 nm）/MLG（b）和Co/In（6 nm）/MLG（c）截面界面的明场像（上）与EDS元素分布图（中），（b）中观察到Co与MLG间清晰锐利的界面，而（c）中过量In在界面附近聚集，EDS谱（下）明确显示Co电极内部存在In。比例尺：5 nm（上），20 nm（中）。
Fig. 3 | 铟层厚度依赖的自旋信号。a 不同铟缓冲层厚度的Co/In接触器件非局域自旋阀信号测量结果，含直接Co接触器件（铟厚度：0 nm）对比曲线。各曲线垂直偏移以便观察。b 选定铟层厚度器件的两端I-V特性曲线。c-e 所有测试器件的铟层厚度依赖性零偏压电阻-面积积(c)、ΔRNL(d)及自旋极化率(e)计算结果。所有误差棒代表标准偏差。
Fig. 4 | 栅压可调自旋信号。a 不同栅压下测量的非局域自旋阀信号曲线，各曲线垂直偏移以便观察。b 源自(a)的ΔRNL栅压依赖性，同时显示转移曲线。c 自旋极化率随栅压的变化关系。测量温度为3 K。所有误差棒代表标准偏差。
Fig. 5 | CVD石墨烯和多层MoS2中的自旋注入与输运a 在CVD石墨烯上制备的LSV器件光学图像，标记有1至7个相同通道。比例尺：10 μm。b 室温下(a)中各通道测得的ΔRNL。c 室温下(a)中各通道计算的自旋极化率，虚线表示平均P值。d CVD石墨烯上超长通道LSV器件的光学图像。比例尺：15 μm。e,f 室温下(d)器件的非局域自旋阀信号(e)和Hanle自旋进动(f)。g 多层MoS2上LSV器件的光学图像。比例尺：5 μm。h 3 K温度下(g)中不同通道测得的非局域自旋阀信号，栅极电压设为+10 V。i 从(h)获取的通道长度相关ΔRNL，黑色虚线为拟合曲线。所有误差棒代表标准偏差。
文献：https://doi.org/10.1038/s41467-025-67989-7
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