本發(fā)明屬于磁性器件制備，更具體地，涉及一種基于ga基超室溫范德華鐵磁材料的電控磁性器件及制備方法。

背景技術(shù)：

1、鐵磁材料在現(xiàn)代生活中具有廣泛的應(yīng)用前景，如生物醫(yī)療和信息存儲(chǔ)。但是，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也對(duì)鐵磁材料及其構(gòu)成的自旋電子器件提出了更高的要求。不同于傳統(tǒng)的三維鐵磁材料，近幾年發(fā)現(xiàn)的二維范德華鐵磁材料如cri3、cr2ge2te6、fengete2(n＝3,4,5)、crte2是一類兼具范德華晶體結(jié)構(gòu)和鐵磁性的功能材料，它們具有原子級(jí)平坦的二維表面，有利于構(gòu)筑各種具有高質(zhì)量界面的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)各種新型電控磁性器件，這些器件有望用于下一代存儲(chǔ)芯片和計(jì)算芯片。但是，目前已知的范德華鐵磁材料要么居里溫度較低，要么室溫綜合鐵磁性能較差，因此都難以在室溫下實(shí)際應(yīng)用。這一缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了基于電控磁性器件的下一代低功耗、高性能的存儲(chǔ)芯片和計(jì)算芯片的發(fā)展。

2、本研究團(tuán)隊(duì)之前申請(qǐng)的專利(申請(qǐng)公布號(hào)cn?115354396?a)公開了ga基范德華室溫鐵磁晶體材料、制備與應(yīng)用，但是該專利所述的ga基范德華室溫鐵磁晶體材料的居里溫度最高為367k，無法完全滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。本研究團(tuán)隊(duì)之前申請(qǐng)的另一個(gè)專利(申請(qǐng)公布號(hào)cn?115867113?a)公開了基于ga基二維鐵磁體異質(zhì)結(jié)的自旋軌道矩器件及制備方法，但是該專利所述的最低臨界電流密度最低為1×104a/cm2量級(jí)，功耗仍然較高不能滿足部分應(yīng)用的使用要求，且器件功能單一，與本專利所述的器件結(jié)構(gòu)和功能均不一致。由此可知，制備具有超室溫居里溫度、大飽和磁化強(qiáng)度的二維范德華鐵磁材料，并以其為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)能在室溫下工作的新型超低功耗電控磁性器件仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決上述問題而提供的一種基于ga基超室溫范德華鐵磁材料的電控磁性器件，利用本發(fā)明可以制備出一種高性能、低功耗的電控磁性器件。本發(fā)明制備的電控磁性器件基于雙層金屬電極(cr/au、cr/ag、cr/cu、cr/al或cr/pt)、ga基超室溫范德華鐵磁材料fe3-agabtec(-4≤a<-2或2<a<3，0.01<b<3，0.01<c<5)或fe5-dgeegafteg(2<d<5，0.01<e<3，0.01<f<3，0.01<g<5)，非磁半導(dǎo)體(hbn、mgo、al2o3、sb2o3、bi2o3、hfo2、te、teo2、seo2、caf2、y2o3、laf3、fef2、fef3、baf2、tif4、alf3snf2或wskse2-k(其中0≤k≤2)，非磁柵介質(zhì)(hbn、in2se3、cuinp2s6、in2te3、hfxzr1-xo2(其中0≤x≤1)、mosyse2-y(其中0≤y≤2)或wszse2-z(其中0≤z≤2)。根據(jù)該發(fā)明制備的電控磁性器件在所使用的ga基超室溫范德華鐵磁材料的居里溫度(400～500k)以下實(shí)現(xiàn)高低組態(tài)的有效切換，臨界電流密度低至4a/cm2量級(jí)，極大地降低了功耗約4個(gè)數(shù)量級(jí)；此外，該電控磁性器件的室溫隧穿磁阻可以被柵極電壓(-20v～20v)或柵極電流(-100μa～100μa)有效地調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)幅度為30％～300％。本發(fā)明所述的一種基于ga基超室溫范德華鐵磁材料的電控磁性器件的制備方法工藝簡(jiǎn)單且工藝穩(wěn)定性良好，這一發(fā)明有望推動(dòng)基于新型ga基超室溫范德華鐵磁材料的超低電流可調(diào)的低功耗存儲(chǔ)芯片與計(jì)算芯片的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用。

2、根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種基于ga基超室溫范德華鐵磁材料的電控磁性器件，所述電控磁性器件為薄膜異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，包括自下而上的ga基超室溫范德華鐵磁材料、非磁半導(dǎo)體、ga基超室溫范德華鐵磁材料和非磁柵介質(zhì)；

3、所述電控磁性器件還包括第一電極、第二電極、第三電極和第四電極；所述第一電極和第二電極分別與上層ga基超室溫范德華鐵磁材料接觸；所述第三電極與下層的ga基超室溫范德華鐵磁材料接觸；所述第四電極與非磁柵介質(zhì)接觸；所述第一電極和第二電極用于施加脈沖電流，所述第一電極和第四電極用于通過施加?xùn)艠O電壓或柵極電流來調(diào)控器件的隧穿磁阻，所述第一電極和第三電極用于測(cè)量電壓。

4、優(yōu)選地，所述ga基超室溫范德華鐵磁材料為fe3-agabtec或fe5-dgeegafteg，其中-4≤a<-2或2<a<3，0.01<b<3，0.01<c<5，2<d<5，0.01<e<3，0.01<f<3，0.01<g<5。

5、優(yōu)選地，所述fe3-agabtec鐵磁材料和所述fe5-dgeegafteg鐵磁材料的居里溫度均為400～800k，所述fe3-agabtec鐵磁材料和所述fe5-dgeegafteg鐵磁材料在各自居里溫度以下表現(xiàn)出鐵磁性。

6、優(yōu)選地，所述非磁半導(dǎo)體為hbn、mgo、al2o3、sb2o3、bi2o3、hfo2、te、teo2、seo2、caf2、y2o3、laf3、fef2、fef3、baf2、tif4、alf3、snf2或wskse2-k(其中0≤k≤2)。

7、優(yōu)選地，所述非磁柵介質(zhì)為hbn、in2se3、cuinp2s6、in2te3、hfxzr1-xo2(其中0≤x≤1)、mosyse2-y(其中0≤y≤2)或wszse2-z(其中0≤z≤2)。

8、優(yōu)選地，所述第一電極、第二電極、第三電極和第四電極為雙層電極，各自獨(dú)立地選自鉻金雙層電極、鉻銀雙層電極、鉻銅雙層電極、鉻鋁雙層電極或鉻鉑雙層電極。

9、根據(jù)本發(fā)明另一方面，提供了任意一項(xiàng)電控磁性器件的制備方法，包括以下步驟：

10、(1)利用光刻技術(shù)在絕緣基底上繪制出第三電極的圖案；

11、(2)在步驟(1)得到的電極圖案上蒸鍍第三電極，然后剝離出第三電極；

12、(3)依次將ga基超室溫范德華鐵磁材料、非磁半導(dǎo)體、ga基超室溫范德華鐵磁材料和非磁柵介質(zhì)覆蓋在制作好的第三電極上；

13、(4)在步驟(3)得到的薄膜異質(zhì)結(jié)上利用光刻技術(shù)繪制出第一電極、第二電極和第四電極的圖案；

14、(5)在步驟(4)得到的電極圖案上蒸鍍第一電極、第二電極和第四電極，然后剝離出第一電極、第二電極和第四電極，即得到所述的基于ga基超室溫范德華鐵磁材料的電控磁性器件。

15、優(yōu)選地，所述覆蓋的方法為化學(xué)氣相輸運(yùn)法、化學(xué)氣相沉積法、分子束外延法、磁控濺射法或熱蒸發(fā)法。

16、優(yōu)選地，所述ga基超室溫范德華鐵磁材料為fe3-agabtec或fe5-dgeegafteg，其中-4≤a<-2或2<a<3，0.01<b<3，0.01<c<5，2<d<5，0.01<e<3，0.01<f<3，0.01<g<5。

17、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

18、(1)本發(fā)明一種基于ga基超室溫范德華鐵磁材料的電控磁性器件在所使用的ga基超室溫范德華鐵磁材料的居里溫度(400～500k)以下可以實(shí)現(xiàn)高低組態(tài)的有效切換，臨界電流密度為103～104a/cm2量級(jí)，低于目前已知的絕大部分電控磁化翻轉(zhuǎn)所需的臨界電流密度。

19、(2)本發(fā)明fe3-agabtec鐵磁材料的fe3-agabtec化合物以及所述fe5-dgeegafteg鐵磁材料的fe5-dgeegafteg化合物均含有化合價(jià)為零價(jià)的鐵原子和鐵原子之間高達(dá)0.07ev的強(qiáng)自旋交換耦合。

20、(3)本發(fā)明一種基于ga基超室溫范德華鐵磁材料的電控磁性器件在室溫下的隧穿磁阻可以通過柵極電壓(-20v～20v)或柵極電流(-100μa～100μa)有效地調(diào)控，調(diào)控范圍為30％～300％，最高值高于目前已知的所有范德華結(jié)構(gòu)的磁性隧道結(jié)的隧穿磁阻。

21、(4)本發(fā)明一種基于ga基超室溫范德華鐵磁材料的電控磁性器件的總厚度可以為5-500nm，其中各材料層的厚度任意可調(diào)。