专利名称：一种可电场调节磁电阻的自旋阀结构及其制备工艺的制作方法
技术领域：
本发明属于磁存储技术领域，提供了一种可电场调控自旋阀结构。这种以多铁性 材料为反铁磁层的自旋阀结构，通过施加外电场可以改变反铁磁层的电域方向，而由于多 铁性材料的磁电耦合效应，其磁域方向也会发生变化，从而引起钉扎层磁域的变化，来改变 整个自旋阀的磁电阻状态。这种磁电信号的相互触发与控制，不仅有助于传感器及磁存储 器件多功能化，更有望以此为基础发展新的原型器件，使超高速率的电写入、磁读出成为可 能。
背景技术：
铁磁材料(ferromagnetics)具有自发磁矩，且其可以随外加磁场变化而翻转(开 关)，从而实现信息存储。现代电子产业，包括计算机等，广泛使用磁存储技术。而在工业生 产等领域非常重要的传感器技术则主要基于铁电材料。铁电材料(ferroelectrics)具有 自发电极化，这一电极化可以随外加电场变化而翻转(开关)。很多铁电材料同时也是铁弹 材料(ferroelastics)，其电极化的改变通常伴随着形状(或晶格常数)的变化，因此被广 泛应用于传感器或声波换能器等方面。就信息记录和读取来说，磁记录读取速度快但写入 慢，铁电记录读取复杂但写入速度快，并且具有非挥发性。而且随着科学技术的进步，人们 对于器件小型化和多功能化得要求越来越高，这就需要发展新的材料以研制新型器件。多 铁性材料(multiferroics)和磁电耦合效应(magnetoelectric effect)的发现为我们提 供了一个非常好的解决方案。仅就目前的预测来看，多铁性材料在传感器、自旋电子学等领域有广阔的应用前 景。最简单和直接的应用是利用电极化(电压)对外加磁场的敏感性来制作磁场传感器，而 其逆过程外加电场或电极化的改变对系统磁矩的影响，似乎更具吸引力。Ramesh等提出可 以利用反铁磁对铁磁的磁钉扎来实现对这一效应的观测。他们指出可以在反铁磁的多铁性 材料薄膜上生长一层软磁材料结构，利用磁交换偏置钉扎效应，外加电场导致反铁磁多铁 性材料磁矩改变，由此导致软铁磁层磁化方向改变，从而实现信息的读取[Ramesh R.，and Spaldin Α. N. , Nature Mater. 6 :21-29 (2007) ] 现有的多铁性材料为数不多，且大都是铁 电反铁磁，所以可用多铁性材料取代传统自旋阀的反铁磁层，利用其磁电耦合效应和磁交 换偏置钉扎效应，可以实现通过施加外电场改变整个自旋阀的电阻状态，即对整个自旋阀 进行电场调控。BiFeO3是唯一被证实具有室温多铁性的材料，室温下呈反铁磁有序(奈尔温度为 3800C )和铁电有序(居里温度为 810°C ) [Wang J.，Neaton J. B.，Zheng H.，Nagarajan V. , Ogale S. B. , Liu B. , Viehland D. , Vaithyanathan V. , Schlom D. G. , Waghmare U. V., Spaldin N. A.，Rabe K. Μ, Wuttig Μ, and Ramesh R. , Science 299，1719 Q003)]，但是 BFO 在室温下大的漏导和低的阻抗值使得其只能够在较低的温度下观察到磁电效应。近年来 薄膜制备技术的进步极大减小了 BWeO3在室温下的漏导，从而在室温下观测到比较强的 磁电效应。另外BWeO3与其他ABO3型钙钛矿结构的铁电材料进行固熔或掺杂改性，也被证明可以增强磁电效应[Srinivas A.，Kim D. W.，and Hong K. S.，Appl. Phys. Lett. 83， 2217 (2003) ]0而这些都预示着利用Bii^eO3或以Bii^eO3为基础的多铁性材料，对自旋阀进 行电场调控的可行性。
发明内容
本发明目的在于提供一种新型自旋阀结构，它将具有磁场和电场两种调控手段。 结构中的反铁磁层采用多铁性材料，利用其磁电耦合效应，通过施加外电场来改变反铁磁 层的磁域方向，进而改变钉扎层磁域方向，达到调节整个自旋阀高低两种电阻态的目的。本发明的反铁磁层以及自旋阀结构通过常规的薄膜沉积设备(例如激光脉冲沉 积、磁控溅射等等)制备而成。本发明的基本结构为五层薄膜从底往上第一层为多铁性材料反铁磁层，厚度约为30 320纳米。从底往上第二层为钉扎层Co9t^eltl，厚度为2 10纳米。从底往上第三层为非磁层Cu，厚度为2 10纳米。从底往上第四层为自由层Co9t^eltl，厚度为2 10纳米。从底往上第五层为保护层Ta，厚度为10纳米。进一步的，所述第一层多铁性反铁磁层优选为Bii^03。上述的具体制作工艺如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt层作为底电极，大 小为10*10 (mm2)；激光脉冲沉积生长多铁性反铁磁层，激光能量为300mJ，频率为5Hz，沉 积时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 750°C，退火氧气压为20 300Pa， 退火时间30分钟；磁控溅射生长自旋阀结构，溅射室本底真空度为2X10_5Pa，溅射时氩气 (99. 99% )压为0. 5Pa，基片用循环水冷却。进一步的，所述第一层多铁性反铁磁层优选为Bi2i^Cr06。上述的具体制作工艺如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt层作为底电极，大 小为10*10 (mm2)；激光脉冲沉积生长多铁性反铁磁层，激光能量为300mJ，频率为5Hz，沉 积时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 700°C，退火氧气压为20 300Pa， 退火时间30分钟；磁控溅射生长自旋阀结构，溅射室本底真空度为2X10_5Pa，溅射时氩气 (99. 99% )压为0. 5Pa，基片用循环水冷却。进一步的，所述第一层多铁性反铁磁层优选为复合多铁材料 BiFeO3-Ba0.5Sr05Ti03。上述的具体制作工艺如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt层作为底电极，大 小为10*10(mm2)；激光脉冲沉积生长B^5Sra5TiO3层，激光能量为220mJ，频率为5Hz，沉积 时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 700°C，退火氧气压为20 300Pa，退火 时间30分钟；然后激光脉冲沉积生长多铁性反铁磁层，激光能量为300mJ，频率为5Hz，沉 积时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 700°C，退火氧气压为20 300Pa， 退火时间30分钟；磁控溅射生长自旋阀结构，溅射室本底真空度为2X10_5Pa，溅射时氩气 (99. 99% )压为0. 5Pa，基片用循环水冷却。本发明的优点在于只需要对多铁性反铁磁层施加一个很小的电压，就可以使反 铁磁层磁域发生变化，而改变钉扎层磁域方向，使整个自旋阀的电阻发生改变。
图1为本发明的结构示意图。 图2为本发明的电阻值随所施加的外电场的变化而出现高低两种状态。图3为本发明样品1在未施加外电场情况下，所测量的磁电阻。图4为本发明样品1在施加+0. 5V电压10分钟后，所测量的磁电阻。图5为本发明样品1在施加-0. 5V电压10分钟后，所测量的磁电阻。图6为本发明样品2在施加+0. 5V电压10分钟后，所测量的磁电阻。图7为本发明样品2在施加-0. 5V电压10分钟后，所测量的磁电阻。图8为本发明样品3在施加+0. 5V电压10分钟后，所测量的磁电阻。图9为本发明样品3在施加-0. 5V电压10分钟后，所测量的磁电阻。
具体实施例方式申请人:根据上述结构，分别利用激光脉冲沉积和磁控溅射系统生长了新的自旋阀 结构样品1 以多铁性材料BiFeO3为反铁磁层，采用激光脉冲沉积法沉积在基片上，然 后用磁控溅射原位生长自旋阀。上述结构的详细制备工艺为采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si 基片，Pt层作为底电极，大小为10*10(mm2)；激光脉冲沉积生长多铁性反铁磁层，激光能量 为300mJ，频率为5Hz，沉积时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 750°C，退火 氧气压为20 300Pa，退火时间30分钟；磁控溅射生长自旋阀结构，溅射室本底真空度为 2X10_5Pa，溅射时氩气(99.99%)压为0. 5Pa，基片用循环水冷却。各层厚度分别为多铁 性材料BiFeO3厚度200纳米，钉扎层Co9tlFeltl厚度为5纳米，非磁层Cu厚度为5纳米，自由 层Co9tlFeltl厚度为3纳米，保护层Ta，厚度为10纳米。样品2 以多铁性材料Bi2FeCrO6*反铁磁层，采用激光脉冲沉积法沉积在基片上， 然后用磁控溅射原位生长自旋阀。上述结构的详细制备工艺为采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si 基片，Pt层作为底电极，大小为10*10(mm2)；激光脉冲沉积生长多铁性反铁磁层，激光能量 为300mJ，频率为5Hz，沉积时氧气(99. 99% )压为0. 8 lOPa，温度为650 700°C，退火 氧气压为20 300Pa，退火时间30分钟；磁控溅射生长自旋阀结构，溅射室本底真空度为 2X10_5Pa，溅射时氩气(99.99%)压为0. 5Pa，基片用循环水冷却。各层厚度分别为多铁 性材料Bi2FeCrO6厚度160纳米，钉扎层Co9tlFeltl厚度为5纳米，非磁层Cu厚度为5纳米，自 由层Co9tlFeltl厚度为3纳米，保护层Ta，厚度为10纳米。样品3 以多铁性复合材料BiFeO3-Baa5Sra5TiO3为反铁磁层，采用激光脉冲沉 积法沉积在基片上，然后用磁控溅射原位生长自旋阀。上述结构的详细制备工艺为采 用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt层作为底电极，大小为10*10 (mm2)；激光脉冲沉积生长 Baa5Sra5TiO3层，激光能量为220mJ，频率为5Hz，沉积时氧气(99. 99% )压为0. 8 IOPa, 温度为650 700°C，退火氧气压为20 300Pa，退火时间30分钟；然后激光脉冲沉积生长 多铁性反铁磁层，激光能量为300mJ，频率为5Hz，沉积时氧气(99. 99% )压为0. 8 lOPa， 温度为650 700°C，退火氧气压为20 300Pa，退火时间30分钟；磁控溅射生长自旋阀 结构，溅射室本底真空度为2X10_5Pa，溅射时氩气(99. 99% )压为0. 5Pa，基片用循环水冷却。各层厚度分别为复合多铁材料Bii^O3-BEia5Sra5TiO3厚度320纳米，钉扎层Co9tlFeltl厚 度为5纳米，非磁层Cu厚度为5纳米，自由层Co9tlFeltl厚度为3纳米，保护层Ta，厚度为10 纳米。 对于制备好的样品，我们分别在基片的Pt层和最顶层Ta层引入电极，使用稳压源 提供电压，持续时间10分钟，测量样品的磁电阻。经过测量，所有样品在施加不同电压后都 可以测量出磁电阻，而且磁电阻产生了一定的变化，体系整体电阻值也会出现高低不同的 状态，表明外加电场通过多铁性反铁磁层，对于整个自旋阀起到调制作用。
权利要求
1.一种可电场调节磁电阻的自旋阀结构，其特征在于，具体结构为从底往上第一层为多铁性反铁磁层，厚度为30 320纳米；从底往上第二层为钉扎层CoJ7eitl,厚度为2 10纳米；从底往上第三层为非磁层Cu，厚度为2 10纳米；从底往上第四层为自由层Co9t^eltl,厚度为2 10纳米；从底往上第五层为保护层Ta，厚度为10纳米。
2.根据权利要求1所述的自旋阀结构，其特征在于所述第一层多铁性反铁磁层为BWe03。
3.根据权利要求1所述的自旋阀结构，其特征在于所述第一层多铁性反铁磁层为BifeCrCV
4.根据权利要求1所述的自旋阀结构，其特征在于所述第一层多铁性反铁磁层为复合多铁材料Bii^eO3-Biia5Sra5TiO3tj
5.如权利要求2所述的自旋阀结构制备工艺，步骤如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt层作为底电极，大小为10*10 (mm2)；激光脉冲沉积 生长多铁性反铁磁层，激光能量为300mJ，频率为5Hz，沉积时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 750°C，退火氧气压为20 300Pa，退火时间30分钟；磁控溅射生长自 旋阀结构，溅射室本底真空度为2X10_5Pa，溅射时氩气(99. 99%)压为0. 5Pa，基片用循环 水冷却。
6.如权利要求3所述的自旋阀结构制备工艺，步骤如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt层作为底电极，大小为10*10 (mm2)；激光脉冲沉积 生长多铁性反铁磁层，激光能量为300mJ，频率为5Hz，沉积时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 700°C，退火氧气压为20 300Pa，退火时间30分钟；磁控溅射生长自 旋阀结构，溅射室本底真空度为2X10_5Pa，溅射时氩气(99. 99%)压为0. 5Pa，基片用循环 水冷却。
7.如权利要求4所述的自旋阀结构制备工艺，步骤如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt层作为底电极，大小为10*10 (mm2)；激光脉冲沉积 生长BEia5Sra5TiO3层，激光能量为220mJ，频率为5Hz，沉积时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 700°C，退火氧气压为20 300Pa，退火时间30分钟；然后激光脉冲沉 积生长多铁性反铁磁层，激光能量为300mJ，频率为5Hz，沉积时氧气(99. 99% )压为0. 8 10Pa，温度为650 700°C，退火氧气压为20 300Pa，退火时间30分钟；磁控溅射生长自 旋阀结构，溅射室本底真空度为2X 10-5 ，溅射时氩气(99. 99%)压为0. 5Pa，基片用循环 水冷却。
全文摘要
一种通过电场方式调节磁电阻的自旋阀结构，其特征在于以多铁性材料取代传统自旋阀中的反铁磁层，制备出多铁性反铁磁层\钉扎层\非磁层\自由层的自旋阀结构，通过反铁磁层来对整个自旋阀的磁电阻进行调控。本发明还公开了上述结构的制备工艺。本发明的优点在于传统自旋阀的调节方式为通过外磁场改变自由层的磁域方向，实现对磁电阻两种状态的调控，而我们的自旋阀则利用多铁性材料的磁电耦合效应，通过施加外电压改变电域方向进而改变其磁域方向，来影响钉扎层的磁域方向，实现对磁电阻两种状态的调控，即可被电场读写的磁性自旋阀。
文档编号H01F41/18GK102129863SQ20101060878
公开日2011年7月20日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者姜勇, 张德林, 张欣, 徐晓光, 苗君 申请人:北京科技大学