纳米多层膜、场效应管、传感器、随机存储器及制备方法

专利名称：纳米多层膜、场效应管、传感器、随机存储器及制备方法
技术领域：
本发明属于铁电或多铁性材料领域，具体地说，涉及一种由电场驱动的有可逆电致电阻效应(Electroresistance effect, ER)的多层膜及其制备方法和用途。
背景技术：
电致电阻效应是材料的电阻在外加电场下产生明显的变化，表现为特有的电阻-电场曲线。利用这一效应可以通过调节外加电场来对材料的电阻进行调控。当外加电场为正或负向时，材料的电阻表现为高或低阻态。电致电阻效应的高、低电阻态正好对应电子信息中的“O”和“ I ”两个状态。为此利用该种电致电阻效应可以发展许多电子器件，如电场调制型场效应管、开关型电场传感器、电场驱动型随机存储器(Electric-field-switchingRandom Access Memory, ERAM)(简称电随机存储器)等电子器件。(参考文献S. Rizwan and X. F. Han*et al.,CPL Vol. 28, No. 10(2011) 107504)。一般而言将这种效应归因于非完全屏蔽的电荷在界面处产生的非对称的电势分布影响了电子的电导或隧穿电导。因此，基于该种电致电阻效应的电场驱动型随机存储器不同于基于相变理论的随机存储器(相变随机存储器，Phase-change Random Access Memory, PCRAM);不同于基于以铁电薄膜电容效应为基础的铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory,FeRAM);也不同于基于各种金属氧化物薄膜为存储介质单元及其导电通道(conductance filament channel)机制调控的电阻型随机存储器(Resistance Random Access Memory, RRAM)。目前铁电材料由于可电场调控的自发电极化以及其它独特的物理性质，逐渐地成为非易失性随机存储材料的一个重要的研究方向。然而其中最重要的一个方面是在铁电隧穿结中电极化反转造成的电阻的翻转。钙钛矿结构的铁电材料由于特有的电极化特性在非易失性存储器、焦热电探测器、开关型传感器等微电器件中的应用，逐渐重新引起大家的关注。如何在室温下获得较大的电致电阻效应是实现电致电阻效应在实际自旋电子学器件应用中重要关键技术。

发明内容
本发明的目的在于提出一种电场调控型纳米多层膜、电场调制型场效应管、开关型电场传感器及电场驱动型随机存储器及其制备方法。该电场调控型纳米多层膜具有显著的可逆电致电阻效应及其不同的电阻态。本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的为实现上述目的，本发明提出一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括底层；基片衬底；缓冲层绝缘势垒层导电层；
顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；基片衬底为铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；中间的绝缘势垒层为氧化物；顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化；通过在所述的底层和缓冲层(上下电极)之间施加电场，由于基片衬底(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。其中，所述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料。其中，所述纳米多层膜中，所述的导电层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。其中，所述纳米多层膜中，所述的非磁金属层由非磁金属或其合金组成，厚度为2-100nm ;所述的磁性金属层由磁性金属或其合金制成，厚度为2_100nm或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm ;所述的磁性金属层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非
磁性金属层/第二铁磁性层。其中反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 IOOnm0其中，所述纳米多层膜中，所述顶部覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。而且，本发明提供一种电场调制型纳米多层膜，由下至上依次包括基片衬底；底层；功能层；缓冲层；绝缘势垒层；导电层；顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；所述功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；所述缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性薄膜材料上施加电场；所述中间的绝缘势垒层为氧化物；所述顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化，通过在所述的底层和缓冲层(上下电极)之间施加电场，由于功能层(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。
其中，所述纳米多层膜中，所述的基片包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。其中，所述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料。其中，所述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜，可根据实际需要预先沉积种子层，用于优化与基片衬底的界面，改善铁电或多铁性纳米薄膜的晶体结构。其中，所述纳米多层膜中，所述导电层生长在 所述绝缘势垒层材料上面，其电导能够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。其中，所述纳米多层膜中，所述的导电层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。其中，所述纳米多层膜中，所述的非磁金属层由非磁金属或其合金组成，厚度为2-100nm ;所述的磁性金属层由磁性金属或其合金制成，厚度为2_100nm或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm ;所述磁性金属层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁
性金属层/第二铁磁性层。其中，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 IOOnm0其中，所述纳米多层膜中，所述顶部覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。而且，本发明再提出一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括底层；基片衬底；磁性层；顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；基片衬底为铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化，通过在所述的底层和顶部覆盖层(上下电极)之间施加电场，由于基片衬底(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。其中，所述纳米多层膜中，所述的基片包括铁电或多铁性材料衬底。其中，所述磁性层能够完美地生长在基片衬底材料上面，并能够通过磁电耦合与基片衬底发生相互作用。其中，所述纳米多层膜中，所述的磁性层由铁磁金属或其合金制成，厚度为2-100nm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2-100nm。其中，所述纳米多层膜中，所述的磁性层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层)/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁性金属层/第二铁磁性层。其中，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2 IOOnm0其中，所述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。而且，本发明再提出一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括
基片衬底；底层；功能层磁性层；顶部覆盖层；其中所述的基片衬底为非铁电或多铁性材料；所述底层为导电材料，作为下电极用于在功能层上施加电场；功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化；通过在所述的底层和顶部覆盖层(上下电极)之间施加电场，由于功能层(铁电或多铁性薄膜材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻金属和磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。其中，所述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料。其中，所述纳米多层膜中，所述的基片包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。其中，所述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜。其中，所述纳米多层膜中，所述磁性层生长在所述功能层的材料上面，并能够通过磁电耦合与功能层发生相互作用。其中，所述纳米多层膜中，所述的磁性层由铁磁金属或其合金制成，厚度为2-100nm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2_100nm。其中，所述纳米多层膜中，所述的磁性层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁性金属
层/第二铁磁性层。其中，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 IOOnm0其中，所述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。而且，本发明提供一种电场调制型纳米多层膜，由下至上依次包括
基片衬底；功能层；缓冲层；绝缘势垒层；导电层；顶部覆盖层；所述功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；所述中间的绝缘势垒层为氧化物；所述顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化；通过在所述的功能层两侧施加面内电场，由于功能层(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。其中，所述纳米多层膜中，所述的基片包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。其中，所述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜，可根据实际需要预先沉积种子层，用于优化与基片衬底的界面，改善铁电或多铁性纳米薄膜的晶体结构。其中，所述的缓冲层可以根据实际要求进行添加。其中，所述纳米多层膜中，所述导电层生长在所述绝缘势垒层材料上面，其电导能够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。其中，所述纳米多层膜中，所述的导电层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。其中，所述纳米多层膜中，所述的非磁金属层由非磁金属或其合金组成，厚度为2-100nm ;所述的磁性金属层由磁性金属或其合金制成，厚度为2_100nm或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm ;所述磁性金属层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁
性金属层/第二铁磁性层。其中，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。 其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 IOOnm0其中，所述纳米多层膜中，所述顶部覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。而且，本发明再提出一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括基片衬底；功能层；磁性层；顶部覆盖层；
其中所述的基片衬底为非铁电或多铁性材料；功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化；通过在所述的功能层两侧施加面内电场，由于功能层(铁电或多铁性薄膜材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻金属和磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。其中，所述纳米多层膜中，所述的基片包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。其中，所述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜。其中，所述纳米多层膜中，所述磁性层生长在所述功能层的材料上面，并能够通过磁电耦合与功能层发生相互作用。其中，所述纳米多层膜中，所述的磁性层由铁磁金属或其合金制成，厚度为2-100nm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2-100nm。其中，所述纳米多层膜中，所述的磁性层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁性金属
层/第二铁磁性层。
其中，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 IOOnm0其中，所述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。而且，本发明提出一种基于电致电阻效应的电场调制型场效应管，包括上述的电场调控型纳米多层膜。其中，通过在栅极施加不同的电压，在顶部覆盖层(或缓冲层)和底层之间形成一定的电场，另在源极和漏极之间施加一定的电压，由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下，多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同，既可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的电导或电阻值的大小。其中，也可以在功能层的两侧施加一定的电压，在功能层的两侧形成面内电场。由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同。因此，可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的电导或电阻值的大小。而且，本发明还提出一种基于电致电阻效应的开关型电场传感器、包括上述电场调控型纳米多层膜。其中，也可以在功能层的两侧施加一定的电压，在功能层的两侧形成面内电场。由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同。因此，可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的电导或电阻值的大小。而且，本发明还提出一种基于电致电阻效应的、即以电场调控的纳米器件为存储单兀的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory,ERAM)(简称电随机存储器)，包括上述电场调控型纳米多层膜。其中，也可以在功能层的两侧施加一定的电压，在功能层的两侧形成面内电场。由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同。因此，可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的电导或电阻值的大小。而且，本发明还提出上述的电场调控型纳米多层膜的制备方法，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)或气相化学反应沉积(MOCVD)等生长方法依次在基片衬底上沉积底层、缓冲层、绝缘势垒层、导电层及顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；基片衬底为铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；中间的绝缘势垒层为氧化物；顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化；通过在所述的底层和缓冲层(上下电极)之间施加电场，由于基片衬底(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。
而且，本发明还提出上述另一种电场调控型纳米多层膜的制备方法，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)或气相化学反应沉积(MOCVD)等生长方法依次沉积底层、功能层、缓冲层、绝缘势垒层、导电层及顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在功能层上施加电场；所述功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；所述缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性薄膜材料上施加电场；所述中间的绝缘势垒层为氧化物；所述顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化。通过在所述的底层和缓冲层(上下电极)之间施加电场，或在功能层的两侧施加面内电场，由于功能层(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。而且，本发明再提出一种上述电场调控型纳米多层膜的制备方法，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)或气相化学反应沉积(MOCVD)等生长方法在基片衬底上依次沉积底层、磁性层及顶部覆盖层；其中，所述底层为导电材料，作为下电极用于在基片衬底上施加电场，基片衬底为铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化。通过在所述的底层和顶部覆盖层(上下电极)之间施加电场，由于基片衬底(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。而且，本发明又提出一种电场调控型纳米多层膜的制备方法，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积(PLD)、分子束外延(MBE)、原子层沉积(ALD)或气相化学反应沉积(MOCVD)等生长方法依次在基片衬底上沉积底层、功能层、磁性层及顶部覆盖层；其中所述的基片衬底为非铁电或多铁性材料；所述底层为导电材料；作为下电极用于在功能层上施加电场；所述功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化。通过在所述的底层和顶部覆盖层(上下电极)之间施加电场，或在功能层的两侧施加面内电场，由于功能层(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。
本发明通过变化的电场对铁电或多铁性材料的电极化特性进行调制，影响和改变导电层的电导，进一步调控器件电阻的变化(即通过电场调控电阻的变化)，从而获得不同的电场对应不同的电阻态。


图Ia为本发明的纳米多层膜结构示意图；图 Ib 为结构 A B0L 1/SUB/B FL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP ；图 Ic 为结构 B SUB/B0L 2/FCL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP ；图 Id 为结构 C SUB/B0L 2/FCL/BFL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP ；图 Ie 为结构 D SUB/B0L 2/FCL/FM1/NM/FM2/AFM/CAP ；
·
图 If 为结构 E SUB/B0L 2/FCL/FM/AFM/CAP ；图 Ig 为结构 F SUB/B0L 2/FCL/FM1/NM/FM2/CAP ；图 Ih 为结构 G SUB/B0L 2/FCL/FM/CAP ；图 Ii 结构 H B0L 1/SUB/FM1/NM/FM2/AFM/CAP ；图 Ij 为结构 I :B0L 1/SUB/FM/AFM/CAP ；图 Ik 为结构 J B0L 1/SUB/FM1/NM/FM2/CAP ；图11 为结构 K B0L1/SUB/FM/CAP ；图2a为本发明实施例I的纳米多层膜的结构示意图；图2b为器件电阻R随外加电场E变化关系示意图。图3a本发明实施例2的纳米多层膜的结构示意图；图3b为中间导电层为磁性金属Co75Fe25的器件电阻R随外加电场E变化关系示意图；图3c为中间导电层为Co75Fe25，外加变化的电场E与纳米多层膜电阻R的测量结果示意图，并在测量的同时施加IkOe的磁场；图3d为中间导电层为5nm的Al膜，外加变化的电场E与纳米多层膜电阻R的测
量结果示意图；图3e为中间导电层为5nm的IrMn反铁磁合金薄膜，外加变化的电场E与纳米多层膜电阻R的测量结果示意图；图4a为根据本发明实施例3中以图Ia中的纳米多层膜结构为基础的电场调制型场效应管原理图；图4b为根据本发明实施例4中以图Ia中的纳米多层膜结构为基础的电场调制型场效应管原理图。图4c为根据本发明实施例5中以图Ia中的纳米多层膜结构为基础的电场调制型场效应管原理图。图4d为根据本发明实施例6中以图Ia中的纳米多层膜结构为基础的电场调制型场效应管原理图。图4e为根据本发明实施例7中以图Ia中的纳米多层膜结构为基础的电场调制型场效应管原理图。图4f为根据本发明实施例8中以图Ia中的纳米多层膜结构为基础的电场调制型场效应管原理图。图4g为根据本发明实施例13中以图Ia中的纳米多层膜结构为基础的电场调制型场效应管原理图。图4h为根据本发明实施例14中以图Ia中的纳米多层膜结构为基础的电场调制型场效应管原理图。图5a为根据本发明实施示例3为设计原理以图Ia中的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意图；图5b为根据本发明实施示例4为设计原理以图Ia 中的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意图；图5c为根据本发明实施示例5为设计原理以图Ia中的纳米器件为存储单元的电 场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意图；图5d为根据本发明实施示例6为设计原理以图Ia中的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意图；图5e为根据本发明实施示例7为设计原理以图Ia中的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意图；图5f为根据本发明实施示例8为设计原理以图Ia中的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意图。图5g为根据本发明实施示例13为设计原理以图Ia中的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理示意图。图5h为根据本发明实施示例14为设计原理以图Ia中的纳米器件为存储单元的 电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理示意图。
具体实施例方式本发明的目的在于提出一种电场调控型纳米多层膜、电场调制型场效应管、开关型电场传感器及电场驱动型随机存储器，以用来在室温下电场调控纳米多层薄膜中获得新型的可逆电致电阻效应，并实现可逆电致电阻效应在电子器件中的应用。该纳米多层膜由下至上依次包括底层、基片、底层、功能层、缓冲层、绝缘势垒层、中间导电层、覆盖层，其中所述中间导电层为磁性金属、磁性合金或者磁性金属复合层时，缓冲层和绝缘层可以根据实际需要选择性的添加。所述的中间导电层包括金属层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。所述金属层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层等。当所述的中间导电层非磁金属层或反铁磁性层时，缓冲层和绝缘势垒层必须添加，以便获得较高的信噪比。
本发明的第一个方面，提供一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括底层；基片衬底；缓冲层绝缘势垒层导电层；顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在基片衬底上施加电场；基片衬底为 铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；缓冲层为作为上电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；中间绝缘层为氧化物；顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化。通过在所述的底层和缓冲层(上下电极)之间施加电场，由于基片衬底(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。在上述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料；在上述纳米多层膜中，所述的基片包括铁电或多铁性材料衬底；在上述纳米多层膜中，所述的缓冲层能够改善基片衬底与多层膜的界面，可作为上电极用于在铁电或多铁性薄膜材料上施加电场；在上述纳米多层膜中，所述导电层能够完美地生长在绝缘势垒层上面，其电导能够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。在上述纳米多层膜中，所述的导电层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等；在上述纳米多层膜中，所述的非磁金属层由非磁金属或其合金组成，厚度为2-100nm ；在上述纳米多层膜中，所述的中间导电层是为导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料组成。在上述纳米多层膜中，所述的磁性金属层由磁性金属或其合金制成，厚度为2-100nm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2_100nm。在上述纳米多层膜中，所述的磁性金属层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/铁磁性层(FM);间接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/第一铁磁性层(FMl)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性层(FM2)。在上述纳米多层膜中，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。在上述纳米多层膜中，所述铁磁性层(FM)、第一铁磁性层(FMl)和第二铁磁性层(FM2)由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 lOOnm。在上述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。本发明的第二个方面，提供一种电场调制型纳米多层膜，由下至上依次包括基片衬底；
底层；功能层缓冲层绝缘势垒层导电层；顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在功能层上施加电场；功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；缓冲层作为 上电极用于在铁电或多铁性薄膜材料上施加电场；中间绝缘层为氧化物；顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化。通过在所述的底层和缓冲层(上下电极)之间施加电场。由于功能层(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。在上述纳米多层膜中，所述的基片包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。在上述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料。在上述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜，可根据实际需要预先沉积种子层，用于优化与基片衬底的界面，改善铁电或多铁性纳米薄膜的晶体结构。在上述纳米多层膜中，所述的缓冲层能够改善绝缘势垒层和功能层的界面，可作为上电极用于在铁电或多铁性薄膜材料上施加电场。在上述纳米多层膜中，所述导电层能够完美地生长在绝缘势垒层上面，其电导(电阻)够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。在上述纳米多层膜中，所述的导电层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。在上述纳米多层膜中，所述的非磁金属层由非磁金属或其合金组成，厚度为2_100nmo在上述纳米多层膜中，所述的中间导电层是为导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料组成。在上述纳米多层膜中，所述的磁性金属层由磁性金属或其合金制成，厚度为2-100nm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2_100nm。在上述纳米多层膜中，所述的磁性金属层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/铁磁性层(FM);间接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/第一铁磁性层(FMl)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性层(FM2)。在上述纳米多层膜中，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。在上述纳米多层膜中，所述铁磁性层(FM)、第一铁磁性层(FMl)和第二铁磁性层(FM2)由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 lOOnm。在上述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。
根据本发明的第三个方面，提供一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括底层基片衬底；磁性层；顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；基片衬底为铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化。通过在所述的底层和顶部覆盖层(上下电极)之间施加电场，由于基片衬底(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻的产生。在上述纳米多层膜中，所述的基片包括铁电或多铁性材料衬底。在上述纳米多层膜中，所述磁性层能够完美地生长在基片衬底材料上面，其电导能够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。在上述纳米多层膜中，所述的磁性层由铁磁金属或其合金制成，厚度为2-100nm;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm。
在上述纳米多层膜中，所述的磁性层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/铁磁性层(FM);间接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/第一铁磁性层(FMl)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性层(FM2)。在上述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料制成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。在上述纳米多层膜中，所述铁磁性层(FM)、第一铁磁性层(FMl)和第二铁磁性层(FM2)由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 lOOnm。在上述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。本发明的第四个方面，提供一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括基片衬底；底层；功能层磁性层；顶部覆盖层；其中所述的基片衬底为非铁电或多铁性材料；所述底层为导电材料；作为下电极用于在功能层上施加电场；功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化。通过在所述的底层和顶部覆盖层(上下电极)之间施加电场，由于功能层(铁电或多铁性薄膜材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻金属和磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。在上述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料。在上述纳米多层膜中，所述的基片包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。在上述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜。在上述纳米多层膜中，所述磁性层能够完美地生长在功能层的材料上面，其电导能够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。在上述纳米多层膜中，所述的磁性层由铁磁金属或其合金制成，厚度为2-100nm ；或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm。
·
在上述纳米多层膜中，所述的磁性层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/铁磁性层(FM);间接钉扎结构包括反铁磁性层(AFM)/第一铁磁性层(FMl)/非磁性金属层(NM)/第二铁磁性层(FM2)。在上述纳米多层膜中，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。在上述纳米多层膜中，所述铁磁性层(FM)、第一铁磁性层(FMl)和第二铁磁性层(FM2)由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 lOOnm。在上述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。本发明的第五个方面，提供一种电场调制型纳米多层膜，由下至上依次包括基片衬底；功能层；缓冲层绝缘势垒层；导电层；顶部覆盖层；所述功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；所述中间的绝缘势垒层为氧化物；所述顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化；通过在所述的功能层两侧施加面内电场，由于功能层(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。其中，所述纳米多层膜中，所述的基片包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。其中，所述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜，可根据实际需要预先沉积种子层，用于优化与基片衬底的界面，改善铁电或多铁性纳米薄膜的晶体结构。其中，所述的纳米多层膜中，所述的缓冲层可根据实际需求进行添加或去除。其中，所述纳米多层膜中，所述导电层生长在所述绝缘势垒层材料上面，其电导能够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。其中，所述纳米多层膜中，所述的导电层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。其中，所述纳米多层膜中，所述的非磁金属层由非磁金属或其合金组成，厚度为2-100nm ;所述的磁性金属层由磁性金属或其合金制成，厚度为2_100nm或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm ;所述磁性金属层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁
性金属层/第二铁磁性层。
其中，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 IOOnm0其中，所述纳米多层膜中，所述顶部覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。本发明的第六个方面，提出一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括基片衬底；功能层磁性层；顶部覆盖层；其中所述的基片衬底为非铁电或多铁性材料；功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化；通过在所述的功能层两侧施加面内电场，由于功能层(铁电或多铁性薄膜材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻金属和磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。其中，所述纳米多层膜中，所述的基片包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。其中，所述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜。其中，所述纳米多层膜中，所述磁性层生长在所述功能层的材料上面，并能够通过磁电耦合与功能层发生相互作用。其中，所述纳米多层膜中，所述的磁性层由铁磁金属或其合金制成，厚度为2-100nm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2_100nm。 其中，所述纳米多层膜中，所述的磁性层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁性金属
层/第二铁磁性层。其中，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2 IOOnm0其中，所述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。本发明的第七个方面，提供一种基于电致电阻效应的电场调制型场效应管。根据本发明第一、二、三、四方面所述的电场调控型纳米多层膜，通过在栅极施加不同的电压，在顶部覆盖层和底层之间形成一定的电场。另在源极和漏极之间施加一定的电压，由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下，多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同。因此，可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的电导或电阻值的大小。本发明的第八个方面，提供一种基于电致电阻效应的电场调制型场效应管。根据本发明第五、六方面所述的电场调控型纳米多层膜，可以在功能层的两侧施加一定的电压，从而在功能层的两侧形成面内电场。由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同。因此，可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的 电导或电阻值的大小。本发明的第九个方面，提供一种基于电致电阻效应的开关型电场传感器。根据本发明的第一、二、三、四方面所述的电场调控型纳米多层膜，使得当在外电场作用下，纳米多层膜的电致电阻会发生变化，从而对应的获得高低电阻输出特性。本发明的第十个方面，提供一种基于电致电阻效应的开关型电场传感器。根据本发明的第五、六方面所述的电场调控型纳米多层膜，使得当在外电场作用下，纳米多层膜的电致电阻会发生变化，从而对应的获得高低电阻输出特性。其中，也可以在功能层的两侧施加一定的电压，在功能层的两侧形成面内电场。由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同。因此，可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的电导或电阻值的大小。本发明的第十一个方面，提供一种基于电致电阻效应的、即以电场调控的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random AccessMemory，ERAM)(简称电随机存储器)。采用本发明的第一、二、三、四方面所述的电场调控型纳米多层膜。其中，本发明的第十二方面其中，提供一种基于电致电阻效应的、即以电场调控的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching RandomAccess Memory, ERAM)(简称电随机存储器)。采用本发明的第五、六方面所述的电场调控型纳米多层膜。其中，也可以在功能层的两侧施加一定的电压，在功能层的两侧形成面内电场。由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同。因此，可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的电导或电阻值的大小。本发明的第十三方面提出一种电场调控型纳米多层膜的制备方法，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积、分子束外延、原子层沉积或气相化学反应沉积生长方法依次沉积底层、缓冲层、绝缘势垒层、导电层及顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；基片衬底为铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；中间的绝缘势垒层为氧化物；顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化；通过在所述的底层和缓冲层之间施加电场，由于基片衬底的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。本发明的第十四方面提出另一种一种电场调控型纳米多层膜的制备方法，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积、分子束外延、原子层沉积或气相化学反应沉积生长方法在基片衬底上依次沉积底层、功能层、缓冲层、绝缘势垒层、导电层及顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在功能层上施加电场；所述功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；所述缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性薄膜材料上施加电场；所述中间的绝缘势垒层为氧化物；所述顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化，通过在所述的底层和缓冲层之间施加电场，或在功能层的两侧施加面内电场，由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。本发明的第十五方面提出又一种电场调控型纳米多层膜的制备方法，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积、分子束外延、原子层沉积或气相化学反应沉积生长方法在基片衬底上依次沉积底层、磁性层及顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；基片衬底为铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化，通过在所述的底层和顶部覆盖层之间施加电场，由于基片衬底的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻金属层(磁性层)的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。本发明的第十六方面提出再一种电场调控型纳米多层膜的制备方法，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积、分子束外延、原子层沉积或气相化学反应沉积生长方法在基片衬底上依次沉积底层、功能层、磁性层及顶部覆盖层；其中所述的基片衬底为非铁电或多铁性材料；所述底层为导电材料，作为下电极用于在功能层上施加电场；功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化；通过在所述的底层和顶部覆盖层之间施加电场，或在功能层的两侧施加面内电场，由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻金属层(磁性层)的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。图Ia示出根据本发明实施例的纳米多层膜，其由下至上依次包括底层102(简称为BOL I)、基片101 (简称为SUB)、底层103 (简称为BOL 2)、功能层104 (简称为FCL)、缓冲层105 (简称为BFL)、绝缘层106 (简称为ISO)、中间导电层107 (简称为ML)、覆盖层108(简称为CAP)。以下对各个层进行详细说明。基片101为铁电或多铁性衬底，或一般性衬底包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等。在上述的基片衬底中，基片101为铁电或多铁性衬底，包括Pb (Mgl73Nb273)O3-PbTiO3 (PMN-PT)、BiFeO3 (BFO)、BaTi03、Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-PbTiO3 (PZN-PT) 、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3(STO)、SrZrO3> SrTiZr03、Pr0 7Ca0 3MnO3^ BiMnO3 等铁电或多铁性衬底，厚度为 0. I Imm0在上述纳米多层膜中，所述的基片为一般性衬底，包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底等，厚度为0. I 1mm。在上述纳米多层膜中，底层102为导电金属层。该导电金属层一般米用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au 或其合金制作，厚度为 2. 0 IOOnm0在纳米多层膜中，底层103为导电金属层。该导电金属层一般米用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au 或其合金制作，厚度为 2. 0 IOOnm功能层为104为铁电或多铁性薄膜。该铁电或多铁性薄膜材料优选Pb (Mgl73Nb273)O3-PbTiO3(PMN-PT)、BiFeO3(BFO)、BaTiO3(BTO)、PbTiO3(PTO)、SrTiO3(STO)、SrZrO3^SrTiZrO3^ Pr0.7Ca0.3Mn03> BiMnO3等，厚度为5_500nm ;为了保证功能层比较好且和基片衬底结合较紧密，可以预先沉积SrRuO3、TiO2等种子层。缓冲层105—般采用导电性比较好且和衬底结合较紧密的非磁性金属层(包括单层或者多层)，其材料优选Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等,也可以是金属合金或金属 复合层，厚度可为2. 0 lOOnm。绝缘层106 —般为 AlOpMgCKMghZnxCKAlNJaA'MgAlOpZnCKMgSiOpSiOyHf^、Ti02、Alq3、LB 有机复合薄膜、GaAs> AlGaAs> InAs 等材料制作,优选 MgO、AlOx> MgZnO> AlN和Alq3、LB有机复合薄膜，厚度一般在为0. 5 10nm。中间导电层107是为铁磁性金属，或直接钉扎结构或间接钉扎结构。“直接钉扎”是指反铁磁材料层AFM直接和铁磁性层FM接触(简写为AFM/FM)，“间接钉扎”是指在二者之间插入复合层NM/FM(简写为FM1/NM/FM2/AFM)。在上述磁性层107中，铁磁金属包括自旋极化率比较高的铁磁性金属，优选Co、Fe、Ni ;或者这些铁磁性金属的合金薄膜，优选Co-Fe、Co-Fe-B, NiFeCr或Ni-Fe (如Ni81Fe19, Co75Fe25)等铁磁性合金，厚度为2. 0 IOOnm ;或者是诸如GaMnAs、Ga-Mn-N等稀磁半导体材料,或诸如 Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si、Co-Mn-Ge、Co-Mn-Ga, Co-Mn-Ge-Ga, LalxSrxMnO3^ La1^xCaxMnO3 (其中 0 < X < I)等半金属材料，厚度为2. 0 IOOnm0在上述磁性层107中，反铁磁性层AFM包括具有反铁磁性的合金材料，优选Pt-Mn、Ir-Mn, Fe-Mn和Ni_Mn，厚度为5 50nm ;或具有反铁磁性的氧化物，优选CoO、NiO,厚度为5 50nm。铁磁性层FM采用自旋极化率比较高的铁磁性金属，优选Co、Fe、Ni ;或者这些铁磁性金属的合金薄膜，优选 Co-Fe、Co-Fe-B> NiFeCr 或 Ni-Fe (如Ni81Fe19、Co75Fe25)等铁磁性合金，厚度为2. 0 IOOnm ;或者是诸如GaMnAs、Ga-Mn-N等稀磁半导体材料，或诸如 Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3(其中 0 < X < I)等半金属材料，厚度为 2. 0 lOOnm。插在铁磁性层FM和反铁磁性层AFM之间的超薄非磁性金属层匪一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au 或其合金制作，厚度为 0. I 5nm。在上述中间导电层是为导电性比较好的非磁性金属层(包括单层或者多层复合金属薄膜)。其材料优选 Ta、Cu、Ti、Ru、Au、Ag、Pt、Al、Cr、V、W、Nb 等，厚度为 2. 0 IOOnm0在上述中间导电层是为反铁磁性金属层。其材料优选IrMn、FeMn、PtMn、NiMn,厚度为5 50nm。或具有反铁磁性的氧化物，优选CoO、NiO等，厚度为5 50nm。在上述中间导电层是为导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。其材料优选Graphene、掺杂聚乙炔、Sb、Bi_Te、Bi_Se、Sb-Te等导电材料。
覆盖层108为不易被氧化且导电性比较好的的金属层(包括单层或者多层复合金属薄膜)，其材料优选Ta、Cu、Ti、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度为2. 0 200nm,用于保护核心结构不被氧化和腐蚀。因此，本发明的磁性纳米多层膜结构包括但不限于结构A B0L 1/SUB/B FL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP (图 lb);结构B SUB/B0L 2/FCL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP (图 lc)；结构C SUB/B0L 2/FCL/BFL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP (图 Id)；
结构D SUB/B0L 2/FCL/FM1/NM/FM2/AFM/CAP (图 le)；结构E SUB/B0L 2/FCL/FM/AFM/CAP (图 If)；结构F SUB/B0L 2/FCL/FM1/NM/FM2/CAP (图 lg)；结构G SUB/B0L 2/FCL/FM/CAP (图 lh)；结构H B0L 1/SUB/FM1/NM/FM2/AFM/CAP (图 li);结构I :B0L 1/SUB/FM/AFM/CAP (图 lj)；结构J B0L 1/SUB/FM1/NM/FM2/CAP (图 lk)；结构K B0L1/SUB/FM/CAP(图 11);示例I :在磁控溅射设备上以真空优于2 X 10_6Pa，沉积速率为0. 06nm/s，氩气压为0. 07Pa的条件，直接在(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底上生长5nm Co75Fe25作为磁性层。接着在5nm Co75Fe25磁性层上直接沉积6nm Ta作为顶部覆盖层，防止Co75Fe25磁性层的氧化。然后将得到的纳米多层膜放入磁控溅射设备，真空优于2X10_5Pa，沉积速率为10nm/min，氩气压为0. IPa,在6nm Ta覆盖层的顶部沉积IOOnm的Au膜，以备制备顶部电极。最后在
(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片的背部直接沉积IOnm Cr、IOOnmAu膜作为背部底层电极，以便施加电场。在接触电极和(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片下表面的Au膜之间施加(_8kV/cm)至8kV/cm的电场，如图2a所示；图2b为在接触电极和(001)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片下表面的Au膜之间施加外加变化的电场E与纳米多层膜的电阻的测量结果示意图。示例 2 在磁控溅射设备上以真空优于I X 10_6Pa，沉积速率为0. lnm/s,沉积时氩气压为0. 07Pa的条件，在(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片上沉积Ta(5nm)缓冲层(BFL)。然后在磁控溅射设备上以真空优于2X 10_6Pa，沉积速率为0. 07nm/s，氩气压为0. 07Pa的条件，直接在缓冲层Ta上沉积厚度为I. Onm的AlOx作为绝缘势垒层。接着在真空优于I X 10_6Pa，沉积速率为0. lnm/s，沉积氩气压为0. 07Pa的条件下，在I. Onm AlOx的绝缘势垒层上直接沉积5nm的磁性金属Co75Fe25 (或直接沉积5nm的非磁性金属Al,或沉积5nm的反铁磁性层IrMn)作为中间导电层。在(001)-PMN-PT铁电氧化物衬底下表面溅射IOnm Cr、100nm左右的Au，便于施加电场。在接触电极和(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片下表面的Au膜之间施加(_8kV/cm)至8kV/cm的电场。如图3a所示；图3b为中间导电层为Co75Fe25，外加变化的电场E与纳米多层膜电阻R的测量结果示意图；图3c为中间导电层为Co75Fe25，外加变化的电场E与纳米多层膜电阻R的测量结果示意图，并在测量的同时施加IkOe的磁场，以便测量分析纳米多层膜的电阻与外加变化的电场，以及外加固定磁场之间的关系。从图中可以看出仍然存在 260%的电阻变化关系。另外从测量结果可以分析出，所加的外磁场并没有对纳米多层膜的R-E曲线造成影响。说明该效应并非起源于磁相互作用。图3d为中间导电层为5nm的Al膜，外加变化的电场E与纳米多层膜电阻R的测量结果示意图。从图中可以看出仍然存在 100%的电阻变化。也从侧立面说明了该效应的并非来源于磁电相互作用。图3e为中间导电层为5nm的IrMn薄膜，外加变化的电场E与纳米多层膜电阻R的测量结果示意图。从图中可以看出仍然存在 44%的电阻变化。示例3 :按照示例I和2的方法，利用磁控溅射设备，在(OOl)-PMN-PT铁电基片衬底上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层AlOxInnu中间导电层Co75Fe255nm和顶部覆盖层Ta5nm。最后在(001)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片的背面沉积底层Au lOOnm。制作电极首先在制备的纳米多层膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在缓冲层Ta ;然后再次利用磁控溅射设备沉积绝缘层SiO2，绝缘层SiO2的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入 丙酮进行光刻胶的剥离；再一次重复以上光刻步骤，在制备的纳米多层膜的上面旋涂Ium厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在导电层Co75Fe25 ;然后再次利用磁控溅射设备沉积绝缘层SiO2，绝缘层SiO2的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次重复以上光刻步骤，在制备的纳米多层膜的上面旋涂Iu m厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在缓冲层Ta ;然后再次利用磁控溅射设备沉积Cr 5nm、Au 10nm，二者的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次利用磁控溅射设备，在剥离SiO2后的器件上面沉积Cr 10nm、AulOOnm ;再一次重复以上光刻步骤,在整个器件表面均勻旋涂I U m厚的S1813紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，最后将器件放入丙酮去除光刻胶，得到源极S、栅极g和漏极d。如图4a所示，场效应管的结构原理结构示意图。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压\，在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例4 :按照示例I和2的方法，利用脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延或磁控溅射设备，在Si/Si02衬底上沉积底层金属Cu 50nm,然后利用脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延或磁控溅射设备沉积功能层(001)-PMN-PT铁电氧化物(可根据技术要求预先生长种子层)，接着在PMN-PT铁电氧化物薄膜上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层A10xlnm、中间导电层Co75Fe255nm和顶部覆盖层Ta 5nm。制作电极首先在制备的纳米多层膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在缓冲层Ta ;然后再次利用磁控溅射设备沉积绝缘层SiO2，绝缘层SiO2的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次重复以上光刻步骤，在制备的纳米多层膜的上面旋涂Ium厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在导电层Co75Fe25 ;然后再次利用磁控溅射设备沉积绝缘层SiO2，绝缘层SiO2的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次重复以上光刻步骤，在制备的纳米多层膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在缓冲层Ta ;然后再次利用磁控溅射设备沉积Cr 5nm、Au 10nm，二者的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次利用磁控溅射设备，在剥离SiO2后的器件上面沉积Cr IOnm>Au IOOnm ;再一次重复以上光刻步骤,在整个器件表面均勻旋涂I U m厚的S1813紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，最后将 器件放入丙酮去除光刻胶，得到源极S、栅极g和漏极d。如图4b所示，场效应管的结构原理结构示意图。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压\，在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例5 :按照示例I和2的方法，利用磁控溅射设备，在(OOl) -PMN-PT铁电氧化物衬底基片上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层AlOxInnu中间导电层Co75Fe255nm和顶部覆盖层Ta 5nm。最后在(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片的背面沉积底层Au IOOnm0制作电极首先在制备的纳米多层膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在缓冲层Ta ;然后再次利用磁控溅射设备沉积绝缘层SiO2，绝缘层SiO2的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次利用磁控溅射设备，在剥离SiO2后的器件上面沉积AuIOOnm ;再一次重复以上光刻步骤，在整个器件表面均匀旋涂I U m厚的S1813紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，最后将器件放入丙酮去除光刻胶，得到源极S、栅极g和漏极d。如图4c所示，场效应管的结构原理结构示意图。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例6 :按照示例3方法，利用磁控溅射设备，在(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层AlOxInnu中间导电层Co75Fe255nm和顶部覆盖层Ta5nm。最后在(001)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片的背面沉积底层Au lOOnm。制作电极首先在制备的纳米多层膜的上面旋涂 I U m厚的ma-N440紫外光刻负胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在缓冲层Ta ;然后再次利用磁控溅射设备沉积绝缘层SiO2，绝缘层SiO2的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次重复以上光刻步骤，在整个器件表面均匀旋涂 Iym厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用使用等离子刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，即在绝缘层SiO2进行打孔，刻蚀深度至缓冲层Ta。然后将器件放入丙酮中去除光刻胶；再一次利用磁控溅射设备，在器件上面沉积Au IOOnm ;再一次重复以上光刻步骤，在整个器件表面均匀旋涂I U m厚的S1813紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，最后将器件放入丙酮去除光刻胶，得到源极S、栅极g和漏极d。如图4d所示，场效应管的结构原理结构示意图。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电 压\，在源极和漏极之间施加Vds，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例7 :按照示例I和2的方法，利用脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延或磁控溅射设备，在Si/Si02衬底上沉积底层金属Cu 50nm,然后利用脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延或磁控溅射设备沉积功能层(OOl)-PMN-PT铁电氧化物(可根据技术要求预先生长种子层)，接着在PMN-PT铁电氧化物薄膜上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层A10xlnm、中间导电层Co75Fe255nm和顶部覆盖层Ta 5nm。制作电极首先在制备的纳米多层膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在缓冲层Ta ;然后再次利用磁控溅射设备沉积绝缘层SiO2，绝缘层SiO2的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次利用磁控溅射设备，在剥离SiO2后的器件上面沉积AuIOOnm ;再一次重复以上光刻步骤，在整个器件表面均匀旋涂I U m厚的S1813紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，最后将器件放入丙酮去除光刻胶，得到源极S、栅极g和漏极d。如图4e所示，场效应管的结构原理结构示意图。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例8 :按照示例I和2的方法，利用脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延或磁控溅射设备，在Si/Si02衬底上沉积底层金属Cu 50nm,然后利用脉冲激光沉积(PLD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延或磁控溅射设备沉积功能层(OOl)-PMN-PT铁电氧化物(可根据技术要求预先生长种子层)，接着在PMN-PT铁电氧化物薄膜上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层AlOxInnu中间导电层Co75Fe255nm和顶部覆盖层Ta 5nm。制作电极首先在制备的纳米多层膜的上面旋涂 I U m厚的ma-N440紫外光刻负胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子干法刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，刻蚀深度截止在缓冲层Ta ;然后再次利用磁控溅射设备沉积绝缘层SiO2，绝缘层SiO2的厚度基本能够将刻蚀区域填平；然后将制备的器件放入丙酮进行光刻胶的剥离；再一次重复以上光刻步骤，在整个器件表面均匀旋涂 I Pm厚的ma-N440紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用使用等离子刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，即在绝缘层SiO2进行打孔，刻蚀深度至缓冲层Ta。然后将器件放入丙酮中去除光刻胶；再一次利用磁控溅射设备，在器件上面沉积Au IOOnm ;再一次重复以上光刻步骤，在整个器件表面均匀旋涂I U m厚的S1813紫外光刻胶，利用预先制备的光刻板和紫外曝光机进行曝光处理；对紫外曝光后的光刻胶进行显影、定影；使用等离子刻蚀法进行刻蚀没有光刻胶覆盖的区域，最后将器件放入丙酮去除光刻胶，得到源极S、栅极g和漏极d。如图4f 所示，场效应管的结构原理结构示意图。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压Ve，在源极和漏极之间施加Vds，通过不同的电压对源极和 漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例9 :按照示例3方法，利用磁控溅射设备，在(001) -PMN-PT铁电氧化物衬底基片上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层A10xlnm、中间导电层Al 5nm和顶部覆盖层Ta 5nm。最后在(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片的背面沉积底层IOnm Cr、Au lOOnm。利用示例3中的微加工方法，制备场效应管的源极S、栅极g和漏极d。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压\，在源极和漏极之间施加Vds，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例10 :按照示例3方法，利用磁控溅射设备，在(001) -PMN-PT铁电氧化物衬底基片上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层A10xlnm、中间导电层Al 5nm和顶部覆盖层Ta 5nm。最后在(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片的背面沉积底层IOnm Cr,Au lOOnm。利用示例4中的微加工方法，制备场效应管的源极S、栅极g和漏极d。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压\，在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例11 :按照示例3方法，利用磁控溅射设备，在(001) -PMN-PT铁电氧化物衬底基片上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层AlOxInnu中间导电层IrMn 5nm和顶部覆盖层Ta5nm。最后在(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片的背面沉积底层IOnm Cr、Au lOOnm。利用示例3中的微加工方法，制备场效应管的源极S、栅极g和漏极d。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压\，在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例12 :按照示例3方法，利用磁控溅射设备，在(001) -PMN-PT铁电氧化物衬底基片上依次沉积缓冲层Ta 5nm、绝缘层AlOxInnu中间导电层IrMn 5nm和顶部覆盖层Ta5nm。最后在(OOl)-PMN-PT铁电氧化物衬底基片的背面沉积底层IOnm Cr、Au lOOnm。利用示例4中的微加工方法，制备场效应管的源极S、栅极g和漏极d。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压\，在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例13 :按照示例4方法，利用磁控溅射设备，在Si/Si02衬底基片上依次沉积沉积功能层(001)-PMN-PT铁电氧化物、氧化物绝缘层AlOxInnu导电层Co75Fe255nm和覆盖层Ta5nm。利用一定的微加工方法,制备场效应管的源极S、栅极g和漏极d,如图4g所示。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例14 :按照示例4方法，利用磁控溅射设备，在Si/Si02衬底基片上依次沉积沉积功能层(OOl)-PMN-PT铁电氧化物、磁性层Co75Fe255nm和覆盖层Ta5nm。利用一定的微加工方法，制备场效应管的源极S、栅极g和漏极d，如图4h所示。按照示例I和2中的测试方法，在栅极g上施加变化的电压\，在源极和漏极之间施加VDS，通过不同的电压对源极和漏极之间的电阻进行调制，从而获得不同的漏极电流，即获得输出特性曲线。示例15 图5a是本发明实施例13基于可逆电致电阻效应的电阻随机存储器单元的原理示
意图。从图中可以看出，该存储单元包括电致电阻纳米器件、字线(word line)、读位线(bitline)、写位线(digit line)、地线(ground line)和 I 个晶体管。在ERAM的寻址读出操作中，首先由被选择的字线word line给出一个适当的电平使晶体管工作于导通状态，然后由被选择的读位线bit line相应地导出一个读出电流，该读出电流 ImA,经由纳米存储单元的漏极、源极、晶体管到达地线ground line,从而获得当前纳米存储单元电阻大小，同预先标准值进行比较，得到ERAM单元中存储的数据信息。在ERAM的寻址写入操作中，首先由被选择的字线word line给出一个适当的电平使晶体管工作于导通状态，然后由被选择的写位线digit line施加一个较大的电压(该电压大于电阻的临界翻转电压Vtl),这样就在栅极和底层之间形成电场，由于电致电阻效应，就可以实现纳米存储单元的高低阻态的变化，这样就完成了对ERAM存储单元数据的写入。以上ERAM存储单元是根据示例3设计原理为基础进行设计，那么同样可以根据示例4、5、6、7、8、13、14的设计原理进行设计ERAM存储单元，如图5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h。根据示例4、5、6、7、8、13、14的设计原理为基础设计的ERAM存储单元，工作原理同图5a中存储单元类似。其中图5b、5e、5f中的最底层空白区域对应为基片衬底，是非铁电或多铁性材料。字线、写位线、读位线、地线等外围电路都应基于基片衬底为基础进行设计制备。以上ERAM存储单元的结构示意图仅标示出核心结构层，其它附属结构层可根据实际情况添加，但仍处于本专利的保护范围之内。本发明提供一种提出一种电场调控型纳米多层膜、电场调制型场效应管、开关型电场传感器及电场驱动型随机存储器及制备方法，以用来获得室温下电场调制纳米多层薄膜中的电致电阻效应。本发明通过变化的电场对铁电或多铁性材料的电极化特性的调制，影响和改变导电层的电导，调控器件电阻的变化，从而获得不同的电场对应不同的电阻态。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种电场调制型纳米多层膜，其特征在于，由下至上依次包括 基片衬底； 底层； 功能层； 缓冲层； 绝缘势鱼层； 导电层； 顶部覆盖层； 其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在功能层上施加电场；所述功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；所述缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性薄膜材料上施加电场；所述中间的绝缘势垒层为氧化物；所述顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化，通过在所述的底层和缓冲层之间施加电场，由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生，或在功能层的两侧施加面内电场，同样由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态。
2.根据权利要求I所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的基片衬底包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底。
3.根据权利要求I所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料。
4.根据权利要求I所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜，可根据实际需要预先沉积种子层。
5.根据权利要求I所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述导电层生长在所述绝缘势垒层上面，其电导能够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。
6.根据权利要求5所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的导电层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。
7.根据权利要求6所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的非磁金属层由非磁金属或其合金组成，厚度为2-100nm。
所述的磁性金属层由磁性金属或其合金制成，厚度为2-100nm或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm。
所述的磁性金属层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁性金属层/第二铁磁性层。
8.根据权利要求6所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。
9.根据权利要求7所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2 lOOnm。
10.根据权利要求I所述的电场调制型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述顶部覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。
11.一种电场调控型纳米多层膜，其特征在于，由下至上依次包括 基片衬底； 底层； 功能层 磁性层； 顶部覆盖层； 其中所述的基片衬底为非铁电或多铁性材料；所述底层为导电材料；作为下电极用于在功能层上施加电场；功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化；通过在所述的底层和顶部覆盖层之间施加电场，由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻金属和磁性层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生，或在功能层的两侧施加面内电场，同样由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态。
12.根据权利要求11所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料。
13.根据权利要求11所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的基片衬底包括Si衬底、SiC、玻璃衬底或Si-SiO2衬底，MgO单晶衬底、Al2O3单晶衬底或者有机柔性衬底。
14.根据权利要求11所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的功能层包括铁电或多铁性纳米薄膜。
15.根据权利要求11所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述磁性层生长在所述功能层的材料上面，其电导能够通过电极化相互作用或者磁电耦合作用受到底部铁电或多铁性薄膜的电极化强度大小及方向的调控。
16.根据权利要求11所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的磁性层由铁磁金属或其合金制成，厚度为2-100nm;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm。
17.根据权利要求11所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述的磁性层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁性金属层/第二铁磁性层。
18.根据权利要求17所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述反铁磁性层有反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。
19.根据权利要求17所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2 IOOnm ;或由稀磁半导体材料或半金属材料制成,厚度为2 lOOnm。
20.根据权利要求17所述的电场调控型纳米多层膜，其特征在于，所述纳米多层膜中，所述覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2 200nm。
21.一种基于电致电阻效应的电场调制型场效应管，其特征在于，包括权利要求1-20中任意一项所述的电场调控型纳米多层膜。
22.根据权利要求21所述的基于电致电阻效应的电场调制型场效应管，其特征在于，通过在栅极施加不同的电压，在顶部覆盖层和底层之间形成一定的电场，另在源极和漏极之间施加一定的电压，由于电致电阻效应的产生，在不同的电场下，多层膜的电阻不同，造成从源极到漏极的电导不同，即可以通过栅极电压来调控从源极到漏极的电导或电阻值的大小，或在功能层的两侧施加面内电场，同样由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态。
23.一种基于电致电阻效应的开关型电场传感器、其特征在于，包括权利要求1-20中任意一项所述的电场调控型纳米多层膜。
24.一种基于电致电阻效应的、即以电场调控的纳米器件为存储单元的电场驱动型随机存储器，其特征在于，包括权利要求1-20中任意一项所述的电场调控型纳米多层膜。
25.权利要求I所述的电场调控型纳米多层膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积、分子束外延、原子层沉积或气相化学反应沉积生长方法在基片衬底上依次沉积底层、功能层、缓冲层、绝缘势垒层、导电层及顶部覆盖层；其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在功能层上施加电场；所述功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；所述缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性薄膜材料上施加电场；所述中间的绝缘势垒层为氧化物；所述顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化；通过在所述的底层和缓冲层之间施加电场，或在功能层的两侧施加面内电场，由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。
26.权利要求11所述的电场调控型纳米多层膜的制备方法，其特征在于，采用磁控溅射并结合激光辅助沉积、分子束外延、原子层沉积或气相化学反应沉积生长方法在基片衬底上依次沉积底层、功能层、磁性层及顶部覆盖层； 其中所述的基片衬底为非铁电或多铁性材料；所述底层为导电材料，作为下电极用于在功能层上施加电场；功能层为铁电或多铁性薄膜，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；顶部覆盖层作为上电极和保护层，防止中间磁性层被氧化；通过在所述的底层和顶部覆盖层之间施加电场，或在功能层的两侧施加面内电场，由于功能层的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。
全文摘要
一种电场调控型纳米多层膜、电场调制型场效应管、开关型电场传感器及电场驱动型随机存储器及制备方法，以用来获得室温下电场调制多层薄膜中的电致电阻效应。该纳米多层膜由下至上依次包括底层1、基片、底层2、功能层、缓冲层、绝缘层、中间导电层、覆盖层，中间导电层为磁性金属、磁性合金或者磁性金属复合层时，缓冲层和绝缘层可以根据实际需要选择性的添加。当中间导电层为非磁性金属层或反铁磁性金属层时，缓冲层和绝缘层必须添加，以便获得较高的信噪比。本发明通过变化的电场对铁电或多铁性材料的电极化特性进行调制，从而达到影响和改变金属层的电导的作用，调控器件电阻的变化，获得不同的电场下对应不同的电阻态，实现电致电阻效应。
文档编号H01L45/00GK102709470SQ20111030480
公开日2012年10月3日 申请日期2011年9月27日 优先权日2011年9月19日
发明者刘厚方, 瑞之万, 韩秀峰 申请人:中国科学院物理研究所