專利名稱：一種可電場調節(jié)磁電阻的自旋閥結構及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于磁存儲技術領域，提供了一種可電場調控自旋閥結構。這種以多鐵性 材料為反鐵磁層的自旋閥結構，通過施加外電場可以改變反鐵磁層的電域方向，而由于多 鐵性材料的磁電耦合效應，其磁域方向也會發(fā)生變化，從而引起釘扎層磁域的變化，來改變 整個自旋閥的磁電阻狀態(tài)。這種磁電信號的相互觸發(fā)與控制，不僅有助于傳感器及磁存儲 器件多功能化，更有望以此為基礎發(fā)展新的原型器件，使超高速率的電寫入、磁讀出成為可 能。
背景技術：
鐵磁材料(ferromagnetics)具有自發(fā)磁矩，且其可以隨外加磁場變化而翻轉(開 關)，從而實現(xiàn)信息存儲?，F(xiàn)代電子產(chǎn)業(yè)，包括計算機等，廣泛使用磁存儲技術。而在工業(yè)生 產(chǎn)等領域非常重要的傳感器技術則主要基于鐵電材料。鐵電材料(ferroelectrics)具有 自發(fā)電極化，這一電極化可以隨外加電場變化而翻轉(開關)。很多鐵電材料同時也是鐵彈 材料(ferroelastics)，其電極化的改變通常伴隨著形狀(或晶格常數(shù))的變化，因此被廣 泛應用于傳感器或聲波換能器等方面。就信息記錄和讀取來說，磁記錄讀取速度快但寫入 慢，鐵電記錄讀取復雜但寫入速度快，并且具有非揮發(fā)性。而且隨著科學技術的進步，人們 對于器件小型化和多功能化得要求越來越高，這就需要發(fā)展新的材料以研制新型器件。多 鐵性材料(multiferroics)和磁電耦合效應(magnetoelectric effect)的發(fā)現(xiàn)為我們提 供了一個非常好的解決方案。僅就目前的預測來看，多鐵性材料在傳感器、自旋電子學等領域有廣闊的應用前 景。最簡單和直接的應用是利用電極化(電壓)對外加磁場的敏感性來制作磁場傳感器，而 其逆過程外加電場或電極化的改變對系統(tǒng)磁矩的影響，似乎更具吸引力。Ramesh等提出可 以利用反鐵磁對鐵磁的磁釘扎來實現(xiàn)對這一效應的觀測。他們指出可以在反鐵磁的多鐵性 材料薄膜上生長一層軟磁材料結構，利用磁交換偏置釘扎效應，外加電場導致反鐵磁多鐵 性材料磁矩改變，由此導致軟鐵磁層磁化方向改變，從而實現(xiàn)信息的讀取[Ramesh R.，and Spaldin Α. N. , Nature Mater. 6 :21-29 (2007) ] 現(xiàn)有的多鐵性材料為數(shù)不多，且大都是鐵 電反鐵磁，所以可用多鐵性材料取代傳統(tǒng)自旋閥的反鐵磁層，利用其磁電耦合效應和磁交 換偏置釘扎效應，可以實現(xiàn)通過施加外電場改變整個自旋閥的電阻狀態(tài)，即對整個自旋閥 進行電場調控。BiFeO3是唯一被證實具有室溫多鐵性的材料，室溫下呈反鐵磁有序(奈爾溫度為 3800C )和鐵電有序(居里溫度為 810°C ) [Wang J.，Neaton J. B.，Zheng H.，Nagarajan V. , Ogale S. B. , Liu B. , Viehland D. , Vaithyanathan V. , Schlom D. G. , Waghmare U. V., Spaldin N. A.，Rabe K. Μ, Wuttig Μ, and Ramesh R. , Science 299，1719 Q003)]，但是 BFO 在室溫下大的漏導和低的阻抗值使得其只能夠在較低的溫度下觀察到磁電效應。近年來 薄膜制備技術的進步極大減小了 BWeO3在室溫下的漏導，從而在室溫下觀測到比較強的 磁電效應。另外BWeO3與其他ABO3型鈣鈦礦結構的鐵電材料進行固熔或摻雜改性，也被證明可以增強磁電效應[Srinivas A.，Kim D. W.，and Hong K. S.，Appl. Phys. Lett. 83， 2217 (2003) ]0而這些都預示著利用Bii^eO3或以Bii^eO3為基礎的多鐵性材料，對自旋閥進 行電場調控的可行性。

發(fā)明內容
本發(fā)明目的在于提供一種新型自旋閥結構，它將具有磁場和電場兩種調控手段。 結構中的反鐵磁層采用多鐵性材料，利用其磁電耦合效應，通過施加外電場來改變反鐵磁 層的磁域方向，進而改變釘扎層磁域方向，達到調節(jié)整個自旋閥高低兩種電阻態(tài)的目的。本發(fā)明的反鐵磁層以及自旋閥結構通過常規(guī)的薄膜沉積設備(例如激光脈沖沉 積、磁控濺射等等)制備而成。本發(fā)明的基本結構為五層薄膜從底往上第一層為多鐵性材料反鐵磁層，厚度約為30 320納米。從底往上第二層為釘扎層Co9t^eltl，厚度為2 10納米。從底往上第三層為非磁層Cu，厚度為2 10納米。從底往上第四層為自由層Co9t^eltl，厚度為2 10納米。從底往上第五層為保護層Ta，厚度為10納米。進一步的，所述第一層多鐵性反鐵磁層優(yōu)選為Bii^03。上述的具體制作工藝如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt層作為底電極，大 小為10*10 (mm2)；激光脈沖沉積生長多鐵性反鐵磁層，激光能量為300mJ，頻率為5Hz，沉 積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 750°C，退火氧氣壓為20 300Pa， 退火時間30分鐘；磁控濺射生長自旋閥結構，濺射室本底真空度為2X10_5Pa，濺射時氬氣 (99. 99% )壓為0. 5Pa，基片用循環(huán)水冷卻。進一步的，所述第一層多鐵性反鐵磁層優(yōu)選為Bi2i^Cr06。上述的具體制作工藝如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt層作為底電極，大 小為10*10 (mm2)；激光脈沖沉積生長多鐵性反鐵磁層，激光能量為300mJ，頻率為5Hz，沉 積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 700°C，退火氧氣壓為20 300Pa， 退火時間30分鐘；磁控濺射生長自旋閥結構，濺射室本底真空度為2X10_5Pa，濺射時氬氣 (99. 99% )壓為0. 5Pa，基片用循環(huán)水冷卻。進一步的，所述第一層多鐵性反鐵磁層優(yōu)選為復合多鐵材料 BiFeO3-Ba0.5Sr05Ti03。上述的具體制作工藝如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt層作為底電極，大 小為10*10(mm2)；激光脈沖沉積生長B^5Sra5TiO3層，激光能量為220mJ，頻率為5Hz，沉積 時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 700°C，退火氧氣壓為20 300Pa，退火 時間30分鐘；然后激光脈沖沉積生長多鐵性反鐵磁層，激光能量為300mJ，頻率為5Hz，沉 積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 700°C，退火氧氣壓為20 300Pa， 退火時間30分鐘；磁控濺射生長自旋閥結構，濺射室本底真空度為2X10_5Pa，濺射時氬氣 (99. 99% )壓為0. 5Pa，基片用循環(huán)水冷卻。本發(fā)明的優(yōu)點在于只需要對多鐵性反鐵磁層施加一個很小的電壓，就可以使反 鐵磁層磁域發(fā)生變化，而改變釘扎層磁域方向，使整個自旋閥的電阻發(fā)生改變。


圖1為本發(fā)明的結構示意圖。 圖2為本發(fā)明的電阻值隨所施加的外電場的變化而出現(xiàn)高低兩種狀態(tài)。圖3為本發(fā)明樣品1在未施加外電場情況下，所測量的磁電阻。圖4為本發(fā)明樣品1在施加+0. 5V電壓10分鐘后，所測量的磁電阻。圖5為本發(fā)明樣品1在施加-0. 5V電壓10分鐘后，所測量的磁電阻。圖6為本發(fā)明樣品2在施加+0. 5V電壓10分鐘后，所測量的磁電阻。圖7為本發(fā)明樣品2在施加-0. 5V電壓10分鐘后，所測量的磁電阻。圖8為本發(fā)明樣品3在施加+0. 5V電壓10分鐘后，所測量的磁電阻。圖9為本發(fā)明樣品3在施加-0. 5V電壓10分鐘后，所測量的磁電阻。
具體實施例方式申請人:根據(jù)上述結構，分別利用激光脈沖沉積和磁控濺射系統(tǒng)生長了新的自旋閥 結構樣品1 以多鐵性材料BiFeO3為反鐵磁層，采用激光脈沖沉積法沉積在基片上，然 后用磁控濺射原位生長自旋閥。上述結構的詳細制備工藝為采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si 基片，Pt層作為底電極，大小為10*10(mm2)；激光脈沖沉積生長多鐵性反鐵磁層，激光能量 為300mJ，頻率為5Hz，沉積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 750°C，退火 氧氣壓為20 300Pa，退火時間30分鐘；磁控濺射生長自旋閥結構，濺射室本底真空度為 2X10_5Pa，濺射時氬氣(99.99%)壓為0. 5Pa，基片用循環(huán)水冷卻。各層厚度分別為多鐵 性材料BiFeO3厚度200納米，釘扎層Co9tlFeltl厚度為5納米，非磁層Cu厚度為5納米，自由 層Co9tlFeltl厚度為3納米，保護層Ta，厚度為10納米。樣品2 以多鐵性材料Bi2FeCrO6*反鐵磁層，采用激光脈沖沉積法沉積在基片上， 然后用磁控濺射原位生長自旋閥。上述結構的詳細制備工藝為采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si 基片，Pt層作為底電極，大小為10*10(mm2)；激光脈沖沉積生長多鐵性反鐵磁層，激光能量 為300mJ，頻率為5Hz，沉積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 lOPa，溫度為650 700°C，退火 氧氣壓為20 300Pa，退火時間30分鐘；磁控濺射生長自旋閥結構，濺射室本底真空度為 2X10_5Pa，濺射時氬氣(99.99%)壓為0. 5Pa，基片用循環(huán)水冷卻。各層厚度分別為多鐵 性材料Bi2FeCrO6厚度160納米，釘扎層Co9tlFeltl厚度為5納米，非磁層Cu厚度為5納米，自 由層Co9tlFeltl厚度為3納米，保護層Ta，厚度為10納米。樣品3 以多鐵性復合材料BiFeO3-Baa5Sra5TiO3為反鐵磁層，采用激光脈沖沉 積法沉積在基片上，然后用磁控濺射原位生長自旋閥。上述結構的詳細制備工藝為采 用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt層作為底電極，大小為10*10 (mm2)；激光脈沖沉積生長 Baa5Sra5TiO3層，激光能量為220mJ，頻率為5Hz，沉積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 IOPa, 溫度為650 700°C，退火氧氣壓為20 300Pa，退火時間30分鐘；然后激光脈沖沉積生長 多鐵性反鐵磁層，激光能量為300mJ，頻率為5Hz，沉積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 lOPa， 溫度為650 700°C，退火氧氣壓為20 300Pa，退火時間30分鐘；磁控濺射生長自旋閥 結構，濺射室本底真空度為2X10_5Pa，濺射時氬氣(99. 99% )壓為0. 5Pa，基片用循環(huán)水冷卻。各層厚度分別為復合多鐵材料Bii^O3-BEia5Sra5TiO3厚度320納米，釘扎層Co9tlFeltl厚 度為5納米，非磁層Cu厚度為5納米，自由層Co9tlFeltl厚度為3納米，保護層Ta，厚度為10 納米。 對于制備好的樣品，我們分別在基片的Pt層和最頂層Ta層引入電極，使用穩(wěn)壓源 提供電壓，持續(xù)時間10分鐘，測量樣品的磁電阻。經(jīng)過測量，所有樣品在施加不同電壓后都 可以測量出磁電阻，而且磁電阻產(chǎn)生了一定的變化，體系整體電阻值也會出現(xiàn)高低不同的 狀態(tài)，表明外加電場通過多鐵性反鐵磁層，對于整個自旋閥起到調制作用。
權利要求
1.一種可電場調節(jié)磁電阻的自旋閥結構，其特征在于，具體結構為從底往上第一層為多鐵性反鐵磁層，厚度為30 320納米；從底往上第二層為釘扎層CoJ7eitl,厚度為2 10納米；從底往上第三層為非磁層Cu，厚度為2 10納米；從底往上第四層為自由層Co9t^eltl,厚度為2 10納米；從底往上第五層為保護層Ta，厚度為10納米。
2.根據(jù)權利要求1所述的自旋閥結構，其特征在于所述第一層多鐵性反鐵磁層為BWe03。
3.根據(jù)權利要求1所述的自旋閥結構，其特征在于所述第一層多鐵性反鐵磁層為BifeCrCV
4.根據(jù)權利要求1所述的自旋閥結構，其特征在于所述第一層多鐵性反鐵磁層為復合多鐵材料Bii^eO3-Biia5Sra5TiO3tj
5.如權利要求2所述的自旋閥結構制備工藝，步驟如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt層作為底電極，大小為10*10 (mm2)；激光脈沖沉積 生長多鐵性反鐵磁層，激光能量為300mJ，頻率為5Hz，沉積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 750°C，退火氧氣壓為20 300Pa，退火時間30分鐘；磁控濺射生長自 旋閥結構，濺射室本底真空度為2X10_5Pa，濺射時氬氣(99. 99%)壓為0. 5Pa，基片用循環(huán) 水冷卻。
6.如權利要求3所述的自旋閥結構制備工藝，步驟如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt層作為底電極，大小為10*10 (mm2)；激光脈沖沉積 生長多鐵性反鐵磁層，激光能量為300mJ，頻率為5Hz，沉積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 700°C，退火氧氣壓為20 300Pa，退火時間30分鐘；磁控濺射生長自 旋閥結構，濺射室本底真空度為2X10_5Pa，濺射時氬氣(99. 99%)壓為0. 5Pa，基片用循環(huán) 水冷卻。
7.如權利要求4所述的自旋閥結構制備工藝，步驟如下采用Pt(lll)/Ti/Si02/Si基片，Pt層作為底電極，大小為10*10 (mm2)；激光脈沖沉積 生長BEia5Sra5TiO3層，激光能量為220mJ，頻率為5Hz，沉積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 700°C，退火氧氣壓為20 300Pa，退火時間30分鐘；然后激光脈沖沉 積生長多鐵性反鐵磁層，激光能量為300mJ，頻率為5Hz，沉積時氧氣(99. 99% )壓為0. 8 10Pa，溫度為650 700°C，退火氧氣壓為20 300Pa，退火時間30分鐘；磁控濺射生長自 旋閥結構，濺射室本底真空度為2X 10-5 ，濺射時氬氣(99. 99%)壓為0. 5Pa，基片用循環(huán) 水冷卻。
全文摘要
一種通過電場方式調節(jié)磁電阻的自旋閥結構，其特征在于以多鐵性材料取代傳統(tǒng)自旋閥中的反鐵磁層，制備出多鐵性反鐵磁層\釘扎層\非磁層\自由層的自旋閥結構，通過反鐵磁層來對整個自旋閥的磁電阻進行調控。本發(fā)明還公開了上述結構的制備工藝。本發(fā)明的優(yōu)點在于傳統(tǒng)自旋閥的調節(jié)方式為通過外磁場改變自由層的磁域方向，實現(xiàn)對磁電阻兩種狀態(tài)的調控，而我們的自旋閥則利用多鐵性材料的磁電耦合效應，通過施加外電壓改變電域方向進而改變其磁域方向，來影響釘扎層的磁域方向，實現(xiàn)對磁電阻兩種狀態(tài)的調控，即可被電場讀寫的磁性自旋閥。
文檔編號H01F41/18GK102129863SQ20101060878
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權日2010年12月17日
發(fā)明者姜勇, 張德林, 張欣, 徐曉光, 苗君 申請人:北京科技大學