一种磁电异质结薄膜及其制备方法

本发明涉及磁电复合薄膜，特别涉及一种磁电异质结薄膜及其制备方法。

背景技术：

1、磁电复合材料因具备磁电耦合效应而在磁电传感器、存储器、微波通信等重要领域有着广阔的应用前景。一般地，铁磁材料往往是金属，而铁电材料是绝缘体，受制于铁磁性和铁电性在结构上存在的互斥性，自然界中同时具备铁磁性和铁电性的材料种类极少并且相应的磁电耦合效应非常弱，此外，大多数只有在极低温度下才表现出磁电耦合效应，这极大限制了单相多铁材料的应用。铁酸铋(bfo)薄膜是目前已知的唯一一种室温下具备磁电耦合效应的单相材料，其铁电性来自于bi3+的孤对电子与其他轨道杂化而导致电子云的非对称中心扭曲，螺旋反铁磁性来自于fe3+沿bfo的空间螺旋结构的[111]方向有序排列，相邻的fe原子磁矩在(111)面内具有净磁矩，表现出反铁磁性，反铁磁易面于bfo的铁电极化方向垂直，bfo在电场作用下进行极化翻转时，其反铁磁易面也随之翻转，从而实现bfo铁电性与反铁磁性的耦合，但这种耦合效应受bfo内禀磁性能的限制表现得非常弱，严重阻碍了bfo在磁电耦合材料领域的应用。

2、因此，通过将bfo薄膜与强磁性铁磁薄膜材料复合成异质结构，通过界面处铁磁性与反铁磁性的交换偏置效应，来实现磁电耦合效应的增强是目前的研究热点。稀土磁性材料具有独特的4f电子层结构，与过渡金属结合形成的材料具有优异的铁磁性能。将上述两种具有典型铁电/铁磁特性的材料强强联合，将为磁电复合材料从理论研究拓展到生产应用提供强大的助力。但由于bfo薄膜与稀土磁性薄膜材料之间存在较大的晶体结构差异，导致bfo薄膜与稀土磁性薄膜材料形成复合成异质结构通常存在严重晶格失配问题，最终导致界面及磁性耦合效果不佳。

3、因此，开发一种可通过简单实验制备且界面耦合效果良好的磁电异质结薄膜是亟不可待的。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的上述技术问题之一。为此，本发明的目的在于提供一种磁电异质结薄膜，该磁电异质结薄膜同时具有多铁层室温磁电耦合效应和铁磁层优异的磁性能，通过界面处较强的交换偏置效应，可以增强异质结薄膜的磁电耦合效应。

2、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、本发明的第一个方面，提出了一种磁电异质结薄膜，包括依次层叠的钛酸锶基底层、钌酸锶电极层、铁酸铋铁电材料层和smco基铁磁材料层。

4、在本发明的一些实施方式中，所述钛酸锶基底层的厚度为0.1～1mm，所述钛酸锶的晶体结构包括单晶。

5、在本发明的一些实施方式中，所述钛酸锶基底层的厚度为0.5mm。

6、在本发明的一些实施方式中，所述钌酸锶电极层的厚度为40～50nm。

7、在本发明的一些实施方式中，所述钌酸锶电极层的厚度为40nm。

8、在本发明的一些实施方式中，所述铁酸铋铁电材料层的厚度为100～200nm，所述铁酸铋铁电材料层包括菱形相结构，所述铁酸铋层在室温下具有铁电性和g型反铁磁性。

9、在本发明的一些实施方式中，所述铁酸铋铁电材料层的厚度为100nm。

10、在本发明的一些实施方式中，所述smco基铁磁材料层的厚度为2～20nm，所述smco基铁磁材料的晶体结构包括非晶、单晶。

11、在本发明的一些实施方式中，所述smco基铁磁材料层呈层状分布或呈点阵分布。

12、在本发明的一些实施方式中，所述磁电异质结薄膜还包括保护层，所述保护层设置在铁磁材料层上。

13、在本发明的一些实施方式中，所述保护层包括金属ta层、pt层中的至少一种。

14、在本发明的一些实施方式中，所述保护层的厚度为2～20nm。

15、本发明的第二方面，提出了一种所述的磁电异质结薄膜的制备方法，包括如下步骤：

16、s1.通过脉冲激光，在所述钛酸锶基底层上通过第一沉积形成所述钌酸锶电极层，在所述钌酸锶电极层上通过第二沉积形成所述铁酸铋铁电材料层；

17、s2.通过磁控溅射，在所述铁酸铋铁电材料层上通过第一溅射形成所述smco基铁磁材料层，冷处理，得磁电异质结薄膜。

18、在本发明的一些实施方式中，s1中，所述第一沉积的气压为8～12pa，第一沉积的温度为700～750℃，所述第二沉积的气压为8～12pa，第二沉积的温度为670～730℃。

19、在本发明的一些实施方式中，s1中，所述第一沉积的气压为10pa，第一沉积的温度为710℃，所述第二沉积的气压为10pa，第二沉积的温度为690℃。

20、在本发明的一些实施方式中，s1中，所述第一沉积的激光腔内能量为50～70mj、6～10hz，中距，1800～2200pulse。

21、在本发明的一些实施方式中，s1中，所述第一沉积的激光腔内能量为60mj、8hz，中距，2000pulse。

22、在本发明的一些实施方式中，s1中，所述第二沉积的激光腔内能量为50～70mj、6～10hz，中距，6000～7000pulse。

23、在本发明的一些实施方式中，s1中，所述第二沉积的激光腔内能量为60mj、8hz中距为6500pulse。

24、在本发明的一些实施方式中，s2中，所述第一溅射的气压为0.6～1.0pa，第一溅射的功率为8～12w。

25、在本发明的一些实施方式中，s2中，所述第一溅射的沉积气压为0.8pa，第一溅射的功率为10w。

26、在本发明的一些实施方式中，s2中，所述场冷处理的真空度为0.008～0.012mtorr，外加磁场为1800～2200oe，温度为630～670k。

27、在本发明的一些实施方式中，s2中，所述场冷处理的真空度为0.01mtorr，外加磁场为2000oe，温度为650k。

28、在本发明的一些实施方式中，所述的磁电异质结薄膜的制备方法还包括：在场冷处理之前，在铁磁材料层上通过第二溅射形成保护层。

29、在本发明的一些实施方式中，所述第二溅射的气压为1.0～1.4pa，第二溅射的功率为70～90w。

30、在本发明的一些实施方式中，所述第二溅射的气压为1.2pa，第二溅射的功率为80w。

31、本发明的第三方面，提出了所述磁电异质结薄膜在磁电传感器、存储器、微波通信设备中的应用。

32、相比于现有技术，本发明具有如下有益效果：

33、(1)本发明中磁电异质结薄膜具有非常强的磁性以及较大的交换偏置场，可实现较强的磁电耦合效应；本发明中制备方法简单易控，成分易调，通过针对不同材料的特性采用不同薄膜沉积方法，提高了样品优良率，增强了异质结薄膜界面耦合效果，形成界面耦合效果良好的磁电异质结薄膜。

34、(2)本发明中磁电异质结薄膜包括一层多铁氧化物薄膜(bfo铁电材料层)和一层稀土磁性薄膜(smco基铁磁材料层)，是利用两步法制备成具有多层材料的整体结构，第一步，通过脉冲激光沉积方式，在氧化物(钛酸锶基底层)上依次外延生长钌酸锶电极层、多铁氧化物层(bfo铁电材料层)；第二步，通过磁控溅射方法在多铁氧化物层上沉积稀土磁性薄膜以及保护层。制备的异质结薄膜通过场冷处理实现了室温下稀土磁性层与多铁氧化物层的界面铁磁/反铁磁耦合作用，突破单一多铁氧化物层自身弱磁电耦合效应较弱的缺陷，依托此较强交换偏置效应可增强磁电耦合效应。该制备方法设备简单，易于控制，可靠性高，可用于磁电传感器，存储器，低频磁电天线及微波器件等领域。

35、(3)本发明中磁电异质结薄膜包括一层多铁氧化物薄膜(bfo铁电材料层)和一层稀土磁性薄膜(smco基铁磁材料层)，多铁氧化物薄膜和稀土磁性薄膜通过不同物理气相沉积方法外延生长氧化物衬底上形成的多层异质结薄膜结构，经过场冷处理得到异质结薄膜的铁磁/反铁磁界面耦合；磁电异质结薄膜的矫顽偏置场为210oe，通过外加电场来调控多铁氧化物薄膜的反铁磁性及交换偏置效应。

36、(4)本发明磁电异质结薄膜具有非常强的磁性以及明显的交换偏置场，可实现较强的磁电耦合效应。

37、(5)本发明磁电异质结薄膜中smco基铁磁材料层和保护层厚度均在很小的范围，smco基铁磁材料层及ta层能形成的晶粒尺寸在纳米级，对bfo的铁电性能影响较小。

38、(6)本发明的磁电异质结薄膜的磁电耦合机制属于交换偏置效应机制，所述膜层厚度更利于器件小型化发展。所述sto/sro/bfo具备微弱的反铁磁/铁电耦合效应，与强磁性稀土smco通过界面复合后，bfo的反铁磁距与smco的强铁磁距发生强的交换偏置效应，铁电材料层bfo在电场作用下发生极化，并诱导其反铁磁性发生变化，破坏了原本的反铁磁/铁磁交换偏置效应，解决bfo薄膜与稀土磁性薄膜材料形成复合成异质结构存在严重晶格失配的问题，从而磁电异质结薄膜的整体磁性能发生明显变化，并且在sro电极层作用下，bfo可以在很小的电压(10v)下发生电极化翻转，可以用做小电压调控磁性能的功能器件。

39、(7)当sto基底层和bfo铁电材料层之间无电极层时，由于sto本身是一种良好的介电材料，在对异质结施加外电场时，sto基体会感应电场而削弱电场，使得施加到bfo层的有效电场有限，因此，此时需要很高的电场来调控bfo层的铁电极化。本发明通过在sto基底层和bfo铁电材料层之间设置电极层，在对异质结施加电场时以sro为电极层，屏蔽掉sto的强介电性能，实现小电压调控bfo层的电极化，并且能降低sto基体带来的介电损耗，达到节能的目的。