本發(fā)明涉及功能材料與信息技術(shù)領(lǐng)域，更具體的涉及一種電寫磁讀磁電存儲單元及制備方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著磁電復(fù)合型多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料在磁場傳感、環(huán)境振動能量采集、微波諧振型器件及移相器等方面深入不斷的探索和研究，并逐步開始應(yīng)用于低功耗及高密度的信息存儲領(lǐng)域。

磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)用于高密度信息存儲領(lǐng)域主要是依靠外加電場對磁敏感材料的磁性進(jìn)行調(diào)控實現(xiàn)，其層間應(yīng)變調(diào)控機制是將壓電材料和超磁致伸縮材料的層狀復(fù)合，并利用壓電材料的逆壓電效應(yīng)與磁致伸縮材料的Villari效應(yīng)通過界面層間的應(yīng)變傳遞完成電場對磁性的調(diào)控，這種調(diào)制機制能夠在室溫下操作且具有較理想的調(diào)控范圍，但是，由于磁致伸縮是材料內(nèi)部磁疇在外磁場作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)的結(jié)果，若在鐵磁/鐵電類多鐵層復(fù)合材料中實現(xiàn)調(diào)控須有外加偏置磁場作為輔助才能充分激發(fā)磁致伸縮材料的壓磁效應(yīng)，然而，外部額外施加的偏置磁場不僅增加了器件的體積而且將導(dǎo)致信噪比嚴(yán)重下降，限制了應(yīng)力耦合型磁電存儲器件的高密度集成。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的磁電存儲單元，存在需要外加偏置磁場激發(fā)磁致伸縮材料的壓磁效應(yīng)，導(dǎo)致存儲單元體積增加，信噪比降低，以及存儲密度降低的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例提供一種電寫磁讀磁電存儲單元及制備方法，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在磁電存儲單元通過外加偏置磁場激發(fā)磁致伸縮材料的壓磁效應(yīng)，使存儲單元體積增加，信噪比降低，以及存儲密度降低的問題。

本發(fā)明實施例提供一種電寫磁讀磁電存儲單元，包括：襯底基片、底電極層、壓電層、自由層、非磁隔離層、固定層和頂電極層；

所述底電極層形成在所述襯底基片之上；所述壓電層形成在所述底電極層之上；所述自由層形成在所述壓電層之上；所述非磁隔離層形成在所述自由層之上；所述固定層形成在所述非磁隔離層之上；所述頂電極層形成在所述固定層之上；

所述自由層、所述非磁隔離層和所述固定層構(gòu)成磁隧道結(jié)；所述壓電層和所述磁隧道結(jié)構(gòu)成磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)；

所述頂電極層和所述底電極層分別作為所述磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)的上下電極而對所述磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)施加電場，所述電場方向垂直于所述磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)；

所述壓電層采用壓電單晶體材料；所述自由層和所述固定層均采用磁致伸縮材料。

較佳地，所述壓電層的厚度為200nm。

較佳地，所述壓電單晶體材料為PMN-PT。

較佳地，所述磁致伸縮材料為TbFe₂。

較佳地，所述底電極層為正電極，所述頂電極層為負(fù)電極。

本發(fā)明實施例提供一種電寫磁讀磁電存儲單元的制備方法，包括：

在厚度為500μm的Si/SiO₂襯底基片上濺射5nm厚的Mo作為底電極層薄膜；

采用環(huán)氧樹脂膠在所述底電極層薄膜上黏合壓電單晶材料作為壓電層薄膜；

在所述壓電層薄膜上濺射2.4nm厚的磁致伸縮材料作為自由層薄膜；

在所述自由層薄膜上濺射10nm厚的MgO作為非磁隔離層薄膜；

在所述非磁隔離層薄膜上濺射磁致伸縮材料作為固定層薄膜；

在所述固定層薄膜上濺射5nm厚的Ta作為頂電極層薄膜。

本發(fā)明實施例中，提供一種電寫磁讀磁電存儲單元及制備方法，采用具有明顯磁滯和剩磁的磁致伸縮材料與非磁材料構(gòu)成磁隧道結(jié)，由于磁致伸縮材料具有較大的各向異性場的存在，利用外加電場的方式實現(xiàn)對磁隧道結(jié)中各向異性內(nèi)部場的翻轉(zhuǎn)調(diào)控，擺脫了傳統(tǒng)磁電存儲單元需要外加偏置磁場進(jìn)行輔助電控磁性的束縛，從而減小了存儲單元體積，提高了信噪比，以及提高了存儲密度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元在電場激勵下法拉第效應(yīng)測量示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元在電場激勵下的磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)電-機-磁轉(zhuǎn)換非接觸測試系統(tǒng)原理示意圖；

附圖標(biāo)記說明：

101-襯底基片，102-底電極層，103-壓電層，104-自由層，105-非磁隔離層，106-固定層，107-頂電極層，201-鎖相放大器，202-樣品，203-激光傳感頭，204-測振儀控制臺，205-PC機。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元，包括：襯底基片101、底電極層102、壓電層103、自由層104、非磁隔離層105、固定層106和頂電極層107。

具體地，底電極層102形成在襯底基片101之上；壓電層103形成在底電極層102之上；自由層104形成在壓電層103之上；非磁隔離層105形成在自由層104之上；固定層106形成在非磁隔離層105之上；頂電極層107形成在固定層106之上。

需要說明的是，襯底基片101采用壓電層103采用壓電單晶體材料PMN-PT，并且壓電層103的厚度為200nm。

需要說明的是，處于準(zhǔn)同型相界(Morphotropic Phase Boundary,MPB)的弛豫型鐵電單晶體PMN-PT[xPb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-(1-x)PbTiO₃]不僅具有高壓電系數(shù)、高機電耦合系數(shù)和低矯頑場等特點，而且具有豐富的鐵電相和電疇結(jié)構(gòu)，能夠在磁電復(fù)合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較大的逆壓電效應(yīng)，因此，選取PMN-PT作為壓電襯底。

較佳地，自由層104和固定層106均采用磁致伸縮材料TbFe₂，并且自由層104和固定層106統(tǒng)稱為鐵磁層。

需要說明的是，鐵磁材料的選擇則考慮在室溫下具有較大飽和磁致伸縮系數(shù)及較大剩磁和磁滯的稀土類超磁致伸縮材料TbFe₂，用于提供內(nèi)部的各向異性場及感應(yīng)壓電層傳遞的應(yīng)變并發(fā)生磁化反向。

需要說明的是，磁致伸縮是鐵磁物質(zhì)(磁性材料)由于磁化狀態(tài)的改變，其尺寸在各方向發(fā)生變化。大家知道物質(zhì)有熱脹冷縮的現(xiàn)象。除了加熱外，磁場和電場也會導(dǎo)致物體尺寸的伸長或縮短。鐵磁性物質(zhì)在外磁場作用下，其尺寸伸長(或縮短)，去掉外磁場后，其又恢復(fù)原來的長度，這種現(xiàn)象稱為磁致伸縮現(xiàn)象(或效應(yīng))。

需要說明的是，由于MgO材料作為磁隧道結(jié)的絕緣勢壘層對自旋極化電子具有過濾的作用，且該材料具有較高的熱穩(wěn)定性，因此綜合考慮這些因素選擇MgO作為磁隧道結(jié)中的非磁層。

需要說明的是，頂電極層107對所生長的磁隧道結(jié)起保護(hù)作用，并且.是一種導(dǎo)電材料，起導(dǎo)電作用，便于引出導(dǎo)線測量磁隧道結(jié)的阻抗變化。

需要說明的是，自由層104、非磁隔離層105和固定層106構(gòu)成磁隧道結(jié)；壓電層103和磁隧道結(jié)構(gòu)成磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)。

圖2為本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元在電場激勵下法拉第效應(yīng)測量示意圖。如圖2所示，該存儲單元從下到上依次為底電極層102、壓電層103、磁隧道結(jié)和頂電極層107。

需要說明的是，頂電極層107和底電極層102分別作為磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)的上下電極而對磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)施加電場，電場方向垂直于磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)；較佳地，底電極層102為正電極，頂電極層107為負(fù)電極。

具體地，根據(jù)PMN-PT在電場作用下產(chǎn)生的逆壓電響應(yīng)，在[011]方向施加電場時，樣品在[001]方向?qū)湛s，而在[011]方向上伸長，原來各向異性的TbFe₂鐵磁薄膜在[001]方向上產(chǎn)生難磁化軸，而在[111]方向上產(chǎn)生易磁化軸,因此，對比性地在這兩個方向開展電場調(diào)控各向異性場的研究。

需要說明的是，為了研究電場對各向異性內(nèi)部場的直接調(diào)控，在無需外加磁場輔助的情況下，以2kV/cm的步進(jìn)掃描電場一周(從+30kV/cm減小至-30kV/cm,然后再由-30kV/cm增加至+30kV/cm)，分別對[001]和[011]兩個方向的磁性響應(yīng)進(jìn)行測量。對于上述的在[100]及[011]方向上的電場調(diào)控行為，通過PMN-PT在極化方向[011]方向施加電場時面內(nèi)應(yīng)變的各向異性，利用原位電場下的法拉第效應(yīng)作進(jìn)一步的測量和定量分析以加深對調(diào)控的機制的微觀理解。原位電場下法拉第效應(yīng)測量的示意圖如圖2所示，定義TbFe₂靠近Mo電極一側(cè)為正極，將NanoMOKE產(chǎn)生的線偏振光垂直于[011]方向的平面入射，借助旋轉(zhuǎn)磁場的方式和扭矩法進(jìn)行電場調(diào)控下易/難磁化方向上的各向異性場翻轉(zhuǎn)情況及微磁疇狀態(tài)的變化。

圖3為本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元在電場激勵下的磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)電-機-磁轉(zhuǎn)換非接觸測試系統(tǒng)原理示意圖。如圖3所示，由于電-機-磁轉(zhuǎn)換過程是由壓電材料的電-機轉(zhuǎn)換以及鐵磁材料的機-磁轉(zhuǎn)換耦合而成，因而該研究分為兩個步驟，目的是監(jiān)測得知壓電及磁致伸縮敏感材料的實時工作狀態(tài)。

(1)將反光膜貼于樣品202的壓電單晶體PMN-PT的側(cè)面上，激光傳感頭203射出的激光束自動聚焦在待測振動面的反光膜上。用于激勵壓電單晶的信號由鎖定放大器201的內(nèi)部信號源產(chǎn)生，鎖相放大器201的A通道通過測振儀控制臺204捕獲激光傳感頭203在某個頻率下激勵下的端面振動速度信號并以電壓的形式輸出給PC機205，由儀器設(shè)置的電壓-速度轉(zhuǎn)換因子(單位：mm/s/V)得到振動速度v。根據(jù)公式v＝2πfλ計算伸縮片在給定頻率f下的縱向位移λ。

(2)由于PMN-PT與TbFe2之間通過應(yīng)變的傳遞進(jìn)行逆磁電耦合，然后將激光傳感頭203垂直射至樣品202的磁致伸縮層的反射膜，獲取磁致伸縮層的微位移振動信號。同時，將銅質(zhì)漆包線密繞在換能器的表面用于檢測感應(yīng)電動勢產(chǎn)生，從而完成對機-磁轉(zhuǎn)換的監(jiān)測。通過監(jiān)測磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)中各層的工作狀態(tài)能夠獲取端面振動速度、端面振動位移和層間能量傳遞效率等一些重要參量，對基于應(yīng)變傳遞耦合的磁電異質(zhì)結(jié)構(gòu)有重要意義。

本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元在電場調(diào)控下磁隧道結(jié)的自旋電子輸送性質(zhì)如下：

磁電異質(zhì)復(fù)合結(jié)構(gòu)Si/SiO₂/Mo/PMN-PT/TbFe₂/MgO/TbFe₂/Ta中具有較大的電控磁效應(yīng)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)無需外加磁場輔助的磁矩翻轉(zhuǎn)進(jìn)行信息寫入。

異質(zhì)結(jié)構(gòu)中由于復(fù)合了鐵磁層/非磁層/鐵磁層型磁隧道結(jié)，自由層可在電場的作用下磁化反向，從而對磁電阻進(jìn)行調(diào)整并通過監(jiān)測磁電阻變化完成信息的讀出。

需要說明的是，自由層TbFe2的磁化狀態(tài)受外加給PMN-PT電場方向的控制，當(dāng)對存儲單元施加正電場時，兩鐵磁層的磁化方向處于平行模式，一個鐵磁層中的多數(shù)自旋電子將運動至另一個鐵磁層多數(shù)自旋帶的空態(tài)。同樣地，少數(shù)自旋電子也從一個磁層進(jìn)入到另一個磁層少數(shù)自旋帶的空態(tài)，這時對應(yīng)于低阻態(tài)用于還原所記錄的”0”信息；當(dāng)對存儲單元施加負(fù)電場時，兩鐵磁層的磁化方向處于反平行模式，這時一個磁層中多數(shù)自旋電子帶的自旋與另一個鐵磁層少數(shù)自旋電子帶的自旋平行，從而隧道過程變成一個磁層的多數(shù)自旋電子帶的電子勢必要在另一個磁層中尋找少數(shù)自旋的空態(tài)，這時對應(yīng)于高阻態(tài)用于還原所記錄的”1”信息。

需要說明的是，從另一個角度來看該器件是基于閉合磁路的概念提出的，電場調(diào)控下這種結(jié)構(gòu)具有兩個穩(wěn)定的磁態(tài)，其中低阻態(tài)時兩鐵磁層各向異性場的磁化取向使其具有凈磁矩，而高阻態(tài)時呈現(xiàn)出反鐵磁取向，形成無外磁矩的閉合磁路。

需要說明的是，磁隧道結(jié)的電阻的變化與鐵磁材料的渦流損耗成反比，且在電極制備過程中引起的接觸電阻和線路電阻也是不可避免的，因而對電阻的測量對于器件的設(shè)計具有重要意義。我們采用四探針法完成磁電阻的測量，在被測樣品由Ag導(dǎo)電膠依次引出1,2,3,4四個電極點，為了消除引出電極點上接觸電阻對測量產(chǎn)生的影響在1，4之間通入電流，在2,3之間測量電壓。其中測量時所用的恒流源為Keithley 6221型，用來測量電壓的是SR 7280鎖相放大器。

需要說明的是，信息“電寫入”的實現(xiàn)是通過外加在PMN-PT上的電壓來改變自由層的磁化方向；所謂“磁讀”，是通過在PMN-PT上直接生長磁隧道結(jié)的方式測量其電阻的高低從而實現(xiàn)信息的讀出。選定超磁致伸縮薄膜層為自由層，選取矯頑力差異較大的鐵磁材料作為固定層，在電場的作用下首先實現(xiàn)超磁致伸縮材料內(nèi)部各向異性場的翻轉(zhuǎn)，從而使得兩鐵磁層相對磁化狀態(tài)從反鐵磁性渡越到鐵磁性，固定層的磁化狀態(tài)會被相鄰的反鐵磁層交換耦合作用導(dǎo)致的單向各向異性所釘扎而難以改變方向。因而固定層和自由層的磁化取向在平行和反平行狀態(tài)間發(fā)生變化，分別呈現(xiàn)低電阻和高電阻態(tài)。

本發(fā)明實施例提供一種電寫磁讀磁電存儲單元的制備方法，包括：

(1)采用分子泵將磁控濺射鍍膜設(shè)備的濺射室抽成真空狀態(tài)；

(2)在室溫下，采用磁控濺射鍍膜設(shè)備在襯底基片上通過濺射方式制備存儲單元的多層薄膜。

具體地，采用所述磁控濺射鍍膜設(shè)備在襯底基片上通過濺射方式制備存儲單元的多層薄膜，包括：

在厚度為500μm的Si/SiO₂襯底基片上濺射5nm厚的Mo作為底電極層薄膜；采用環(huán)氧樹脂膠在底電極層上黏合PMN-PT壓電單晶片作為壓電層薄膜；在壓電層上濺射2.4nm厚的TbFe₂作為自由層薄膜；在自由層上濺射10nm厚的MgO作為非磁隔離層薄膜；在非磁隔離層濺射TbFe₂作為固定層薄膜；在固定層上濺射5nm厚的Ta作為頂電極層薄膜。

需要說明的是，在厚度為500μm的Si/SiO₂襯底基片上濺射5nm厚的Mo作為底電極層薄膜，包括：

采用600L/s分子泵將磁控濺射鍍膜設(shè)備的濺射室氣壓抽至10^-4Pa；向濺射室充入Ar氣，使濺射室的氣壓為0.5Pa；在所述濺射室內(nèi)的Si/SiO₂襯底基片上濺射10min的Mo作為預(yù)濺射底電極薄膜；向濺射室充入Ar氣，通過流量控制計控制進(jìn)入濺射室的Ar氣為35sccsm；在預(yù)濺射底電極薄膜上濺射5nm厚的Mo作為底電極薄膜。

需要說明的是，磁控濺射鍍膜設(shè)備采用沈陽聚智公司生產(chǎn)的JZCK450-3C型多靶真空射頻磁控濺射設(shè)備，實驗中用到的基片和靶材包括Si/SiO₂基片、PMN-PT基底晶片、99.99％MgO靶、99.99％TbFe₂靶、99.99％Mo靶和99.99％Ta靶。

需要說明的是，在磁隧道結(jié)的制備中關(guān)鍵在于能否制備出高質(zhì)量的均勻絕緣勢壘層，絕緣層太厚(大于10nm)無法實現(xiàn)自旋電子的遂穿且可能導(dǎo)致自旋反向，致使磁電阻效應(yīng)弱化；絕緣層太薄(小于5nm)容易出現(xiàn)針孔、非連續(xù)性等缺陷，從而引起鐵磁層間的復(fù)連通或短路，也會導(dǎo)致磁電阻效應(yīng)的消失，因此，在鐵磁層上濺射10nm的MgO作為絕緣勢壘層。最后，為了保護(hù)所生長的TbFe2，濺射一層5nm的Ta作為保護(hù)層的同時也作為上電極。在磁控濺射制備樣品的過程中，系統(tǒng)溫度基本維持在室溫并能保證樣品成分的可靠性。

需要說明的是，在材料的表征方面，電滯回線的測量采用美國Radiant公司生產(chǎn)的Premier II型鐵電材料分析儀。通常壓電單晶材料的應(yīng)變隨所施加電場的變化呈現(xiàn)蝴蝶型滯回曲線，且該應(yīng)變一般在450ppm左右，因而壓電性的表征采用光學(xué)的方法進(jìn)行測量。在壓電單晶的振動端面上貼上反射膜(Reflective Tape)，后借助德國Polytec公司生產(chǎn)的OFV-505/5000型激光測振儀，將激光傳感頭產(chǎn)生的波長為633nm的He-Ne激光束垂直射在反射膜上獲取微位移電壓信號。壓電單晶的晶體取向和質(zhì)量用德國生產(chǎn)的Bruker D8Advance型X射線衍射分析儀進(jìn)行表征。磁電異質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu)界面情況和生長質(zhì)量采用日本生產(chǎn)的JSM-2100(UHR)型高分辨率透射電子顯微鏡(HRTEM)表征。采用英國Durham公司生產(chǎn)的NanoMOKE3型超高靈敏度磁光克爾效應(yīng)測量系統(tǒng)完成對磁性薄膜磁性質(zhì)以及磁疇微結(jié)構(gòu)的表征。

綜上所述，本發(fā)明實施例提供的一種電寫磁讀磁電存儲單元及制備方法，采用具有明顯磁滯和剩磁的磁致伸縮材料與非磁材料構(gòu)成磁隧道結(jié)，由于磁致伸縮材料具有較大的各向異性場的存在，利用外加電場的方式實現(xiàn)對磁隧道結(jié)中各向異性內(nèi)部場的翻轉(zhuǎn)調(diào)控，擺脫了傳統(tǒng)磁電存儲單元需要外加偏置磁場進(jìn)行輔助電控磁性的束縛，從而減小了存儲單元體積，提高了信噪比，以及提高了存儲密度。

以上公開的僅為本發(fā)明的幾個具體實施例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。