一种电压调控自旋波薄膜组件及其集成应用

本发明涉及自旋波器件。更具体地，涉及一种电压调控自旋波薄膜组件及其应用。

背景技术：

1、随着信息技术及半导体工艺的发展，电子器件的尺寸已经缩小到纳米量级，摩尔定律已经逐渐失效，器件的功耗也越来越高，信息技术领域急需更高集成密度、更低功耗的下一代电子器件。

2、自旋波利用了电子的自旋属性，以电子自旋集体振动的频率和相位作为信息载体。自旋波的量子化形态为磁子，其传输具有超低功耗，可集成化等巨大优势，有望满足后摩尔时代信息器件的需求。自旋波作为自旋的集体激发，其振动模式与铁磁材料的磁性密切相关，当前自旋波的调控主要依赖磁场对材料磁化强度、磁矩方向等的控制，进而调控自旋波的激发频率和相位。然而，为实现对自旋波操控而设计可集成的信息器件，磁场并不是很好操控的手段。一方面，稳定磁场的产生难以小型化，因而不能与纳米级的器件相集成，并且磁场分布是非定域的，很难集中到纳米级别的区域，因此，磁场对自旋波的调控极大地限制了器件的集成密度；另一方面，当前磁场产生方式主要是利用电流的磁效应，即利用通电线圈来产生磁场，然而要产生足够大的磁场来操控铁磁材料的磁性势必需要很高的电流密度，这就势必造成巨大的发热及极高的功耗，这是下一代高性能信息器件所不能接受的。因此，以目前磁场调控为基础的信息器件无法满足高密度集成及超低功耗操控的需求。

技术实现思路

1、针对目前主要利用外磁场或者大电流的奥斯特效应来进行自旋波的调控，不仅限制了器件的集成密度，而且可能产生极高的功耗，影响器件的性能的问题，本发明目的是提供一种对自旋波传输的全新操控方法，以解决当前高密度自旋波器件应用的巨大难题，并有望作为后摩尔时代低功耗晶体管器件中的替代方案。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、第一方面，本发明提供一种电压调控自旋波薄膜组件，所述电压调控自旋波薄膜组件包括：绝缘衬底；依次层叠于绝缘衬底之上的锰氧化物铁磁层和铁电层；位于铁电层之上的控制电极及位于控制电极两侧的激发电极与接收电极；

4、所述锰氧化物铁磁层和铁电层之间形成铁磁-铁电多铁性异质结构。

5、进一步，所述锰氧化物铁磁层的材料为(r1-xmx)mno3(0.1≤x≤0.7)，其中，r为la、nd、sm和pr中的至少一种，m为ba、sr和ca中的至少一种；

6、优选地，所述锰氧化物铁磁层的材料为优选为la1-xsrxmno3(0.1≤x≤0.7)或la1-xbaxmno3(0.2≤x≤0.3)。

7、进一步，所述锰氧化物铁磁层的厚度为40nm-150nm。

8、进一步，所述铁电层的材料为bifeo3、batio3、pbtio3和hfo2中的至少一种。

9、进一步，所述铁电层的厚度为10nm-40nm。

10、进一步，所述绝缘衬底的材料为(001)取向的laalo3、(001)取向的srtio3、(110)取向的ndgao3、具有缓冲层的(001)取向的si中的至少一种；所述缓冲层的材料为(001)取向的laalo3、(001)取向的srtio3、(110)取向的ndgao3。

11、进一步，所述控制电极、激发电极和接收电极的材料各自独立地选自铂(pt)、金(au)、钛(ti)和铝(al)中的至少一种。

12、第二方面，本发明提供一种可高密度集成、低功耗电压调控自旋波的方法，所述方法通过在电压调控自旋波薄膜组件上施加直流电压，实现对自旋波的可逆调控。

13、进一步，所述方法具体包括以下步骤：

14、在所述激发电极上施加交变电场，激发出自旋波，之后将直流电压施加在所述控制电极上，实现对自旋波的可逆调控。

15、进一步，在本发明的方法中，所述直流电压的范围是0.5v-5v。

16、进一步，所述自旋波的调控具体包括：对自旋波的波长、相速、频率、波数或群速度的调控。

17、第三方面，本发明提供一种上述电压调控自旋波薄膜组件在在制备滤波器、移相器或磁子晶体管中的应用。

18、另需注意的是，如果没有特别说明，本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及以端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。本发明中制备方法如无特殊说明则均为常规方法，所用的原料如无特别说明均可从公开的商业途径获得或根据现有技术制得。

19、本发明的有益效果

20、发明提供的电压调控自旋波薄膜组件具有高效传输自旋波的能力，包含该电压调控自旋波薄膜组件的自旋波器件可通过直流电压对自旋波传输进行非易失性的可逆调控，相较于传统依赖外磁场或者大电流的奥斯特效应调控自旋波的组件，本发明不仅可以纳米级精确控制自旋波，而且可将每次调控的功耗控制在1-10阿焦范围内。

21、发明提供的可高密度集成、低功耗电压调控自旋波的方法利用电场可控的多铁性界面自旋、轨道及晶格等序参量的变化，进而带来电子轨道占据改变、磁畴结构变化(如斯格明子畴、螺旋畴、奈尔及布洛赫畴壁等)、各向异性能变化等，依此控制锰氧化物铁磁层中自旋波的相位、频率、强度，改变自旋波所承载的信息。

技术特征：

1.一种电压调控自旋波薄膜组件，其特征在于，所述电压调控自旋波薄膜组件包括：绝缘衬底；依次层叠于绝缘衬底之上的锰氧化物铁磁层和铁电层；位于铁电层之上的控制电极及位于控制电极两侧的激发电极与接收电极；

2.根据权利要求1所述的电压调控自旋波薄膜组件，其特征在于，所述锰氧化物铁磁层的材料为(r1-xmx)mno3(0.1≤x≤0.6)，其中，r为la、nd、sm和pr中的至少一种，m为ba、sr和ca中的至少一种；

3.根据权利要求1所述的电压调控自旋波薄膜组件，其特征在于，所述锰氧化物铁磁层的厚度为40nm-150nm。

4.根据权利要求1所述的电压调控自旋波薄膜组件，其特征在于，所述铁电层的材料为bifeo3，batio3、pbtio3和hfo2中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的电压调控自旋波薄膜组件，其特征在于，所述铁电层的厚度为10nm-40nm。

6.根据权利要求1所述的电压调控自旋波薄膜组件，其特征在于，所述绝缘衬底的材料为(001)取向的laalo3、(001)取向的srtio3、(110)取向的ndgao3、具有缓冲层的(001)取向的si中的至少一种；所述缓冲层的材料为(001)取向的laalo3、(001)取向的srtio3、(110)取向的ndgao3。

7.根据权利要求1所述的电压调控自旋波薄膜组件，其特征在于，所述控制电极、激发电极和接收电极的材料各自独立的选自铂、金、钛和铝中的至少一种。

8.一种可高密度集成、低功耗电压调控自旋波的方法，其特征在于，所述方法通过在权利要求1-7任一所述电压调控自旋波薄膜组件上施加直流电压，实现对自旋波的可逆调控；

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述直流电压的范围是0.5v-5v；

10.一种如权利要求1-7任一所述的电压调控自旋波薄膜组件在制备滤波器、移相器或磁子晶体管中的应用。

技术总结
本发明公开了一种电压调控自旋波薄膜组件及其集成应用。所述电压调控自旋波薄膜组件包括：绝缘衬底；依次层叠于绝缘衬底之上的锰氧化物铁磁层和铁电层；位于铁电层之上的控制电极及位于控制电极两侧的激发电极与接收电极；所述锰氧化物铁磁层和铁电层之间形成铁磁‑铁电多铁性异质结构。本发明提供的电压调控自旋波薄膜组件具有高效传输自旋波的能力，相较于传统外磁场或者大电流的奥斯特效应调控自旋波的组件，本发明的组件可将自旋波的调控功耗控制在阿焦级别，器件最小单元控制在纳米级别，有望解决当前自旋波在高性能逻辑及信息通讯等应用中所面临的需磁场辅助、高功耗电流调控等巨大难题。

技术研发人员：张金星,杨宇犇,邓功勋,葛健,王爱记
受保护的技术使用者：北京师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15