一种可实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法【
技术领域：
】[0001]本发明属于电子材料
技术领域：
，具体涉及一种多铁异质结及基于该多铁异质结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法。【
背景技术：
】[0002]调控磁性薄膜中磁矩的取向，进而改变相应磁性器件的性能具有十分重要的研宄和技术应用价值。传统调节磁性材料中磁矩取向的方法是施加一个外加磁场来使磁矩转向，但外加磁场需要采用电磁铁来实现，不仅体积大、质量重，而且需要通电流来产生磁场，能耗较高。[0003]近年来，多铁异质结的出现，实现了电压对磁性薄膜磁矩的电压调控。多铁异质结是在具有压电效应的单晶PMN-PT/PZN-PT基片或多晶的PZT基片上，通过镀膜或粘接的方式附上磁性薄膜材料得到。多铁异质结对磁性薄膜的磁矩取向的调制主要是利用压电基片的逆压电效应(给压电基片施加电压，会在基片面内产生应变和应力)和磁性薄膜的逆磁致伸缩效应(当磁性薄膜受到应力的作用时，会产生一个应力各向异性能，该能量会使得磁性薄膜中的磁矩偏向应力各向异性能所决定的易磁化方向)。多铁异质结对磁性薄膜磁矩取向的调控只需施加电压，能耗较低；其体积和质量也较小，便于实现小型化和集成化电压调控的磁性器件。基于多铁异质结的上述优势，近年来，国内外很多学者和研宄机构都对多铁异质结展开了深入的研宄，研宄发现，多铁异质结对磁矩进行调制时，当外加电压去掉后，压电基片中的应变趋于零，对磁矩取向的调制也随之消失，因此是一种挥发性(又称易失性)的调控方法。为了实现非易失性的磁矩调控，即去掉外加电压后，仍然能保持对磁矩的调控效果，国内外的学者近年来开展了大量研宄。目前，主要有两种方式可实现磁矩取向的非易失性调控:一是MingIiu(Voltage-1mpulse-1nducednon-valatileferroelasticswitchingofferromagneticresonanceforreconfigurablemagnetoeIectriemicrowavedevices,AdvancedMaterials,2013,25,4886)等人报道的在单晶的PMN-PT或PZN-PT基片上施加某一特定的电压脉冲，可以在这两种单晶体中产生可逆的两种晶型结构的转变，进而产生了非易失的形变，该非易失的形变就可实现单晶基片上磁性薄膜磁矩的非易失性调控。然而，这种调控方式只能产生两种不同状态的非易失性转变；同时，单晶的PMN-PT或PZN-PT基片价格非常昂贵，不利于该非易失性电压调控磁矩技术的推广使用°二是T.X.Nan(Voltageimpulseinducedbistablemagnetizat1nswitchinginmultiferroicheterostructures,AppliedPhysicsLetter,2012,100,132409)等人报道的一种磁矩取向的非易失性调控方式，研宄发现当施加在多晶PZT陶瓷基片上的电压不超过其矫顽电场时，会出现一个类似电滞回线的应变回线，该应变回线在外加电场去掉后会出现两种不同状态的残余应变，该两种不同状态的残余应变会使PZT上镀的磁性薄膜产生两种不同的磁矩调控效果，从而实现两种非易失性存储效果。而当施加的电压超过PZT基片的矫顽电场后，PZT基片则呈现出典型的应变“蝴蝶”曲线，非易失性则会消失。上述调控方式一方面只能实现两种不同状态的非易失性转变；另一方面当外加电场低于PZT陶瓷的矫顽电场时，PZT产生的应变较小，退掉外电场后残余的应变就更小，因此两种残余应变状态的差异并不是太大，影响了对多铁异质结中磁性薄膜磁矩的调控效果。【
发明内容】[0004]本发明针对【
背景技术：
】存在的缺陷，提出了一种多铁异质结及基于该多铁异质结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法，所述多铁异质结采用廉价的具有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷作为压电基片，在其一面涂覆银胶作为电极，另一面抛光后镀或者粘接具有磁致伸缩特性的磁性薄膜；通过对所述多铁异质结施加特定的电压脉冲，在去掉外加电压后，可在磁性薄膜中产生三种非易失性的磁矩转变状态，达到了稳定的非易失性磁矩调控的效果。该调控方法操作简便，易实现，调控效果良好，在非易失性电场脉冲调制磁性器件领域有广泛的应用空间。[0005]本发明的技术方案如下:[0006]一种多铁异质结，包括多晶PZT陶瓷基片，所述多晶PZT陶瓷基片的一面涂覆导电银胶并固化后作为电极，另一面抛光后镀或者粘接具有磁致伸缩特性的磁性薄膜，其特征在于，所述多晶PZT陶瓷基片为含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过对多晶PZT陶瓷基片进行受主掺杂后，再经过极化和老化处理得到。[0007]进一步地，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过在制备PZT陶瓷过程中进行受主掺杂，在陶瓷内部产生氧空位，氧空位与掺杂离子形成缺陷偶极子，然后经过极化和老化处理得到的。[0008]具体地，当所述具有磁致伸缩特性的磁性薄膜具有导电性时，可采用溅射、蒸镀等方法直接将磁性薄膜沉积于含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片抛光后的一面上，当施加电压脉冲时，所述导电的磁性薄膜和银胶分别为两个电极。[0009]具体地，当所述具有磁致伸缩特性的磁性薄膜不导电或者采用粘接的方式制备异质结时，其具体过程为:首先在含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片抛光后的一面上先镀一层厚度为20nm?500nm的金属电极作为上电极，然后在金属电极上直接沉积磁性薄膜，或者粘接磁性薄膜，所述粘接的磁性薄膜是用胶水将沉积有磁性薄膜的基片的磁性薄膜一面粘接于金属电极表面，所述磁性薄膜不能完全覆盖所述金属电极，以便于施加电压脉冲，当施加电压脉冲时，金属电极和银胶为多铁异质结的两个电极。[0010]进一步地，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片的厚度为0.25mm?1mm。[0011]进一步地，所述导电银胶为市售的低温固化银胶，要求固化后有良好的导电性和粘结性，可实现常温固化或100°C以下的低温固化，以防止在高温固化银胶时影响基片的极化效果。[0012]一种基于上述多铁异质结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法，其特征在于，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的矫顽电场为Ec，当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的正向电压(当外加电压与PZT极化方向一致时，为正向电压)，持续10秒钟以上，去掉外加电压，此时多铁异质结得到一种状态；当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的反向电压(当外加电压与PZT极化方向相反时，为反向电压)，持续10秒钟以上，去掉外加电压，此时多铁异质结得到另一种状态；当在所述多铁异质结的两电极间先施加大于或等于2Ec的反向电压，持续10秒钟以上，去掉外加电压，然后再施加90%?95%Ec的正向电压，持续10秒钟以上，去掉外加电压，此时多铁异质结得到第三种状态。这样，含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片中会产生三种不同的残余应变状态，通过逆磁致伸缩效应，可对其上沉积或粘接的磁性薄膜的磁矩产生三种不同的磁矩调控效果。[0013]进一步地，基于上述多铁异质结得到的磁性器件，如滤波器、移相器等也会由于磁性薄膜的磁矩产生非易失性的电压脉冲调控，对相应磁性器件的性能起到非易失性调控的效果。[0014]需要说明的是:[0015]I)基于多铁异质结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法具体为:在多铁异质结的两电极间施加正的2Ec以上的电压(当外加电压与PZT极化方向一致时，为正向电压)并持续10秒以上，再退到零，即得到多铁异质结的A状态；在多铁异质结的两电极间施加负的2Ec(当外加电压与PZT极化方向相反时，为反向电压)以上的电压并持续10秒以上，再退到零，即得到多铁异质结的B状态；在多铁异质结的两电极间先施加负的2Ec以上的电压并持续10秒以上，并退到零，然后再施加一个90%?95%Ec的正向电压，持续10秒以上后，再退回到零，得到多铁异质结的C状态。多铁异质结的A、B、C三种状态会使含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片中产生三种不同的残余应变状态，通过逆磁致伸缩效应，可对其上沉积或粘接的磁性薄膜的磁矩产生三种不同的磁矩调控效果。[0016]2)所述多铁异质结中的磁性薄膜最好具有尽量大的磁致伸缩系数，这样得到的应变对磁矩的调控效果更好。[0017]3)由于多晶PZT陶瓷基片面内的压电系数d31=d32<0，d33>0，因此如果是调控异质结面内的磁矩(X和Y方向)取向，则基片X和Y方向的尺寸不一样，最好能有3倍以上的差异，以防止在X和Y方向应变对磁矩的调控效果相互抵消。如果是调控异质结面外的磁矩(Z方向)取向，则勿需限制基片X和Y方向的尺寸。[0018]4)多晶PZT陶瓷基片中缺陷偶极子数量越多，残余应变越大，对磁矩的非易失调控效果更好。但引入缺陷过多，会使多晶PZT陶瓷基片整体的压电性能降低，矫顽电场和损耗增大，因此引入的缺陷偶极当前第1页1 2