基于半金属铁磁CrO2薄膜与SWCNT-FET架构的自旋控制器件增强磁阻效应研究

为解决自旋电子器件在室温下磁阻率低、稳定性差的问题，研究人员通过脉冲激光沉积技术制备了以CrO2为主相的铬氧化物薄膜，结合SWCNT-FET架构开发了新型自旋控制器件。研究通过FTIR、XPS和MFM等表征手段证实了材料的半金属特性与磁畴结构，并首次采用化学刻蚀技术实现了CrO2电极的图形化。该器件在290 K下实现了40%的磁阻率，并通过栅压调控获得了+60%和-79%的磁阻变化，为室温自旋逻辑器件与存储器提供了新思路。

　　

在量子计算与高密度存储的需求驱动下，自旋电子器件因其非易失性和低功耗特性成为研究热点。然而，传统自旋材料面临室温磁阻率低、界面稳定性差等挑战，尤其是半金属铁磁体CrO₂易氧化为绝缘相Cr₂O₃的缺陷严重制约其应用。针对这一难题，中国科学院的研究团队创新性地将CrO₂薄膜与单壁碳纳米管(SWCNT)通道结合，在《Carbon Trends》发表了突破性成果。

研究采用脉冲激光沉积(PLD)技术在TiO₂/SiO₂/Si衬底上生长CrO₂主导的铬氧化物薄膜，通过电子束光刻(EBL)和缓冲氢氟酸(BHF)化学刻蚀实现电极图形化，并集成SWCNT网络作为自旋传输通道。关键实验技术包括：1) 掠入射X射线衍射(GIXRD)分析薄膜晶体结构；2) 傅里叶变换红外光谱(FTIR)解析Cr-O键振动模式；3) X射线光电子能谱(XPS)表征表面化学状态；4) 磁力显微镜(MFM)观测235 nm磁畴尺寸；5) 物理性质测量系统(PPMS)测试电输运特性。

材料表征与机理研究
通过GIXRD证实薄膜以四方相CrO₂(110)为主晶相，伴随少量六方Cr₂O₃。FTIR在421 cm^-1和493 cm^-1处发现CrO₂特征峰，XPS显示Cr 2p_3/2结合能576.22 eV，证实Cr⁴⁺氧化态。磁学测试显示室温饱和磁化强度71 kA/m，符合1.07 μ_B/f.u.的磁矩值，表明Cr₂O₃界面层导致磁矩降低。

电输运与磁阻效应
电阻-温度关系符合lnR∝T^-1/2，证实自旋相关隧穿(SDT)为主导机制，库仑间隙Δ=250 K。在0.1 T垂直磁场下获得40%负磁阻(MR)，交叉场效应分析表明其源于CrO₂晶粒间Cr₂O₃势垒的隧穿行为。非对称磁滞回线提示表面自旋无序和反铁磁耦合的协同作用。

器件性能突破
通过EBL制作的SWCNT-FET器件展现出栅压可调磁阻特性：在0.1 T和0.5 T磁场下分别实现+60%和-79%的MR值。这种反常符号反转源于Rashba自旋轨道耦合效应，其拉莫尔进动频率θ=(2am*/?²)ξ_yL，通过背栅电压可精确调控自旋极化方向。

该研究首次实现CrO₂薄膜的湿法刻蚀图形化，解决了传统聚焦离子束(FIB)加工导致的界面损伤问题。所开发的SWCNT-FET架构将自旋扩散长度提升至微米级，为室温自旋晶体管和非易失性存储器提供了材料基础。特别是40%的室温磁阻率超越了多数报道的过渡金属氧化物体系，标志着自旋电子器件向实用化迈出关键一步。未来通过优化Cr₂O₃界面层厚度与晶界工程，有望进一步突破性能极限。