构建磁性原子点接触的方法与器件磁电阻的调控方法与流程

本发明涉及纳米技术及磁电子器件领域，特别是涉及一种构建磁性原子点接触的方法与器件磁电阻的调控方法。

背景技术：

磁电阻效应在硬盘驱动磁头和磁随机存储器等方面的技术应用中起着极其重要的作用，因而是人们研究的热点之一。为了能够充分促进磁电子器件产业的发展，在简单的垂直器件结构中获得一种大的磁电阻非常重要。弹道磁电阻效应是具有磁性原子点接触结构的器件表现出的磁电阻行为，在纳米量级的点接触中产生高达百分之几百甚至几万的磁电阻效应，从理论上来说，它能够使计算机硬盘的存储容量可以再提高一千倍。因此自弹道磁电阻效应被发现就引起了人们对亚微米级的铁磁性纳米接触的研究热潮。

目前，已有人员采用机械断结法，离子束沉积，电子束刻蚀和电化学法等方法构建磁性原子点接触，但这些方法存在操作复杂繁琐，成本高昂，稳定性、可控性和重复性较差，与cmos工艺不兼容等缺点，限制了磁性原子点接触的发展和弹道磁电阻的实际应用。因此，使用简单的方法构建稳定可调控的磁原子接触结构并获得大的弹道磁电阻效应非常有意义。

技术实现要素：

针对上述技术现状，本发明提供一种磁性原子点接触的构建方法，在具有电致电阻效应的器件中，通过在器件两端施加电压，在器件中形成磁性的导电通道(或者称为导电丝)，再施加不同的反向电压，从而获得不同尺寸的磁性原子点接触。该方法具有操作简单、可精确控制纳米结构、重复性好，且可以原位调节等优点。

即，本发明所采用的技术方案为：一种构建磁性原子点接触的方法，如图1所示，采用具有“底电极/介质层/顶电极”的三明治结构器件，其中底电极和顶电极选用导电材料，介质层选用通过电场作用，在其中能够形成磁性纳米导电通道的半导体或绝缘体材料；首先，在底电极与顶电极之间施加电压，驱动离子迁移与氧化还原，形成具有磁性的导电通道；然后，施加反向电压，器件电流减小，电阻增大，通过控制电压的大小获得不同尺寸的磁性纳米导电通道，当导电区域的接触部分达到原子尺度，该结构的尺寸范围小于电子的平均自由程，尺度接近费米波长，即得到磁性原子点接触，这种磁性原子点接触的电导是量子化的，其量子化电导单位为g0＝2e²/h(其中e代表一个电子的电量，h代表普朗克常数，)因此，当导电通道的电导g达到ng0，n为正整数或者半正整数(即，正整数的0.5倍)时，实现导电通道与电极之间的磁性原子点接触，电子在器件内部以弹道输运的方式传输。当n值不同时，即对应得到不同尺寸的磁性原子点接触。即，通过调节不同电压值可以构建不同尺寸的磁性原子点接触。

另外，本发明人发现，当对该具有不同尺度的磁性原子点接触器件施加磁场，其电阻发生变化，在其他条件相同的情况下，定义磁电阻＝(施加磁场时的电阻-未施加磁场时的电阻)/未施加磁场时的电阻×100％，则不同尺度的磁性原子点接触获得对应的磁电阻，此时所述器件为磁电阻器件；并且，其电导值越小，磁电阻越大，即，通过调控磁性原子点接触的尺寸能够调控该器件的磁电阻大小。

作为优选，0.5≤n≤20。

所述磁场方向不限，作为优选，磁场方向平行或垂直器件表面。

所述底电极材料为惰性金属或金属氧化物，包括但不限于pt、au、ti、w、cr、ta、ito中的一种或两种。

所述顶电极材料为惰性金属或金属氧化物，包括但不限于pt、au、ti、w、cr、ta、ito中的一种或两种。

所述介质层材料具有电致电阻转变性质，通电以后能够形成磁性导电通道，并且具有一定绝缘性质。所述介质层材料包括但不限于co2o3、nio、gd2o3、eu2o3中的一种或两种。

作为优选，所述器件还包括衬底，所述底电极位于衬底上。所述衬底不限，可为刚性衬底或者柔性衬底。

所述三明治结构器件的制备方法不限，例如，可以通过物理沉积法或者其他方法制备。

综上所述，本发明提供了一种构建磁性原子点接触的方法，采用具有电致电阻转变功能的结构器件，选用导电材料作为电极，选用通过电场作用能够在其中形成磁性纳米导电通道的半导体或绝缘体材料作为介质层，采用在电极两端施加电压的方式，在电场驱动下形成磁性纳米导电通道，通过调控电压大小，获得不同尺寸的磁性原子点接触，并且在不同磁性原子点接触下获得对应的弹道磁电阻。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)构建方法简便易控制，并且控制精确；

(2)构建方法中使用的器件结构简单，与cmos工艺兼容；

(3)选用不同的介质层材料，能够在不同的材料体系中构建不同种类的磁性原子点接触；通过调控电压大小，能够获得不同尺寸的磁性原子点接触；

(4)对构建得到的磁性原子点接触器件施加磁场，并且通过调控磁性原子点接触的尺寸能够调控该器件的磁电阻大小。

附图说明

图1是本发明构建磁性原子点接触的方法中的“三明治”结构器件及其中形成的磁性原子点接触示意图。

图2是本发明实施例1中“三明治”结构器件的电流电压特性曲线。

图3是本发明实施例1中“三明治”结构器件在1g0状态下的磁电阻曲线。

图4是本发明实施例1中不同尺寸磁性原子点接触器件对应的磁电阻值趋势示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，如图1所示，器件结构包括衬底、底电极、介质层与顶电极。底电极位于衬底上，介质层位于底电极与顶电极之间。

本实施例中，采用镀铂si片，其中si为衬底，pt为底电极，底电极的厚度为150nm。顶电极采用金属pt，其厚度分别为50nm。介质层采用gd2o3薄膜，其厚度为15nm。

本实施例中，采用镀膜的方法制备该器件，包括如下步骤：

(1)将镀铂si片分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟，取出后用氮气吹干；

(2)将镀铂si片放入磁控溅射真空腔体中，进行如下沉积：

在氩氧比为4:1，气压为0.9pa的气氛中，以gd2o3为靶材，用射频溅射的方法在底电极表面沉积一层厚度为15nm的gd2o3薄膜，溅射功率为60w；

(3)将镀有gd2o3的基片放入电子束蒸发的真空腔体中，在其上蒸镀一层厚度为50nm的pt薄膜作为顶电极。

使用keithley4200半导体参数测量仪，对该器件进行如下电处理：

(1)起始态

如图1所示，起始态时，器件未加电形成磁性纳米导电丝，器件处于高阻态。

(2)施加正向电压形成磁性纳米导电丝

使用keithley4200半导体参数测量仪将器件进行forming操作，即，给器件顶电极pt施加正电压，设置限制电流，逐渐增大电压，当器件电流突然增大到限制电流，且可保持，此时器件处于低阻态，即磁性纳米导电丝形成。

(3)施加反向电压逐渐剥离磁性导电丝

使用keithley4200半导体参数测量仪将器件进行reset操作，即，给器件顶电极施加负电压，随着电压的增大，电流减小，电阻逐渐增大，到一定程度时电导值以g0为单位呈台阶式阶跃性变化，此时构建获得磁性原子点接触，器件的电流电压特性曲线如图2所示。之后，通过调节不同的reset电压，获得电导态为0.5g0—20g0的导电丝，即获得不同尺寸的磁性原子点接触。

对具有不同尺度的磁性原子点接触器件施加磁场，利用keithley4200半导体参数测量仪，lakeshoreemcrx-hf低温探针台，以及keithley237电压源对具有不同尺寸的磁性原子点接触器件进行磁电阻测量：

每个磁性原子点接触状态对应具有一个磁电阻值，器件在电导值为1g0状态下的磁电阻曲线如图3所示；调控电压值，得到不同量子电导态，其磁电阻的变化趋势示意图如图4所示，显示当电导态较小时，即纳米点接触尺寸较小时，磁电阻值较大，随着电导态的变大，纳米点接触尺寸变大，磁电阻值逐渐减小。

实施例2：

本实施例中，器件结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是介质层采用nio薄膜替代实例1中的gd2o3薄膜。

本实施例中，采用镀膜的方法制备该器件，包括如下步骤：

(1)将镀铂si片分别用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟，取出后用氮气吹干；

(2)将镀铂si片放入磁控溅射真空腔体中，进行如下沉积：

在氩氧比为1:2，气压为0.9pa的气氛中，以nio为靶材，用射频溅射的方法在底电极表面沉积一层厚度为15nm的nio薄膜，溅射功率为60w；

(3)将镀有nio的基片放入电子束蒸发的真空腔体中，在其上蒸镀一层厚度为50nm的pt薄膜作为顶电极。

使用keithley4200半导体参数测量仪对该器件进行类似实施例1的电处理，使两电极之间形成导电丝；通过调节电压幅值，分别获得电导态为0.5g0-20g0的磁性原子点接触。

使用keithley4200半导体参数测量仪，对该器件进行类似实施例1的电处理，构建获得磁性原子点接触，并且通过调节不同的reset电压，获得不同量子电导态的磁性原子点接触，即，不同尺寸的磁性原子点接触。

对具有不同尺度的磁性原子点接触器件施加磁场，利用keithley4200半导体参数测量仪，lakeshoreemcrx-hf低温探针台，以及keithley237电压源对具有不同尺寸的磁性原子点接触器件进行磁电阻测量，得到：每个磁性原子点接触状态对应具有一个磁电阻值；在不同量子电导态，其磁电阻的变化趋势类似图4所示，显示当电导态较小时，即纳米点接触尺寸较小时，磁电阻值较大，随着电导态的变大，纳米点接触尺寸变大，磁电阻值逐渐减小。

实施例3：

本实施例中，器件结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是介质层采用co2o3薄膜替代实例1中的gd2o3薄膜。

使用keithley4200半导体参数测量仪对该器件进行类似实施例1的电处理，使两电极之间形成导电丝；通过调节电压幅值，获得不同量子电导态的磁性原子点接触，即，不同尺寸的磁性原子点接触。

使用keithley4200半导体参数测量仪，对该器件进行类似实施例1的电处理，构建获得磁性原子点接触，并且通过调节不同的reset电压，获得不同尺寸的磁性原子点接触。

对具有不同尺度的磁性原子点接触器件施加磁场，利用keithley4200半导体参数测量仪，lakeshoreemcrx-hf低温探针台，以及keithley237电压源对具有不同尺寸的磁性原子点接触器件进行磁电阻测量，得到：

每个磁性原子点接触状态对应具有一个磁电阻值；在不同量子电导态，其磁电阻的变化趋势类似图4所示，显示当电导态较小时，即纳米点接触尺寸较小时，磁电阻值较大，随着电导态的变大，纳米点接触尺寸变大，磁电阻值逐渐减小。

实施例4：

本实施例中，器件结构与实施例1中的结构基本相同，所不同的是介质层采用eu2o3薄膜替代实例1中的gd2o3薄膜。

使用keithley4200半导体参数测量仪对该器件进行类似实施例1的电处理，使两电极之间形成导电丝；通过调节电压幅值，获得不同量子电导态的磁性原子点接触，即，不同尺寸的磁性原子点接触。

使用keithley4200半导体参数测量仪，对该器件进行类似实施例1的电处理，构建获得磁性原子点接触，并且通过调节不同的reset电压，获得不同尺寸的磁性原子点接触。

对具有不同尺度的磁性原子点接触器件施加磁场，利用keithley4200半导体参数测量仪，lakeshoreemcrx-hf低温探针台，以及keithley237电压源对具有不同尺寸的磁性原子点接触器件进行磁电阻测量，得到：

每个磁性原子点接触状态对应具有一个磁电阻值；在不同量子电导态，其磁电阻的变化趋势类似图4所示，显示当电导态较小时，即纳米点接触尺寸较小时，磁电阻值较大，随着电导态的变大，纳米点接触尺寸变大，磁电阻值逐渐减小。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。