一种轨道开关及其制备方法与应用与流程
本发明属于微电子器件制备领域，具体涉及一种轨道开关及其制备方法与应用。
背景技术：
传统的开关控制着宏观电路的开关状态，在我们的日常生活中随处可见。随着开关的日益小型化和多功能化，开关的概念在微电子领域被大大延伸了：数百纳米大小的p-n结构成了信息处理和逻辑电路的基石；分子开关则可以在分子尺度的器件实现整流、放大和存储等数字电路的基本功能。然而，半导体工业对于器件小型化的迫切需求仍然在继续，尤其是众多原子尺度导电现象的涌现(如单层石墨烯和LaAlO3/SrTiO3的界面)，要求实现对器件进行原子甚至亚原子级别的调控。
材料轨道自由度代表着电子云的形状，控制着原子间电子转移相互作用的大小和方向，在调控材料性质中也发挥着至关重要的作用。界面上轨道自由度的调控可以实现材料单原子层电子行为的操纵，极大地减小电子元器件的尺寸，将半导体工业对于器件小型化的追求推动到原子甚至亚原子级别的轨道尺度。但是，目前对于轨道自由度的控制主要通过不可逆的应变工程，很难依此设计出基于轨道的原型器件。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种轨道开关及其制备方法。利用轨道开关可以在原子尺度上实现对微电子器件的控制，达到开关的作用。
本发明所提供的轨道开关由铁电层和沟道层构成，其中，所述铁电层和沟道层均为过渡金属的钙钛矿复杂氧化物，所述铁电层和沟道层相互接触。
上述轨道开关中，所述过渡金属的钙钛矿复杂氧化物的结构为ABO3，其中，A为金属离子，B为可变价的3d过渡金属，O为氧离子，所述A具体可选自La、Sr、Ba、Bi和Pb中的至少一种；所述B为具体可选自Ti、Mn、Fe、Co、Ni和Ru中的任一种。
所述沟道层的厚度具体可为1-50nm，所述沟道层具体可选自La1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3、SrRuO3、SrCoO3或LaNiO3中的任一种，其中，x为0-1。
所述铁电层的厚度具体可为2-6nm，所述铁电层具体选自BaTiO3、BiFeO3或Pb(Zr1-xTix)O3中的任一种，其中，所述Pb(Zr1-xTix)O3中的x为0.4-0.5。
所述轨道开关的核心作用部分由所述沟道层和所述铁电层两层薄膜界面处的半个原子层铁电材料和半个原子层沟道材料构成，所述轨道开关的核心作用部分的厚度为 0.35-0.45nm，为原子级别。
所述铁电层和沟道层相互接触具体可采用如下方法进行：先在基片上沉积所述铁电层，再在所述铁电层上沉积所述沟道层；
或者，先在基片上沉积所述沟道层，再在所述沟道层上沉积所述铁电层，
其中，所述沉积具体可采用本领域常规方法，如：脉冲激光沉积法或分子束外延法等。
本发明所述的轨道开关(沟道层在下，铁电层在上)的工作原理如下：当铁电层极化向下时，其中心离子发生向下的空间位移，界面轨道杂化形成的共价键由于空间电子云重叠增加缘故而增强；当铁电层极化向上时，其中心离子发生向上的空间位移，界面轨道杂化形成的共价键由于空间电子云重叠减少缘故而减弱。界面轨道杂化形成的共价键可以直接控制沟道层的界面磁电性能或间接控制沟道层的体相磁电性能，扮演类似“开关”的角色，故称为轨道开关(如图1所示)。对于铁电层在下，沟道层在上的情况，其开关方向恰好与上述情况相反。
本发明所述的轨道开关采用本领域常规方法制备得到，如：脉冲激光沉积法或分子束外延法等。
此外，本发明所述的轨道开关在制备微电子元器件中的应用也属于本发明的保护范围。
上述应用中，所述微电子元器件具体可为场效应晶体管。
通过所述轨道开关对微电子元器件实现对其原子级别的控制。
另外，本发明还提供一种场效应晶体管，所述场效应晶体管包括基片、所述轨道开关(沟道层和铁电层)、栅极、侧电极和门电极，
其中，在依次由所述基片和所述轨道开关组成的样品的所述轨道开关一侧表面光刻出霍尔器件，所述霍尔器件中间为霍尔通道，在霍尔通道两端的两侧均匀分布着四个对称分支通道，霍尔通道和四个对称分支通道的末端均为待覆盖侧电极的模块。
所述门电极分布在所述霍尔器件的霍尔通道中部两侧的基片上，门电极不与霍尔通道接触。
所述侧电极分布在所述霍尔通道和所述四个对称分支通道的末端的模块上。
所述栅极覆盖于所述霍尔器件的霍尔通道和所述门电极上，将二者连通。
上述场效应晶体管中，所述基片可为各种常见的氧化物单晶基片，具体可选自YAlO3、LaSrAlO4、LaAlO3、LaSrGaO4、NdGaO3、(LaAlO3)0.29(Sr0.5Al0.5TaO3)0.71、LaGaO3、SrTiO3、Nb掺杂的SrTiO3、DyScO3、GdScO3、SmScO3、KTaO3、BaTiO3、NdScO3、(1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3]基片中的任一种，其中，所述Nb掺杂的SrTiO3中Nb掺杂质量含量为0.001％-0.7％(具体可为0.01％)，所述 (1-x)[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]-x[PbTiO3]中x为0.2-0.8。
所述轨道开关由铁电层和沟道层构成，所述铁电层具有良好的铁电性，并可以实现电子的隧穿，在不破坏真空的情况下，使用脉冲激光沉积或分子束外延的方法可直接在沟道层上外延铁电层。
所述铁电层和沟道层界面上的共价键为电子注入和抽取的通道，即轨道开关。当铁电中心离子极化向下时，促进所述铁电层和沟道层界面上的共价键的形成，轨道开关闭合，加强电子注入和抽取的通道；而当铁电层中心离子极化向上时，则削弱所述铁电层和沟道层界面上的共价键，轨道开关断开，减弱甚至破坏所述电子注入和抽取的通道。
所述霍尔器件中的霍尔通道具体可为一长方形通道，所述霍尔器件中的霍尔通道的宽度为2-500μm。
所述霍尔器件中的所述四个对称分支通道的形状相同。
所述四个对称分支通道的末端的模块的形状具体可为正方形，各正方形的边长不小于霍尔通道的宽度，各个模块之间通过霍尔通道和四个对称分支通道连接。
所述栅极为离子液体，所述离子液体具体可选自N,N-二乙基-N-(2-甲氧乙基)-N-铵-双三氟甲磺酰基-酰亚胺(N,N-diethyl-N-(2-methoxyethyl)-N-methylammonium-bis-(trifluoromethylsulfonyl)-imide，DEME-TFSI)和/或1-乙基-3-甲基咪唑-双三氟甲磺酰基-酰亚胺(1-ethyl-3-methylimidazolium-bis-(trifluoromethylsulfonyl)-imide，EMIM-TFSI)。
所述离子液体的用量为能覆盖霍尔器件的横向通道(覆盖两个十字交叉结构)以及部分的门电极(G电极)为止，使霍尔器件的霍尔通道和门电极通过离子液体连通。所述离子液体的用量具体可为10-20μL。
所述侧电极和门电极均是由上至下为Ti和Au的双层膜，其中，所述Ti膜的厚度为10-30nm，具体为20nm，所述Au膜的厚度为60-100nm，具体为80nm，
所述侧电极和门电极均可通过电子束蒸镀或磁控溅射方法制备得到。
所述门电极与所述霍尔器件中的霍尔通道在平面内的距离为50-200μm，具体可为50-100μm。
上述场效应晶体管中，除所述霍尔通道、侧电极和门电极外的部分均用光刻胶覆盖保护，所述光刻胶具体可为S1813型光刻胶。
本发明所提供的场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤：
1)在依次由所述基片和所述轨道开关组成的样品表面刻蚀出霍尔器件；
2)在霍尔器件上蒸镀出侧电极，在基片上蒸镀出门电极；
3)使用光刻胶覆盖保护除门电极、侧电极和霍尔通道以外的所有部分；
4)在门电极和所述霍尔器件的霍尔通道的十字交叉处上覆盖所述栅极，得到所述场效应晶体管。
上述制备方法中，步骤1)中，所述霍尔器件可通过如下方法制备：依次采用紫外曝光技术、氩离子刻蚀或湿法刻蚀出所述霍尔器件，所述霍尔器件的霍尔通道的宽度为2μm-500μm。
其中，所述紫外曝光技术的条件如下：紫外光波长10-400nm(具体可为365nm)，功率密度1-10mW/cm2(具体可为3.5mW/cm2)，曝光时间为10-60s(具体可为23s)。
所述氩离子刻蚀的条件如下：氩气压力为0.005-0.2Pa(具体可为0.02Pa)；屏极电压为750-1000V(具体可为900V)；加速电压为70-120V(具体可为100V)；阳极电压为50-100V(具体可为70V)；束流为1-6A(具体可为4A)。
所述湿法刻蚀的条件如下：在组成为2.5wt％KI+6.5wt％HCl+91wt％H2O腐蚀溶液中腐蚀时间1-5s，具体可为2s。
所述刻蚀为对所述基片、沟道层和铁电层组成的样品进行刻蚀直至所述基片。
所述基片和所述轨道开关组成的样品具体可通过脉冲激光沉积的方法或分子束外延的方法在所述基片上沉积沟道层和铁电层得到。
上述制备方法中，步骤2)中，所述门电极和侧电极可通过如下方法制备：依次采用紫外曝光技术、电子束蒸镀(或者磁控溅射)和剥离工艺制作出门电极和侧电极，
其中，所述紫外曝光技术的条件如下：紫外光波长10-400nm(具体可为365nm)，功率密度1-10mW/cm2(具体可为3.5mW/cm2)，曝光时间为10-60s(具体可为23s)。
所述电子束蒸镀的条件如下：Ti蒸镀速率为0.01-0.05nm/s(具体可为0.03nm/s)，蒸镀时间为400-2000s(具体可为667s)；Au的蒸镀速率为0.03-0.10nm/s(具体可为0.07nm/s)，蒸镀时间为800-2667s(具体可为1143s)。
所述侧电极和门电极均是由上至下为Ti和Au的双层膜，其中，所述Ti膜的厚度为10-30nm，具体为20nm，所述Au膜的厚度为60-100nm，具体为80nm。
所述剥离工艺的条件如下：在丙酮中浸泡0.5-5min(具体可为1min)后使用普通注射器喷射，去除光刻胶。
上述制备方法中，步骤3)中，所述使用光刻胶覆盖保护除门电极、侧电极和霍尔通道以外的所有部分可采用如下方法：依次采用旋涂光刻胶和紫外曝光技术选择性去除门电极、侧电极和霍尔通道上方的光刻胶，样品其他部分由光刻胶保护，免受电场效应影响。
所述旋涂光刻胶的条件如下：旋涂转速为2000-6000转/min(具体可为4500转/min)；旋涂时间为20-60s；80-120℃下干燥2-4min；光刻胶型号为S1813。
所述紫外曝光技术的条件如下：紫外光波长10-400nm(具体可为365nm)，功率密 度1-10mW/cm2(具体可为3.5mW/cm2)，曝光时间为10-60s(具体可为23s)。
上述制备方法中，步骤4)中，在所述门电极和所述霍尔器件的霍尔通道的十字交叉处上覆盖所述栅极的步骤如下：利用探针在所述霍尔器件的霍尔通道上滴加离子液体，使离子液体覆盖霍尔通道和门电极(G电极是门电极，电压需要通过G施加到器件上)，得到所述栅极。
从各个电极引出导线进行测试，其中，S点和D点之间通电流I；A点和C点之间测霍尔电阻RHall；A点和B点之间径向电阻RAMR；G点和D点之间施加门电压VG。
在没有轨道开关的场效应晶体管器件中，外部施加门电压VG形成双电层，从而在沟道层上产生电场效应，对沟道层进行电子注入和抽取，操控沟道层电子掺杂浓度和相转变。通过测试通道电阻的电磁性能可以论证门电压对沟道层的电子掺杂浓度和相转变的调控。结果表明：负电压可以从沟道层中抽取电子，正电压可以向沟道层注入电子，从而实现对沟道层电子掺杂浓度和相变的调控。
此外，本发明所制备得到的场效应晶体管在控制电流开关和/或调节电场强度的装置中的应用也属于本发明的保护范围。
本发明中铁电层的存在起到了场效应的开关作用，铁电层和沟道层界面上的共价键构成了电子注入和抽取的通道，即轨道开关：当铁电中心离子极化向下时可以促进界面上共价键的形成，轨道开关闭合，加强电子注入和抽取的通道；而当铁电层中心离子极化向上时则会削弱界面上的共价键，减弱甚至破坏这一通道，轨道开关断开。需要指出的是，界面上的共价键源于最接近界面的那半个原子层的铁电层材料和半个原子层的沟道层材料的B的位离子之间的轨道杂化作用，利用这种基于轨道的开关对电场效应进行调控，可以极大地减小开关器件的尺寸，到达原子级别。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
1)本发明所得到的轨道开关由半层个原子层的铁电层和半个原子层的沟道层构成，从尺寸上来说只有一个原子层大小，极大地减小了器件的尺寸，符合半导体工艺对于器件小型化的追求。
2)这种开关的可推广性强，常见的钙钛矿结构铁电材料和具有可变价元素的钙钛矿金属氧化物之间的组合都可以实现这种轨道开关。
3)电场作用的效果大，可以实现沟道层铁磁-反铁磁和金属-绝缘体之间性质的转变，这对于信息存储和传感器件具有重要意义。
4)利用电场控制开关和相变过程具有能耗低、可逆性好、易实现等优点。
5)在轨道开关控制的场效应晶体管中，使用离子液体作为栅极材料，在电场作用下形成的双电层可以产生极大的电场，效果远优于一般氧化物栅极。
6)离子液体的介电性好，不存在一般氧化物栅极的漏电问题。
7)器件制备工艺简单，可重复性好。
附图说明
图1为本发明场效应晶体管器件中轨道开关原理示意图。
图2为本发明制备的轨道开关控制的场效应晶体管器件的结构示意图(a)、实物图(b)和局部结构示意图(c)。
图3为实施例1中制备的轨道开关控制的场效应晶体管沟道层的磁电输运测试结果:(a)未采用轨道开关的对照实验结果；(b)插入3.2nm BaTiO3(BTO)作为轨道开关的实验结果；(c)插入不同厚度BTO作为轨道开关的结果总结图。
图4为实施例1中制备的轨道开关的高角环形暗场像：(a)和(b)施加过正的门电压后的样品，(c)和(d)施加过负的门电压后的样品；(a)和(c)为低放大倍数图像，(b)和(d)为高放的倍数图像。
图5为实施例1中制备的器件在不同门电压作用后的X射线线二色谱结果。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1、制备Ti-O-Mn轨道开关和SrTiO3基片/La0.5Sr0.5MnO3/BaTiO3/离子液体结构的场效应晶体管器件：
1)使用脉冲激光沉积的方法在以TiO2为结点的(001)取向的SrTiO3基片上先生长20nm La0.5Sr0.5MnO3，再在其上生长5nm BaTiO3，La0.5Sr0.5MnO3的生长条件为温度700℃，氧压150mTorr，沉积时间20min，基体与靶的距离7cm，激光能量400mJ，激光频率5Hz；BaTiO3的生长条件为温度750℃，氧压4mTorr，沉积时间5min，基体与靶的距离7cm，激光能量300mJ，激光频率2Hz；最终得到SrTiO3基片/La0.5Sr0.5MnO3沟道层/BaTiO3铁电层样品，其中，La0.5Sr0.5MnO3沟道层/BaTiO3铁电层为所制备得到的Ti-O-Mn轨道开关，相应的原理图如图1所示；
2)先采用紫外曝光法对得到的SrTiO3基片/La0.5Sr0.5MnO3沟道层/BaTiO3铁电层样品进行紫外曝光，具体方法如下：基片清洁处理—基片上涂光刻胶、前烘—加掩模版曝光—显影、后烘，得到表面有光刻胶图案的SrTiO3基片/La0.5Sr0.5MnO3沟道层/BaTiO3铁电层；
所述基片清洁处理的条件如下：将样品先后放于丙酮和酒精中各超声清洗1min。
所述基片上涂光刻胶、前烘条件如下：使用S1813型光刻胶，4500转/min旋涂，90℃前烘3min。
所述加掩模版曝光的条件如下：在样品上方加盖带有霍尔器件的掩膜版，然后使用紫外曝光技术曝光，紫外光波长365nm，功率密度3.5mW/cm2，曝光时间23s。
所述显影、后烘的条件如下：使用S1813型光刻胶专用显影液显影20s后在120℃后烘2min。
再对其进行湿法刻蚀，具体方法如下：将显影后的样品放入组成为2.5wt％KI+6.5wt％HCl+91wt％H2O的10ml腐蚀溶液中，腐蚀2s后取出并用去离子水清洗30s。利用丙酮去除S1813型光刻胶，得到霍尔器件。
所得霍尔器件的形貌如图2中的场效应晶体管器件所示，从图2(a)和图2(c)场效应晶体管器件中霍尔器件的示意图可看出：霍尔器件中间为一长方形通道，即霍尔通道(“S”与“D”之间的部分)，在霍尔通道的两侧均匀分布着四个对称分支通道，与霍尔通道连接组合在一块；四个对称分支通道形状相同，但无具体形状要求；霍尔通道和四个对称分支通道的末端均连接有正方形区域，正方形区域的边长比霍尔通道略宽或者与之等宽，正方形区域之间通过霍尔通道连接。
从图2(b)场效应晶体管器件中霍尔器件的实物图可看出：霍尔通道的长为400μm、宽为100μm和高为25nm。
3)采用基片清洁处理—基片上涂光刻胶、前烘—加掩模版曝光—显影—电子束蒸镀—剥离工艺制作出门电极和侧电极：
所述基片清洁处理的条件如下：将样品先后放于丙酮和酒精中各超声清洗1min。
所述基片上涂光刻胶、前烘条件如下：使用Az5214e型光刻胶，6000转/min旋涂，90℃前烘3min，样品泛曝光1s，120℃烘烤2min。
所述加掩模版曝光的条件如下：在样品上方加盖带有门电极和侧电极的掩膜版，然后使用紫外曝光技术曝光，紫外光波长365nm，功率密度3.5mW/cm2，曝光时间45s。
所述显影的条件如下：使用Az5214e型光刻胶专用显影液显影15s，不需后烘。
所述电子束蒸镀的条件如下：Ti蒸镀速率为0.03nm/s，蒸镀时间667s，Au的蒸镀速率为0.07nm/s，蒸镀时间为1143s。
所述剥离工艺的条件如下：丙酮浸泡1min后使用普通注射器喷射丙酮去除光刻胶。
从图2可得知：通过此步骤，在霍尔通道和四个对称分支通道的末端所连接的正方形区域表面依次蒸镀20nm的Ti和80nm的Au，最终得到6个侧电极(A、B、C、D和S等)。
在霍尔通道的中部两侧的SrTiO3基片上亦依次蒸镀20nm的Ti和80nm的Au，得到两 个门电极(G等)，门电极不与霍尔通道接触，门电极与霍尔通道在平面内的距离为50μm。
4)利用紫外曝光套刻出门电极、侧电极和调控通道，霍尔通道的长度为600μm，宽度为100μm。
具体步骤为：基片清洁处理—基片上涂光刻胶、前烘—加掩模版曝光—显影、后烘。
所述基片清洁处理的条件如下：将样品先后放于丙酮和酒精中各超声清洗1min。
所述基片上涂光刻胶、前烘条件如下：使用S1813型光刻胶，4500转/min旋涂，90℃前烘3min。
所述加掩模版曝光的条件如下：在样品上方加盖带有门电极、侧电极和霍尔通道的掩膜版，然后使用紫外曝光技术曝光，紫外光波长365nm，功率密度3.5mW/cm2，曝光时间23s。
所述显影、后烘的条件如下：使用S1813型光刻胶专用显影液显影20s后在120℃后烘2min。
通过以上步骤，套刻出门电极、侧电极和霍尔通道，其余部分均用S1813型光刻胶保护。套刻出霍尔通道的目的是只让门电压调控霍尔通道，保证测试的可重复性；套刻门电极和侧电极的目的是方便使用超声电焊机接线。
5)采用探针在场效应晶体管上滴上一滴离子液体N,N-二乙基-N-(2-甲氧乙基)-N-铵-双三氟甲磺酰基-酰亚胺(DEME-TFSI)作为栅极，用量为15μL，液体的大小覆盖霍尔器件的霍尔通道(覆盖两个十字交叉结构)以及部分的门电极(G电极)，通过离子液体将霍尔通道和门电极连接起来。
6)使用超声点焊引出导线进行测量：其中，S点和D点之间通电流I，S点为电流输入端，D点为电流输出端；A点和C点之间测霍尔电阻RHall；A点和B点之间径向电阻RAMR；G点和D点之间施加门电压VG。
使用PPMS(综合物理性能测试系统)进行温度电阻曲线测定，温度电阻曲线的金属绝缘体转变点对应着材料的居里温度，测试结果如图3所示，图3(a)和(b)分别为没有BaTiO3(BTO)的对照实验和有3.2nm BTO作为轨道开关的实验结果图。没有BTO时，正负电压分别提高和降低器件的电学和磁学性能；有BTO充当轨道开关时，正电压的作用效果被增强，负电压的效果被削弱。图3(c)为不同厚度的BTO充当轨道开关的测试结果，实验表明太薄的BTO铁电性太弱，起不到开关作用，但是BTO太厚则会削弱电场效应，最佳的BTO厚度为3-5nm。从图3可得知：有BaTiO3的场效应晶体管器件只需要很小的正电压(<2V)就可以使器件的电阻降低，居里温度升高；而负电压对于器件电阻和居里温度的调控几乎被完全抑制。
根据图1中轨道开关原理示意图，分析其主要原理如下：正电压作用下，BaTiO3的Ti离子发生向下位移，Ti和La0.5Sr0.5MnO3中的Mn之间通过面外轨道杂化和电子转移形成的共价键强度增加，轨道开关闭合，增强的共价键充当了电子注入的通道，在外电场的作用下，电子通过这一通道注入到沟道层中，驱动La0.5Sr0.5MnO3向相图中导电和磁性更佳的低电子掺杂浓度方向移动；与之相反，负电压会使Ti离子向上移动，增加Ti和Mn的空间距离，削弱二者之间的共价键，轨道开关断开，导致电子抽取的通道被破坏和负电场效应的抑制。因而，正电压对沟道层的作用效果被放大，而负电压对沟道层的效果被抑制，总之，通过施加正向电压，电流就会通过霍尔器件的霍尔通道，形成通路，开关打开；通过施加负向电压，电流就不会通过霍尔器件的霍尔通道，形成闭路，开关关闭，最终达到开关作用。
Ti离子在电压作用下的上下移动可以通过双球差校正电镜中的高角环形暗场像进行验证，相应的验证结果如图4所示，从图4可得知：(a)和(b)施加过正的门电压后的样品，(c)和(d)施加过负的门电压后的样品；(a)和(c)为低放大倍数图像，(b)和(d)为高放的倍数图像。从(c)和(d)的放大图像中可以看出，正电压和负电压分别使BTO中的Ti离子发生向下和向上的位移；而不同电压情况下界面轨道杂化和电子转移的变化可以通过同步辐射的X射线吸收谱和线二色谱加以证明，相应的验证结果如图5所示，从图5可得知：正电压作用后的样品线二色谱向正方向移动，说明沟道层中Mn的轨道占据状态趋于面外，对应共价键的增强；负电压作用后线二色谱向负方向移动，说明沟道层中Mn的轨道占据状态趋于面内，对应共价键的减弱。
实施例2、制备Fe-O-Mn轨道开关和SrTiO3基片/La0.67Ca0.33MnO3/BiFeO3/离子液体结构的场效应晶体管器件：
1)使用脉冲激光沉积的方法在以TiO2为结点的(001)取向的SrTiO3基片上先生长10nm La0.67Ca0.33MnO3，再在其上生长5nm BiFeO3，La0.67Ca0.33MnO3的生长条件为温度720℃，氧压200mTorr，沉积时间20min，基体与靶的距离7cm，激光能量420mJ，激光频率5Hz；BiFeO3的生长条件为温度670℃，氧压10mTorr，沉积时间5min，基体与靶的距离7cm，激光能量320mJ，激光频率3Hz；最终得到SrTiO3基片/La0.67Ca0.33MnO3沟道层/BiFeO3铁电层样品，其中，La0.67Ca0.33MnO3沟道层/BiFeO3铁电层为所制备得到的Fe-O-Mn轨道开关；
2)先采用紫外曝光法对得到的SrTiO3基片/La0.67Ca0.33MnO3沟道层/BiFeO3铁电层样品进行紫外曝光，具体方法如下：基片清洁处理—基片上涂光刻胶、前烘—加掩模版曝光—显影、后烘，得到表面有光刻胶图案的SrTiO3基片/La0.67Ca0.33MnO3沟道层/BiFeO3铁电层；
所述基片清洁处理的条件如下：将样品先后放于丙酮和酒精中各超声清洗1min。
所述基片上涂光刻胶、前烘条件如下：使用S1813型光刻胶，4500转/min旋涂，90℃前烘3min。
所述加掩模版曝光的条件如下：在样品上方加盖带有霍尔器件的掩膜版，然后使用紫外曝光技术曝光，紫外光波长365nm，功率密度3.5mW/cm2，曝光时间23s。
所述显影、后烘的条件如下：使用S1813型光刻胶专用显影液显影20s后在120℃后烘2min。
再对其进行氩离子刻蚀，具体方法如下：氩气压力0.02Pa，屏极电压900V，加速电压100V，阳极电压70V，束流4A，刻蚀时间5min。
利用丙酮去除S1813型光刻胶，得到霍尔器件。
所得霍尔器件的形貌如图2中的场效应晶体管器件所示，从图2(a)和图2(c)场效应晶体管器件中霍尔器件的示意图可看出：霍尔器件中间为一长方形通道，即霍尔通道(“S”与“D”之间的部分)，在霍尔通道两端的两侧均匀分布着四个对称分支通道，与霍尔通道连接组合在一块；四个对称分支通道形状相同，但无具体形状要求；霍尔通道和四个对称分支通道的末端均连接有正方形区域，正方形区域的边长比霍尔通道略宽或者与之等宽，正方形区域之间通过霍尔通道连接。
3)采用基片清洁处理—基片上涂光刻胶、前烘—加掩模版曝光—显影—电子束蒸镀—剥离工艺制作出门电极和侧电极：
所述基片清洁处理的条件如下：将样品先后放于丙酮和酒精中各超声清洗1min。
所述基片上涂光刻胶、前烘条件如下：使用Az5214e型光刻胶，6000转/min旋涂，90℃前烘3min，样品泛曝光1s，120℃烘烤2min。
所述加掩模版曝光的条件如下：在样品上方加盖带有门电极和侧电极的掩膜版，然后使用紫外曝光技术曝光，紫外光波长365nm，功率密度3.5mW/cm2，曝光时间45s。
所述显影的条件如下：使用Az5214e型光刻胶专用显影液显影15s，不需后烘。
所述电子束蒸镀的条件如下：Ti蒸镀速率为0.03nm/s，蒸镀时间667s，Au的蒸镀速率为0.07nm/s，蒸镀时间为1143s。
所述剥离工艺的条件如下：丙酮浸泡1min后使用普通注射器喷射丙酮去除光刻胶。
从图2可得知：通过此步骤，在霍尔通道和四个对称分支通道的末端所连接的正方形区域表面依次蒸镀20nm的Ti和80nm的Au，最终得到6个侧电极(A、B、C、D和S等)。
在霍尔通道的中部两侧的SrTiO3基片上亦依次蒸镀20nm的Ti和80nm的Au，得到两个门电极(G等)，门电极不与霍尔通道接触，门电极与霍尔通道在平面内的距离为 100μm。
4)利用紫外曝光套刻出门电极、侧电极和霍尔通道，霍尔通道的长度为600μm，宽度为50μm，高为15nm。
具体步骤为：基片清洁处理—基片上涂光刻胶、前烘—加掩模版曝光—显影、后烘。
所述基片清洁处理的条件如下：将样品先后放于丙酮和酒精中各超声清洗1min。
所述基片上涂光刻胶、前烘条件如下：使用S1813型光刻胶，4500转/min旋涂，90℃前烘3min。
所述加掩模版曝光的条件如下：在样品上方加盖带有门电极、侧电极和霍尔通道的掩膜版，然后使用紫外曝光技术曝光，紫外光波长365nm，功率密度3.5mW/cm2，曝光时间23s。
所述显影、后烘的条件如下：使用S1813型光刻胶专用显影液显影20s后在120℃后烘2min。
通过以上步骤，套刻出门电极、侧电极和霍尔通道，其余部分均用S1813型光刻胶保护。套刻出霍尔通道的目的是只让门电压调控霍尔通道，保证测试的可重复性；套刻门电极和侧电极的目的是方便使用超声电焊机接线。
5)采用探针在场效应晶体管上滴上一滴离子液体1-乙基-3-甲基咪唑-双三氟甲磺酰基-酰亚胺(1-ethyl-3-methylimidazolium-bis-(trifluoromethylsulfonyl)-imide，EMIM-TFSI)作为栅极，用量为20μL，液体的大小覆盖霍尔器件的霍尔通道(覆盖两个十字交叉结构)以及部分的门电极(G电极)，通过离子液体将霍尔通道和门电极连接起来。
6)使用超声点焊引出导线进行测量：其中，S点和D点之间通电流I，S点为电流输入端，D点为电流输出端；A点和C点之间测霍尔电阻RHall；A点和B点之间径向电阻RAMR；G点和D点之间施加门电压VG。
使用PPMS(综合物理性能测试系统)进行温度电阻曲线测定，温度电阻曲线的金属绝缘体转变点对应着材料的居里温度。实验发现，有BiFeO3的场效应晶体管器件只需要很小的正电压就可以使器件的电阻升高，居里温度降低；而负电压对于器件电阻和居里温度的调控几乎被完全抑制。同时，由于外电场诱导的BiFeO3不同极化状态，La0.675Ca0.33MnO3和BiFeO3之间的交换耦合作用也发生了变化，直接反映在低温下的交换偏置方向和大小会发生变化。其主要原理是，正电压作用下，BiFeO3的Fe离子发生向下位移，Fe和La0.67Ca0.33MnO3中的Mn之间通过面外轨道杂化和电子转移形成的共价键强度增加，轨道开关闭合，这种增强的共价键充当了电子注入的通道，在外电场的作用下，电子通过这一通道注入到沟道层中，驱动La0.67Ca0.33MnO3向相图中导电和磁 性更差的低电子掺杂浓度方向移动。与之相反，负电压会使Ti离子向上移动，增加Fe和Mn的空间距离，削弱二者之间的共价键，轨道开关断开，导致电子抽取的通道被破坏和负电场效应的抑制。因而，正电压的作用效果被放大，而负电压的效果被抑制。总之，通过施加正向电压，电流就会通过霍尔器件的霍尔通道，形成通路，开关打开；通过施加负向电压，电流就不会通过霍尔器件的霍尔通道，形成闭路，开关关闭，最终达到开关作用。
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