热扫描探针光刻（t-SPL）制备全金属非局域自旋阀（NLSVs）及薄Cu通道自旋输运研究

《Advanced Physics Research》：Spin Transport in Thin Copper Channels Fabricated via Thermal Scanning Probe Lithography

　　

非局域自旋阀（non-local spin valves, NLSVs）是探测自旋输运现象的有用平台，但其制造几乎完全依赖电子束光刻（electron-beam lithography, EBL）。在此，研究人员首次展示使用热扫描探针光刻（thermal scanning probe lithography, t-SPL）制造全金属（all-metallic）NLSVs。研究人员优化了双层抗蚀剂堆栈的t-SPL制造工艺，并成功制造出纳米线宽度～100 nm、具有强自旋信号和干净铁磁（ferromagnetic, FM）翻转的NLSVs。研究人员利用该平台研究薄（25 nm）Cu通道中的自旋输运，观察到自旋扩散长度（spin-diffusion length）的弱温度依赖性和界面自旋极化（interface spin polarization）的近温度无关性。使用Elliot–Yafet理论（Elliot–Yafet theory, EY theory）分析自旋弛豫效率表明，缺陷和声子自旋弛豫增强，这与薄通道区域中增强的表面效应一致。这些结果确立t-SPL作为一种可行的纳米制造技术和开发纳米级自旋电子器件（nanoscale spintronic devices）的有用工具。

研究背景与问题：自旋电子器件利用电子自旋自由度，有望应对传统CMOS器件的缩放和功耗限制。非局域自旋阀（non-local spin valves, NLSVs；利用铁磁电极在非磁通道中注入和探测纯自旋流的器件）能产生并隔离纯自旋流，其横向几何还可研究具有不同自旋扩散长度（spin-diffusion length, λ_NM；自旋积累衰减的特征长度）的材料。NLSVs的制造通常要求非磁通道宽度w_NM和厚度t_NM远小于λ_NM，以实现准一维自旋输运，因此需要数十纳米分辨率；此前NLSVs几乎完全由电子束光刻（electron-beam lithography, EBL；聚焦电子束曝光抗蚀剂的纳米图案化技术）制造。EBL存在衬底充电、背散射电子邻近效应、多步工艺对准标记需求、高运行成本、洁净惰性曝光环境要求以及高通量并行化困难等问题。轻金属如Al、Cu因低电阻率和自旋–轨道耦合而具有吸引力，并可呈现表面增强自旋弛豫、弹道声子输运等现象，但其NLSV研究依赖高分辨率制造。热扫描探针光刻（thermal scanning probe lithography, t-SPL；用加热探针局部热升华聚合物抗蚀剂的图案化技术）具有数十纳米分辨率、最高20 mm/s写入速度、并行化潜力、低成本、无充电和邻近效应、可原位成像且无需对准标记等优势；但已报道的t-SPL纳米线制造常需Si硬掩模和反应离子刻蚀，双层剥离中顶层PPA塌缩会导致线宽展宽，且此前未见t-SPL制造NLSVs的报道。因此，研究人员首次用t-SPL制造全金属NLSVs，并研究薄（25 nm）Cu通道自旋输运。

关键技术方法（不超过250字）：采用t-SPL在聚甲基戊二酰亚胺（polymethylglutarimide, PMGI）/聚邻苯二甲醛（polyphthalaldehyde, PPA）双层抗蚀剂上图案化，化学刻蚀底切后电子束蒸发Ni₈₀Fe₂₀与Cu并剥离，两步形成NLSV；用扫描电子显微镜测横向尺寸，石英晶振并掠入射X射线反射校准厚度；以13 Hz、316 μA（rms）锁相非局域准直流电测量ΔR_NL，四端法测非磁电阻率、铁磁电阻率及界面电阻R_i；变温变间距数据用一维自旋扩散模型和EY分析。不涉及临床样本队列，器件为实验室制备芯片。

研究结果：3.1 优化用于NSLV制造的t-SPL。研究人员系统研究PPA厚度t_PPA、写入电压V_write、接触时间τ_C和写入温度T_write对图形分辨率的影响，指出探针实际温度约为T_write的4–5倍小；在t_PPA=16、30、100 nm，T_write=800–1100°C、V_write=4–9 V、τ_C=5 μs下制备条带，以SEM测得相对名义宽度的展宽Δw。结果显示Δw随T_write升高而增大，并在低T_write时强烈依赖V_write，与探针穿透深度有关；低T_write和V_write时因穿透不足而图案化失败。t_PPA=16 nm时Δw与V_write无关，归因于PPA被完全去除及薄PPA在底切后易塌缩；t_PPA=100 nm时失败概率更高且探针污染和退化更快。最终选择t_PPA=30 nm、T_write=1000°C、目标图案深度35 nm，以平衡分辨率和器件成品率。3.2 薄Cu通道中的自旋输运。研究人员用优化工艺两步制备25 nm Cu通道NLSV，代表性器件d=500 nm，非磁通道宽300±10 nm，铁磁电极宽150±10和250±10 nm。在2.5 K测量R_NL随面内磁场H_IP变化，观察到平行与反平行态之间干净翻转；正反扫不对称表明Ni₈₀Fe₂₀接触上原生氧化物导致交换偏置，阻塞温度～60 K与氧化Ni-Fe此前报道一致。ΔR_NL随温度和间距d变化呈单调性，无自旋Kondo散射特征的低温柔性下弯；由R_i≈1 kΩ、电阻面积乘积～90 Ωμm²、R_N≈5 Ω且R_i?R_N，采用隧道势垒极限一维自旋扩散模型拟合。得到界面自旋极化P=2–2.5%且近温度无关；λ_NM在低温为375 nm，至150 K降至265 nm，1/τ_s由0.065 ps^?1增至0.11 ps^?1，其弱温度依赖与Cu电阻率弱温度依赖（残余电阻比1.35）一致。EY分析显示1/τ_s与声子动量散射率线性相关，EY自旋弛豫占主导；低1/τ_e,ph处无上翘，Dyaknov–Perel（DP）弛豫可忽略。拟合得β_ph=380±40、β_def=1280±30；β_def处于文献200–2000范围内，而β_ph低于文献500–1500。结合Watts 2019数据并采用表面修正模型拟合得β_ph,bulk=1300±60、β_ph,surf=39±3，原文据此认为薄通道中表面声子散射增强的解释与低β_ph一致。

讨论总结：原文指出当前主要局限是器件成品率，每芯片最高约50%（三个功能性器件），但仍足以约束隧道势垒自旋扩散模型；有限成品率很可能与高界面电阻和FM/NM界面自旋极化降低有关，可在非磁层沉积前立即用Ar离子刻蚀改善；分辨率可通过三层抗蚀剂或Si硬掩模允许更薄PPA层来优化。尽管有这些限制，t-SPL被确立为适用于自旋电子器件的纳米制造技术，在成本和可及性方面可与EBL竞争，并具有相当写入速度和分辨率；其对2D材料损伤较小，且可适配为2D材料自旋输运测量制造FM接触，并因可纳米尺度修饰磁性质和磁织构而具多功能工具潜力。

研究结论（翻译）：总之，研究人员首次证明使用t-SPL成功制造NLSVs。该方法可实现～100 nm纳米线宽度，产生强自旋信号和干净FM翻转，这两者对于可靠自旋输运测量均必不可少。利用该平台，研究人员研究了薄Cu通道中的自旋输运，观察到自旋扩散长度的弱温度依赖性和界面自旋极化的近温度无关性。提取的缺陷驱动自旋弛豫的Elliott–Yafet参数与文献一致，而声子贡献降低，这与薄通道中表面声子散射增强的解释一致。当前工作的局限主要与器件成品率有关，并在优化分辨率方面仍有空间。此处达到的最大成品率约为每芯片50%（三个功能性器件），但仍足以约束隧道势垒自旋扩散模型。有限成品率很可能与高界面电阻和FM/NM界面处自旋极化降低有关，可在NM沉积前立即采用Ar离子刻蚀予以改善。分辨率还可通过优化抗蚀剂堆栈进一步提高，例如采用三层结构或引入Si硬掩模以允许更薄的PPA层。尽管存在这些局限，这些结果确立t-SPL作为适用于自旋电子器件的纳米制造技术，在成本和可及性方面可与EBL竞争，同时提供相当的写入速度和分辨率。t-SPL特别有吸引力用于研究2D材料中的自旋输运，因为它比EBL损伤更小——此处方法可容易地适配于为2D材料中的自旋输运测量制造FM接触。更广泛地，t-SPL在纳米尺度修饰或操纵磁性质和磁织构的能力突出其作为自旋电子学多功能工具的潜力。因此，本工作扩展了纳米级自旋电子器件研究人员可用的制造技术范围。