基于双波长光电效应的单分子自旋存储器及其制备方法

本发明涉及分子光电器件，尤其涉及一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器及其制备方法。

背景技术：

1、现有的存储技术，尤其是半导体存储器和磁性存储器，面临着存储密度、速度和功耗等方面的瓶颈。磁性存储器在写入过程中依赖外部磁场，导致能耗较高且响应速度较慢。半导体存储器（如闪存）在小型化过程中容易遭遇退化、热稳定性差等问题，且读写速度难以满足大规模数据处理的需求。因此，迫切需要一种新型存储器，能够在低功耗下实现高速、高密度的数据存储，并解决现有技术的瓶颈。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器及其制备方法，通过集成光电效应、手性诱导自旋选择效应（ciss）、自旋转移力矩效应（stt）、自旋轨道矩效应（sot）以及隧穿磁阻效应（tmr）等多种机制，大幅提升了存储器的读写速度（达到纳秒级），显著降低了功耗（达到纳安级），为下一代超高速、低功耗、高集成的自旋电子学存储器提供了全新的解决方案。

2、本发明提供一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器，包括：

3、磁性金属有机配合物，所述磁性金属有机配合物具有手性诱导自旋选择效应，自组装成两种手性相反的α螺旋结构；所述磁性金属有机配合物具有双波长光电效应，不同光照波长激发不同光敏基团产生光电流；

4、石墨烯纳米间隙阵列电极，所述磁性金属有机配合物通过酰胺共价键连接于所述石墨烯纳米间隙阵列电极中形成磁性金属有机配合物异质结；

5、磁性隧道结，所述磁性隧道结对称设置于所述磁性金属有机配合物异质结两侧；

6、重金属背栅，所述石墨烯纳米间隙阵列电极以及所述磁性金属有机配合物均组装于所述重金属背栅的顶部。

7、进一步地，所述磁性金属有机配合物的结构式为：

8、

9、其中，n为6~10的整数；m为6~10的整数；m为铁、钴、镍中的任意一种。

10、进一步地，所述磁性隧道结包括依次层叠的隧穿层和磁性金属层，所述隧穿层包括氧化铝、氧化镁或二硫化钼中任意一种，磁性金属层包括铁、钴或镍中任意一种，所述隧穿层组装于所述重金属背栅的顶部，所述隧穿层厚度为0.8~1.2 nm，所述磁性金属层厚度为80~100 nm。

11、进一步地，所述重金属背栅包括依次层叠的铂层、氧化铝层以及氧化铪层，其中底部为铂层，沉积厚度为50~80 nm，氧化铝层的沉积厚度为0.5~1 nm，顶部为氧化铪层，沉积厚度为0.5~1 nm。

12、进一步地，还包括六方氮化硼保护层，所述六方氮化硼保护层覆盖在所述磁性隧道结、所述石墨烯纳米间隙阵列电极以及所述磁性金属有机配合物异质结顶部。

13、本发明还提供一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器的制备方法，用于制备上述任一项所述一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器，包括如下步骤：

14、s1：制备磁性金属有机配合物；

15、s2：制备重金属背栅；

16、s3：制备石墨烯纳米间隙阵列电极，在石墨烯纳米间隙阵列电极两侧制备对称的磁性隧道结；

17、s4：将磁性金属有机配合物与石墨烯纳米间隙阵列电极通过共价键连接，获得单分子自旋存储器；

18、s5：将单分子自旋存储器组装在重金属背栅的正上方并在单分子自旋存储器的正上方制备六方氮化硼保护层，获得基于双波长光电效应的单分子自旋存储器。

19、进一步地，s2包括如下步骤：

20、s21：在热氧化处理过的硅片上进行sio2的沉积；

21、s22：使用直流磁控溅射技术在室温下在sio2上沉积铂层；

22、s23：使用交流磁控溅射技术在室温下在铂层上沉积氧化铝层；

23、s24：使用原子层沉积技术在100℃~200℃下在氧化铝层上沉积顶部的氧化铪层，获得背栅样品；

24、s25：将背栅样品进行退火处理，获得重金属背栅。

25、进一步地，s3包括如下步骤：

26、s31：采用化学气相沉积法在铜箔表面生长单层石墨烯，并借助聚甲基丙烯酸甲酯将其转移至硅片表面；

27、s32：利用紫外光刻机进行第一次光刻，在石墨烯表面制作标记图案并蒸镀金属cr和au；

28、利用紫外光刻机进行第二次光刻，在石墨烯表面制作条带图案，并置于反应离子刻蚀机中刻蚀，获得石墨烯条带结构；

29、利用紫外光刻机进行第三次光刻，在石墨烯条带结构左右两侧制作电极图案，并通过磁控溅射依次蒸镀氧化镁和钴，得到石墨烯条带两侧的磁性隧道结；

30、s33：在两侧带有磁性隧道结的石墨烯条带结构表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯保护层，用电子束曝光技术制作平行于金属电极的聚甲基丙烯酸甲酯虚线窗口，通过反应离子刻蚀机透过聚甲基丙烯酸甲酯窗口将石墨烯打断成头对头的三角形阵列，并通过电烧断得到石墨烯纳米间隙阵列电极。

31、进一步地，s4包括如下步骤：

32、s41：将磁性金属有机配合物和脱水活化剂混合，在无水无氧环境中溶解于溶剂中，得到混合溶液；

33、s42：将含石墨烯纳米间隙点电极的器件密封于两口烧瓶中，反复进行抽换气操作，加入所述混合溶液，使反应处于惰性气体氛围中，黑暗条件下反应24~48 h，取出，洗涤，干燥，得到单分子自旋存储器。

34、进一步地，所述脱水活化剂选自1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸、二环己基碳二亚胺或n,n’-二异丙基碳二亚胺中的任意一种；所述溶剂选自吡啶、二甲基亚砜或三氯苯中的任意一种；所述惰性气体为氩气或氮气；所述磁性金属有机配合物与所述脱水活化剂的摩尔比为1:(20-40)；所述脱水活化剂的浓度为2×10-3~ 4×10-3mol/l。

35、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

36、本发明提供的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器及其制备方法，通过光电效应、手性诱导自旋选择效应（ciss）、自旋转移力矩效应（stt）和自旋轨道矩效应（sot）的结合，提供了高效的自旋存储解决方案。无需使用偏振光，通过双波长光电效应直接激发分子内的光敏基团，产生的光电流通过手性自旋选择效应（ciss）转化为自旋极化电流。流经手性螺旋多肽后，不同手性结构产生不同自旋方向的电流，实现精确的自旋控制。进一步利用stt效应，注入磁性金属原子引发自旋翻转，用于信息写入。此外，sot效应通过将写入路径与读取路径分开，减少了磁隧道结的击穿风险，显著提高了读写速度（纳秒级）并降低了功耗（纳安级）。这一系列技术的综合应用，推动了高速度、低功耗、高稳定性的自旋电子学存储器的发展。

37、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器，其特征在于，所述磁性金属有机配合物的结构式为：

3.根据权利要求1所述的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器，其特征在于，所述磁性隧道结包括依次层叠的隧穿层和磁性金属层，所述隧穿层包括氧化铝、氧化镁或二硫化钼中任意一种，磁性金属层包括铁、钴或镍中任意一种，所述隧穿层组装于所述重金属背栅的顶部，所述隧穿层厚度为0.8~1.2 nm，所述磁性金属层厚度为80~100 nm。

4.根据权利要求1所述的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器，其特征在于，所述重金属背栅包括依次层叠的铂层、氧化铝层以及氧化铪层，其中底部为铂层，沉积厚度为50~80 nm，氧化铝层的沉积厚度为0.5~1 nm，顶部为氧化铪层，沉积厚度为0.5~1 nm。

5.根据权利要求1所述的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器，其特征在于，还包括六方氮化硼保护层，所述六方氮化硼保护层覆盖在所述磁性隧道结、所述石墨烯纳米间隙阵列电极以及所述磁性金属有机配合物异质结顶部。

6.一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1至5任一项所述一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器，包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器的制备方法，其特征在于，s2包括如下步骤：

8.根据权利要求6所述的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器的制备方法，其特征在于，s3包括如下步骤：

9.根据权利要求6所述的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器的制备方法，其特征在于，s4包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器的制备方法，其特征在于，所述脱水活化剂选自1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸、二环己基碳二亚胺或n,n’-二异丙基碳二亚胺中的任意一种；所述溶剂选自吡啶、二甲基亚砜或三氯苯中的任意一种；所述惰性气体为氩气或氮气；所述磁性金属有机配合物与所述脱水活化剂的摩尔比为1:(20-40)；所述脱水活化剂的浓度为2×10-3 ~ 4×10-3 mol/l。

技术总结
本发明涉及分子光电器件技术领域，提供一种基于双波长光电效应的单分子自旋存储器及其制备方法，存储器包括磁性金属有机配合物、石墨烯纳米间隙阵列电极、磁性隧道结以及重金属背栅，磁性金属有机配合物具有手性诱导自旋选择效应以及双波长光电效应；磁性金属有机配合物通过酰胺共价键连接于所述石墨烯纳米间隙阵列电极中形成磁性金属有机配合物异质结；磁性隧道结对称设置于磁性金属有机配合物异质结两侧；石墨烯纳米间隙阵列电极以及磁性金属有机配合物均组装于重金属背栅的顶部。本发明显著提高了存储器的读写速度并降低了功耗，推动了高速度、低功耗、高稳定性的自旋电子学存储器的发展。

技术研发人员：贾传成,宋树鑫,田娣,岳非凡,郭雪峰
受保护的技术使用者：南开大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/6