一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置及方法与流程

本发明涉及电子信息存储技术领域，特别是涉及一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置及方法。

背景技术：

电场调控磁性是指利用电场控制材料的磁化强度、磁各向异性、居里温度等磁学性质。铁磁材料在电场作用下的磁性变化可以揭示许多重要的微观物理机制，如磁性半导体的磁性起源、多铁性材料的磁电耦合等物理效应；而且用电场替代磁场或者电流控制磁性来实现信息存储的读写，可有效满足新型信息存储处理器件在高密度、高速度、低功耗、非挥发等方面越来越高的要求。基于其蕴含的丰富物理内涵和广阔应用前景，电场调控磁性在半金属、磁性半导体、多铁性材料及其复合结构中被广泛地研究探索，逐渐成为自旋电子学领域的一个重要研究热点。

现有技术中，运用电场调控磁性主要有以下几种方法：在类似场效应管的铁磁薄膜/绝缘层结构中，利用强电场控制磁性薄膜中磁性相关载流子的富集或耗散，实现电场对磁性的调控；在由压电效应材料和磁致伸缩效应材料组成的复合结构中，通过两者界面处的应力相互作用，实现电场对磁性的调控；在单相多铁性材料/铁磁薄膜结构中，利用多铁性材料中铁电性和反铁磁性的磁电耦合及界面处多铁性材料中反铁磁性与铁磁薄膜的交换偏置作用，达到电场调控磁性的目的。

然而，以上电场调控磁性的方法通常需要在较低温度或较高电压下进行，其所对应的装置制备成本较高，严重限制了电场调控磁性在实际生产生活中的应用。

技术实现要素：

本发明实施例中提供了一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置及方法，以解决现有技术中的电场调控磁性需要高温、高压，且装置制备成本高的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明实施例公开了一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置，包括设置为长方体结构的第一电极层，其中，所述第一电极层的上表面设置有复合势垒层，所述复合势垒层的上表面设置有第二电极层，且所述第二电极层在所述复合势垒层表面的投影位于所述复合势垒层内；所述第一电极层为厚度3-10nm的Co层，所述第二电极层为厚度40-60nm的Ag层，所述复合势垒层为厚度1-3nm的CoO_1-x-ZnO_1-v层，其中，0≤x<1，0≤v<1。

优选地，所述复合势垒层位于所述第一电极层上表面的中心位置。

优选地，所述第一电极层的长度为5-10mm，且宽度为0.05-0.15mm。

优选地，所述第一电极层的两端均设置有引线装置。

本发明实施例还公开了一种基于氧离子运动的电场调控磁性方法，包括以下步骤：

测量电场调控磁性装置的初始磁性，得到所述电场调控磁性装置的初始矫顽力和初始磁化强度；

测量所述电场调控磁性装置的初始电阻值；

在所述电场调控磁性装置的第一电极层和第二电极层之间施加电压，并测量所述电场调控磁性装置的调控后电阻值，其中，所述第二电极层为高压端，所述第一电极层为低压端；

判断所述调控后电阻值是否小于预设电阻值；

当所述调控后电阻值小于所述预设电阻值时，测量所述电场调控磁性装置的调控后磁性，得到所述电场调控磁性装置的调控后矫顽力和调控后磁化强度。

优选地，所述施加电压为0.5V-1V。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的基于氧离子运动的电场调控磁性装置及方法，通过电场调控氧离子在反铁磁层与非磁性绝缘层之间的运动，可以实现在室温以及低电压条件下，对磁性材料的磁性进行有效的调控，从而能够有效地降低电场调控磁性的成本，提高电场调控磁性技术在自旋电子信息存储领域的应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性方法的流程示意图；

图示说明：

1-第一电极层，2-复合势垒层，3-第二电极层，4-引线装置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置的结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供的基于氧离子运动的电场调控磁性装置，包括设置为长方体结构的第一电极层1，其中第一电极层1的上表面设置有复合势垒层2，且复合势垒层2的上表面设置有第二电极层3。其中，第二电极层3在复合势垒层2表面的投影位于复合势垒层2内，即第二电极层3与复合势垒层2的接触面小于或等于复合势垒层2的上表面，因此第一电极层1和第二电极层3不直接接触，而是通过复合势垒层2所连接。

其中，第一电极层1为厚度3-10nm的Co层，第二电极层3为厚度40-60nm的Ag层，从而能够起到良好的导电目的。复合势垒层2为厚度1-3nm的CoO_1-x-ZnO_1-v层，其中，0≤x<1，0≤v<1，从而既能起到将第一电极层1和第二电极层3隔开的目的，又能起到势垒的作用，使得电子能够隧穿，产生隧穿磁电阻。

第一电极层1和第二电极层3均为导电良好的材料，故本发明实施例所提供的电场调控磁性装置的电阻主要为复合势垒层2的电阻。第一电极层1为铁磁材料层，复合势垒层2为反铁磁材料层，故本发明实施例提供的电场调控磁性装置的磁性来源于第一电极层1的铁磁性、复合势垒层2的反铁磁性以及第一电极层1和复合势垒层2之间的交换耦合作用。

为了便于本领域的技术人员更好的理解本发明实施例提供的电场调控装置中电场能够调控磁性的原因，下面将对其产生机理进行详细说明。

当在第一电极层1和第二电极层3之间施加电压时，CoO_1-x-ZnO_1-v复合势垒层2可以通过外加电场调节氧离子在CoO_1-x和ZnO_1-v之间的移动，从而调节隧道结中电阻特性和磁性特性。如当在第二电极层3上施加高电压，而第一电极层1上施加低电压时，复合势垒层2中的中的氧离子从CoO_1-x到ZnO_1-v之间移动，从而使得CoO_1-x层释放氧离子形成更多的Co，因此复合势垒层2的电阻减小，而铁磁性增大，反铁磁性减小，同时第一电极层1和复合势垒层2之间的交换耦合作用减小。而当在第二电极层3上施加低电压，在第一电极层1上施加高电压时，复合势垒层2中的氧离子从ZnO_1-v到CoO_1-x之间移动，从而使得CoO_1-x层吸收氧离子形成更多的CoO，因此复合势垒层2的电阻增大，而铁磁性减小，反铁磁性增大，同时第一电极层1和复合势垒层2之间的耦合作用增大。由此，通过在本发明实施例提供的电场调控装置上施加电压，即可实现对其磁性的调控。

作为本发明实施例提供的一种优选方案，复合势垒层2位于第一电极层1上表面的中心位置，从而使得第二电极层3到第一电极层1的两个端点的距离相同，从而在测量时能够使得第二电极层3到第一电极层1的电阻一样，起到减小误差的目的。

进一步的，第一电极层1的长度5-10mm，且宽度为0.05-0.15mm，能够保证电极连续的条件下，使得本发明实施例提供的电场调控磁性装置能够得到最大的电阻，从而能够通过电场更好的调控磁性。

更进一步的，第一电极层1的两段均设置有引线装置4，引线装置4相比较第一电极层1具有更大的接触面积，从而使得在测量时能够将第一电极层1更好的与外部引线相接，从而更好的运用外部电场调控装置的磁性。

参见图2，为本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性方法的流程示意图。

如图2所示，本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置包括以下步骤：

步骤S100，测量电场调控磁性装置的初始磁性，得到电场调控磁性装置的初始矫顽力和初始磁化强度。其中在本发明实施例所提供的电场调控磁性方法中，测量磁性装置为超导量子干涉仪，能够测量低温下，如5K时，电场调控磁性装置的磁性，从而获得电场调控磁性装置的初始矫顽力和初始磁化强度。当然，也可以采用其他可以测量磁性的装置，并不限于此，在此不作限定。

步骤S200，测量电场调控磁性的初始电阻值。本发明实施例提供的电场调控磁性方法中，测量电阻值的方法为四端法，使得测量结果更准确。具体测量方法为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

步骤S300，在电场调控磁性装置的第一电极层1和第二电极层3之间施加电压，并测量电场调控磁性装置的调控后电阻值，其中，第二电极层3为高压端，第一电极层1为低压端。即向本发明实施例提供的电场调控磁性装置施加正向电压，电流由第二电极层3流向第一电极层1。当在第一电极层1和第二电极层3之间施加电压时，CoO_1-x-ZnO_1-v复合势垒层2可以通过外加电场调节氧离子在CoO_1-x和ZnO_1-v之间的移动，从而调节隧道结中电阻特性和磁性特性。当在第二电极层3上施加高电压，而第一电极层1上施加低电压时，复合势垒层2中的中的氧离子从CoO_1-x到ZnO_1-v之间移动，从而使得CoO_1-x层释放氧离子形成更多的Co，因此复合势垒层2的电阻减小，而铁磁性增大，反铁磁性减小，同时第一电极层1和复合势垒层2之间的交换耦合作用减小。本发明实施例所提供的电场调控磁性方法中，所施加电压可为0.5V-1V，当然也可根据情况进行调整，在此不做详细限定。

步骤S400，判断调控后电阻值是否小于预设电阻值。调控后，电阻减小，当调控后电阻值小于预设电阻值后，即完成电场对磁性的调控，而当没有达到预设电阻值时，则需继续对电场调控磁性装置施加电压，从而继续对磁性进行调控。预设电阻值可为初始电阻值的10％，或其它数值，在此不做详细限定。

步骤S500，当调控后电阻值小于预设电阻值时，测量电场调控磁性装置的磁性，得到电场调控磁性装置的调控后矫顽力和调控后磁化强度。当调控电阻小于预设电阻值后，即完成了本发明实施例所提供的电场调控磁性，从而即可测量电场调控磁性装置的磁性，得到电场调控磁性装置的调控后矫顽力和调控后磁化强度。与之前测量的初始矫顽力和初始磁化强度相比较，即得到通过电场调控，本发明实施例提供的电场调控磁性装置的磁性变化情况。

进一步的，对于本发明所提供的电场调控磁性方法，除了施加正向电压外，即第二电极层3为高压端而第一电极层1为低压端，还可在上述调控过程结束之后，施加反向电压，即第二电极层3为低压端，而第一电极层1为高压端，同理，复合势垒层2中的氧离子从ZnO_1-v到CoO_1-x之间移动，从而使得CoO_1-x层吸收氧离子形成更多的CoO，因此复合势垒层2的电阻增大，而铁磁性减小，反铁磁性增大，同时第一电极层1和复合势垒层2之间的耦合作用增大。由于原理及实施方法均相同，且为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于方法实施例而言，由于其基本相似于装置实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。