一种电调控交换偏置方法、器件及其制备方法与流程

本发明涉及电调控器件，特别是涉及一种电调控交换偏置方法、电调控器件及其制备方法。

背景技术：

自旋电子学致力于利用电子的自旋自由度来制造新一代的电子器件。事实上，电压(电场)调控的自旋电子学对于信息科技的持续发展是至关重要的。与现今成熟的金属-氧化物-半导体电子器件相比，研制电调控的自旋电子器件的主要目标是在大大降低器件功耗的同时能提高它的处理速度、集成度和实现多功能化。由于精致的界面剪裁能够实现具有自旋选择性的电子传输或散射，因此几乎所有正在使用的和研发的自旋电子器件都与多层膜的界面磁性密切相关，通过纯电场的手段来调控薄膜的界面磁性是提升自旋电子器件性能所面临的重要挑战。

通常材料中的磁化强度与电场强度之间缺乏足够强的直接耦合作用，导致在薄膜体系中实现电调控整体、表面和界面磁性困难重重，而电控界面磁性取得突破性进展得益于交换偏置效应。交换偏置源于铁磁/反铁磁双层膜体系的界面交换耦合作用，它具体表现为铁磁层的磁滞回线偏离磁场轴的零点，其偏离量被称为交换偏置场(he)，同时往往还伴随着矫顽力(hc)的增强。迄今为止虽然交换偏置的内在机制仍未被完全揭示，但它已在诸如磁传感器、读出磁头、磁随机存储器等磁电器件方面得到了广泛应用。完全由电压(或电场)来调控铁磁/反铁磁体系的交换偏置效应有望实现铁磁层磁矩的180°翻转，从而为研制高能效的自旋电子器件(例如磁电存储器)提供了一条极具应用潜力的道路。尽管在过去的十年中，人们已经尝试利用多种方法在多种材料和器件中研究电调控交换偏置效应，但每种方法都存在一定程度的局限性，目前尚未实现室温下、可逆、非易失、可重复的电调控交换偏置效应。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种电调控交换偏置方法、器件及其制备方法，能够实现室温下、可逆、非易失、可重复的电调控交换偏置效应。

技术方案：本发明所述的电调控交换偏置方法，包括以下步骤：

s11：电调控器件的原始态处于高阻态，将电调控器件的电压从0v开始向负电压扫描，扫描至-4.2v时的限制电流设定为1ma；然后继续扫描至-5v，再从-5v扫描至0v；

s21：取消限流，从0v开始向正电压扫描，扫描至5v，再从5v扫描至0v；

本发明所述的电调控器件，包括衬底，衬底为si片，si片上部设有ti层，ti层上部设有pt层，pt层上部设有feox层，feox层上部设有co层，co层上部设有ito层；其中，x为1.5。

进一步，所述ti层的厚度为2nm，pt层的厚度为50nm，feox层的厚度为65nm，co层的厚度为2.6nm，ito层的厚度为67nm。

制备本发明所述电调控器件的方法，包括以下步骤：

s1：以si片作为衬底，在衬底上沉积ti层；

s2：在ti层上沉积pt层；

s3：在pt层上沉积feox层；

s4：在feox层上加一个带圆孔的掩膜片和一个平行于掩膜片的均匀磁场，依次沉积co层和ito层。

进一步，所述步骤s1、s2和s4中所有的沉积操作都通过直流磁控溅射法实现。

进一步，所述步骤s3中的沉积操作通过射频磁控溅射法实现。

有益效果：本发明公开了一种电调控交换偏置方法、器件及其制备方法，利用铁磁金属co和反铁磁氧化物feox的界面耦合作用，通过使用电场直接调节界面的氧空位浓度从而出现阻变效应的高阻态和低阻态，在不同的电阻态下实现了电调控的co/feox的交换耦合作用，因此本发明能够实现室温下、可逆、非易失、可重复的电调控交换偏置效应。此外，与低阻态相比较器件在高阻态下的矫顽力发生了显著的增加，而交换偏置场则稍稍增加，高阻态和低阻态及其所对应的矫顽力和偏置场的变化可以可逆的切换。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中电调控器件的结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中电调控器件的截面透射电子显微镜图；

图3为本发明具体实施方式中电调控器件的阻变特性的i-v曲线；

图4为本发明具体实施方式中电调控器件在不同电阻态下的磁滞回线；

图5为本发明具体实施方式中电调控器件在不同电阻态下的交换偏置场和矫顽力。

具体实施方式

本具体实施方式公开了一种电调控交换偏置方法，包括以下步骤：

s11：电调控器件的原始态处于高阻态，将电调控器件的电压从0v开始向负电压扫描，扫描至-4.2v时的限制电流设定为1ma，此时电调控器件开启，由高阻态转化为低阻态，交换偏置场和矫顽力处于最小值；然后继续扫描至-5v，再从-5v扫描至0v；

s21：取消限流，从0v开始向正电压扫描，扫描至3.2v时电调控器件重置，由低阻态转化为高阻态，交换偏置场和矫顽力处于最大值；然后继续扫描至5v，再从5v扫描至0v。

可见，在电调控交换偏置的过程中，电压扫描顺序是0→-5→+5→0。在0.1v时所对应高、低阻态的电阻之比(开关比)约为10³。高阻态的英文缩写为hrs，低阻态的英文缩写为lrs。

用以上方法把器件单元设定在高阻态或者低阻态，之后用nanomoke3测试其器件单元的磁滞回线后得到矫顽力和交换偏置场。图3中的上半部分和下半部分共用同一个横坐标，但纵坐标不同，上半部分的纵坐标为线性坐标，下半部分的纵坐标为对数坐标。图3表明电调控器件具有典型的阻变效应，也即其可以从高阻态通过电压切换到低阻态，反之亦然。一般用交换偏置场he和矫顽力hc的变化来描述交换偏置效应，其定义为he＝(-hl-hr)/2，hc＝(-hl+hr)/2，其中hl为磁滞回线下降支的矫顽场，hr为磁滞回线上升支的矫顽场。图5表明在低阻态和高阻态下的hc分别是66oe和112.5oe，其所对应的he分别是116oe和122.5oe。由图4和图5可知，高阻态所对应的磁滞回线的形状变化比较大，矫顽力显著增加，而交换偏置场的增加不明显。为了方便描述在高、低阻态下he和hc的变化，定义其中ηe表示在低阻态和高阻态下的he的相对变化量，而ηc表示在低阻态和高阻态下的hc的相对变化量。计算得到ηc约为70.4％，而ηe等于5％。因此，界面势垒阻变特性的不同电阻态可以调控feox/co的界面耦合。

本具体实施方式还公开了一种电调控器件，如图1所示，包括衬底，衬底为si片，si片上部设有ti层，ti层上部设有pt层，pt层上部设有feox层，feox层上部设有co层，co层上部设有ito层；其中，x为1.5。

其中，ti层的厚度为2nm，pt层的厚度为50nm，feox层的厚度为65nm，co层的厚度为2.6nm，ito层的厚度为67nm。feox层是用ɑ-fe2o3靶材在氩气和氧气氛围下沉积得到的。ito层是用ito靶材(ito靶材是由sno2和in2o3为1:9比例混合烧制而成)溅射沉积得到的。如图2所示，电调控器件横截面的亮暗tem表明具有良好的堆垛结构，相邻层之间具有明显而清晰的界面。之所以采用ito层，是因为其既可以导电作为顶电极，又是透明的从而利于用moke探测电调控器件的磁矩。

本具体实施方式还公开了制备电调控器件的方法，包括以下步骤：

s1：以si片作为衬底，采用直流磁控溅射法在衬底上沉积2nm的ti层；

s2：采用直流磁控溅射法在ti层上沉积50nm的pt层；

s3：采用射频磁控溅射法在pt层上沉积65nm的feox层；

s4：在feox层上加一个直径160um的带圆孔的掩膜片和一个平行于掩膜片的大小为200oe的均匀磁场，采用直流磁控溅射法依次沉积2.6nm的co层和67nm的ito层。