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一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置及方法.pdf

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一种 基于 离子 运动 电场 调控 磁性 装置 方法
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摘要
申请专利号:

CN201611206108.1

申请日:

2016.12.23

公开号:

CN106684241A

公开日:

2017.05.17

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):H01L 43/12申请日:20161223|||公开
IPC分类号: H01L43/12; G11C11/16 主分类号: H01L43/12
申请人: 青岛大学
发明人: 李强; 李山东; 徐洁; 赵国霞; 王霞
地址: 266071 山东省青岛市崂山区香港东路7号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: ?#26412;?#20013;索知识产权代理有限公司 11640 代理人: 宋涛
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611206108.1

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.06.09|||2017.05.17

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明实施例公开了一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置及方法,装置包括设置为长方体结构的第一电极层,其中,所述第一电极层的上表面设置有复合势垒层,所述复合势垒层的上表面设置有第二电极层,且所述第二电极层在所述复合势垒层表面的投影位于所述复合势垒层内。通过电场调控氧离子在反铁磁层与非磁性绝缘层之间的运动,可以实现在室温以及低电压条件下,对磁性材料的磁性进行有效的调控,从而能够有效地降低电场调控磁性的成本,提高电场调控磁性技术在自旋电子信息存储领域的应用潜力。

权利要求书

1.一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置,其特征在于,包括设置为长方体结构的
第一电极层(1),其中,
所述第一电极层(1)的上表面设置有复合势垒层(2),所述复合势垒层(2)的上表面设
置有第二电极层(3),且所述第二电极层(3)在所述复合势垒层(2)表面的投影位于所述复
合势垒层(2)内;
所述第一电极层(1)为厚度3-10nm的Co层,所述第二电极层(3)为厚度40-60nm的Ag层,
所述复合势垒层(2)为厚度1-3nm的CoO1-x-ZnO1-v层,其中,0≤x<1,0≤v<1。
2.根据权利要求1所述的基于氧离子运动的电场调控磁性装置,其特征在于,所述复合
势垒层(2)位于所述第一电极层(1)上表面的中心位置。
3.根据权利要求1所述的基于氧离子运动的电场调控磁性装置,其特征在于,所述第一
电极层(1)的长度为5-10mm,且宽度为0.05-0.15mm。
4.根据权利要求1所述的基于氧离子运动的电场调控磁性装置,其特征在于,所述第一
电极层(1)的两端均设置有引线装置(4)。
5.一种基于氧离子运动的电场调控磁性方法,其特征在于,包括以下步骤:
测量电场调控磁性装置的初始磁性,得到所述电场调控磁性装置的初始矫顽力和初始
磁化强度;
测量所述电场调控磁性装置的初始电阻值;
在所述电场调控磁性装置的第一电极层和第二电极层之间施加电压,并测量所述电场
调控磁性装置的调控后电阻值,其中,所述第二电极层为高压端,所述第一电极层为低压
端;
判断所述调控后电阻值是否小于预设电阻值;
当所述调控后电阻值小于所述预设电阻值时,测量所述电场调控磁性装置的调控后磁
性,得到所述电场调控磁性装置的调控后矫顽力和调控后磁化强度。
6.根据权利要求5所述的基于氧离子运动的电场调控磁性方法,其特征在于,所述施加
电压为0.5V-1V。

说明书

一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置及方法

技术领域

本发明涉及电子信息存储技术领域,特别是涉及一种基于氧离子运动的电场调控
磁性装置及方法。

背景技术

电场调控磁性是指利用电场控制材料的磁化强度、磁各向异性、居里温度等磁学
性质。铁磁材料在电场作用下的磁性变化可以揭示许多重要的微观物理机制,如磁性半导
体的磁性起源、多铁性材料的磁电耦合等物理效应;而且用电场替代磁场或者电流控制磁
性来实?#20013;?#24687;存储的?#21015;矗?#21487;有效满足新型信息存储处理器件在高密度、高速度、低功耗、
非挥发等方面越来越高的要求。基于其蕴含的丰富物理内涵和广阔应用前景,电场调控磁
性在半金属、磁性半导体、多铁性材料及其复合结构中?#36824;?#27867;地研究探索,逐渐成为自旋电
子学领域的一个重要研究热点。

现有技术中,运用电场调控磁性主要有以下几种方法:在类似场效应管的铁磁薄
膜/绝缘层结构中,利用强电场控制磁性薄膜中磁性相关载流子的富集或耗散,实现电场对
磁性的调控;在由压电效应材料和磁?#24459;?#32553;效应材料组成的复合结构中,通过两者界面处
的应力相互作用,实现电场对磁性的调控;在单相多铁性材料/铁磁薄膜结构中,利用多铁
性材料中铁电性和反铁磁性的磁电耦合及界面处多铁性材料中反铁磁性与铁磁薄膜的交
换偏置作用,达到电场调控磁性的目的。

然而,以上电场调控磁性的方法通常需要在较低温度或较高电压下进行,其所对
应的装置制备成本较高,?#29616;?#38480;制了电场调控磁性在实际生产生活中的应用。

发明内容

本发明实施例中提供了一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置及方法,以解决
现有技术中的电场调控磁性需要高温、高压,且装置制备成本高的问题。

为了解决上述技术问题,本发明实施例公开了如下技术方案:

本发明实施例公开了一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置,包括设置为长方
体结构的第一电极层,其中,所述第一电极层的上表面设置有复合势垒层,所述复合势垒层
的上表面设置有第二电极层,且所述第二电极层在所述复合势垒层表面的投影位于所述复
合势垒层内;所述第一电极层为厚度3-10nm的Co层,所述第二电极层为厚度40-60nm的Ag
层,所述复合势垒层为厚度1-3nm的CoO1-x-ZnO1-v层,其中,0≤x<1,0≤v<1。

优选地,所述复合势垒层位于所述第一电极层上表面的中心位置。

优选地,所述第一电极层的长度为5-10mm,且宽度为0.05-0.15mm。

优选地,所述第一电极层的两端均设置有引线装置。

本发明实施例还公开了一种基于氧离子运动的电场调控磁性方法,包括以下步
骤:

测量电场调控磁性装置的初始磁性,得到所述电场调控磁性装置的初始矫顽力和
初始磁化强度;

测量所述电场调控磁性装置的初始电阻值;

在所述电场调控磁性装置的第一电极层和第二电极层之间施加电压,并测量所述
电场调控磁性装置的调控后电阻值,其中,所述第二电极层为高压端,所述第一电极层为低
压端;

判断所述调控后电阻值是否小于预设电阻值;

当所述调控后电阻值小于所述预设电阻值时,测量所述电场调控磁性装置的调控
后磁性,得到所述电场调控磁性装置的调控后矫顽力和调控后磁化强度。

优选地,所述施加电压为0.5V-1V。

由以上技术方案可见,本发明实施例提供的基于氧离子运动的电场调控磁性装置
及方法,通过电场调控氧离子在反铁磁层与非磁性绝缘层之间的运动,可以实现在室温以
及低电压条件下,对磁性材料的磁性进行有效的调控,从而能够有效地降低电场调控磁性
的成本,提高电场调控磁性技术在自旋电子信息存储领域的应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员而
言,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置的结构示意
图;

图2为本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性方法的流程示意
图;

图示说明:

1-第一电极层,2-复合势垒层,3-第二电极层,4-引线装置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人?#22791;?#22909;地理解本发明中的技术方案,下面将结合本发明实
施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施
例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,?#21152;?#24403;属于本发明保护
的范围。

参见图1,为本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置的结
构示意图。

如图1所示,本发明实施例提供的基于氧离子运动的电场调控磁性装置,包括设置
为长方体结构的第一电极层1,其中第一电极层1的上表面设置有复合势垒层2,且复合势垒
层2的上表面设置有第二电极层3。其中,第二电极层3在复合势垒层2表面的投影位于复合
势垒层2内,即第二电极层3与复合势垒层2的接触面小于或等于复合势垒层2的上表面,因
此第一电极层1和第二电极层3不直接接触,而是通过复合势垒层2所连接。

其中,第一电极层1为厚度3-10nm的Co层,第二电极层3为厚度40-60nm的Ag层,从
而能够起到良好的导电目的。复合势垒层2为厚度1-3nm的CoO1-x-ZnO1-v层,其中,0≤x<1,0
≤v<1,从而既能起到将第一电极层1和第二电极层3隔开的目的,又能起到势垒的作用,使
得电子能够隧穿,产生隧穿磁电阻。

第一电极层1和第二电极层3均为导电良好的材料,故本发明实施例所提供的电场
调控磁性装置的电阻主要为复合势垒层2的电阻。第一电极层1为铁磁材料层,复合势垒层2
为反铁磁材料层,故本发明实施例提供的电场调控磁性装置的磁性来源于第一电极层1的
铁磁性、复合势垒层2的反铁磁性以及第一电极层1和复合势垒层2之间的交换耦合作用。

为了便于本领域的技术人?#22791;?#22909;的理解本发明实施例提供的电场调控装置中电
场能够调控磁性的原因,下面将对其产生机理进行详细说明。

当在第一电极层1和第二电极层3之间施加电压时,CoO1-x-ZnO1-v复合势垒层2可以
通过外加电场调节氧离子在CoO1-x和ZnO1-v之间的移动,从而调节隧道结中电阻特性和磁性
特性。如当在第二电极层3上施加高电压,而第一电极层1上施加低电压时,复合势垒层2中
的中的氧离子从CoO1-x到ZnO1-v之间移动,从而使得CoO1-x层释放氧离子形成更多的Co,因此
复合势垒层2的电阻减小,而铁磁性增大,反铁磁性减小,同时第一电极层1和复合势垒层2
之间的交换耦合作用减小。而当在第二电极层3上施加低电压,在第一电极层1上施加高电
压时,复合势垒层2中的氧离子从ZnO1-v到CoO1-x之间移动,从而使得CoO1-x层吸收氧离子形
成更多的CoO,因此复合势垒层2的电阻增大,而铁磁性减小,反铁磁性增大,同时第一电极
层1和复合势垒层2之间的耦合作用增大。由此,通过在本发明实施例提供的电场调控装置
上施加电压,即可实现对其磁性的调控。

作为本发明实施例提供的一种优选方案,复合势垒层2位于第一电极层1上表面的
中心位置,从而使得第二电极层3到第一电极层1的两个端点的距离相同,从而在测量时能
够使得第二电极层3到第一电极层1的电阻一样,起到减小误差的目的。

进一步的,第一电极层1的长度5-10mm,且宽度为0.05-0.15mm,能够保证电极连续
的条件下,使得本发明实施例提供的电场调控磁性装置能够得到最大的电阻,从而能够通
过电场更好的调控磁性。

更进一步的,第一电极层1的两段均设置有引线装置4,引线装置4相比较第一电极
层1具有更大的接触面积,从而使得在测量时能够将第一电极层1更好的与外部引线相接,
从而更好的运用外部电场调控装置的磁性。

参见图2,为本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性方法的流
程示意图。

如图2所示,本发明实施例提供的一种基于氧离子运动的电场调控磁性装置包括
以下步骤:

步骤S100,测量电场调控磁性装置的初始磁性,得到电场调控磁性装置的初始矫
顽力和初始磁化强度。其?#24615;?#26412;发明实施例所提供的电场调控磁性方法中,测量磁性装置
为超导量子干涉仪,能够测量低温下,如5K时,电场调控磁性装置的磁性,从而获得电场调
控磁性装置的初始矫顽力和初始磁化强度。当然,也可以采用其他可以测量磁性的装置,并
不限于此,在此不作限定。

步骤S200,测量电场调控磁性的初始电阻值。本发明实施例提供的电场调控磁性
方法中,测量电阻值的方法为四端法,使得测量结果更?#26082;貳?#20855;体测量方法为本领域技术人
员所熟知,在此不再赘述。

步骤S300,在电场调控磁性装置的第一电极层1和第二电极层3之间施加电压,并
测量电场调控磁性装置的调控后电阻值,其中,第二电极层3为高压端,第一电极层1为低压
端。即向本发明实施例提供的电场调控磁性装置施加正向电压,电流由第二电极层3流向第
一电极层1。当在第一电极层1和第二电极层3之间施加电压时,CoO1-x-ZnO1-v复合势垒层2可
以通过外加电场调节氧离子在CoO1-x和ZnO1-v之间的移动,从而调节隧道结中电阻特性和磁
性特性。当在第二电极层3上施加高电压,而第一电极层1上施加低电压时,复合势垒层2中
的中的氧离子从CoO1-x到ZnO1-v之间移动,从而使得CoO1-x层释放氧离子形成更多的Co,因此
复合势垒层2的电阻减小,而铁磁性增大,反铁磁性减小,同时第一电极层1和复合势垒层2
之间的交换耦合作用减小。本发明实施例所提供的电场调控磁性方法中,所施加电压可为
0.5V-1V,当然也可根据情况进行调整,在此不做详细限定。

步骤S400,判断调控后电阻值是否小于预设电阻值。调控后,电阻减小,当调控后
电阻值小于预设电阻值后,即完成电场对磁性的调控,而当没有达到预设电阻值时,则需继
续对电场调控磁性装置施加电压,从而继续对磁性进行调控。预设电阻值可为初始电阻值
的10%,或其它数值,在此不做详细限定。

步骤S500,当调控后电阻值小于预设电阻值时,测量电场调控磁性装置的磁性,得
到电场调控磁性装置的调控后矫顽力和调控后磁化强度。当调控电阻小于预设电阻值后,
即完成了本发明实施例所提供的电场调控磁性,从而即可测量电场调控磁性装置的磁性,
得到电场调控磁性装置的调控后矫顽力和调控后磁化强度。与之前测量的初始矫顽力和初
始磁化强度相比较,即得到通过电场调控,本发明实施例提供的电场调控磁性装置的磁性
变化情况。

进一步的,对于本发明所提供的电场调控磁性方法,除了施加正向电压外,即第二
电极层3为高压端而第一电极层1为低压端,还可在上述调控过程结束之后,施加反向电压,
即第二电极层3为低压端,而第一电极层1为高压端,同理,复合势垒层2中的氧离子从ZnO1-v
到CoO1-x之间移动,从而使得CoO1-x层吸收氧离子形成更多的CoO,因此复合势垒层2的电阻
增大,而铁磁性减小,反铁磁性增大,同时第一电极层1和复合势垒层2之间的耦合作用增
大。由于原理及实施方法均相同,且为本领域技术人员所熟知,在此不再赘述。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述,各个实施例之间相同相似的部
?#21482;?#30456;参见即可,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其,对于方法实
施例而言,由于其基本相似于装置实施例,所以描述得比?#38686;?#21333;,相关之处参见装置实施例
的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明
的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是
物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要
选择其中的部?#21482;?#32773;全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出
创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。

需要说明的是,在本文中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一
个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之
间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括?#34180;ⅰ?#21253;含”或者其任何其他变体意在
涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些
要素,而?#19968;?#21253;括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设
备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除
在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式,使本领域技术人员能够理解或实现本发
明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来?#21040;?#26159;显而易见的,本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明
将?#25442;?#34987;限制于本文所示的这些实施例,而?#19988;?#31526;合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。

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