CN102593348A - 一种非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件，属于信息存储技术领域。存储器件由第一金层、钽层、铁磁层、铁电层和第二金层组成。第一金层、钽层、铁磁层、铁电层和第二金层由上而下依次重叠。第一金层的厚度为200-300纳米，钽层的厚度为5-10纳米，铁磁层的厚度为10-20纳米，为非晶层，铁电层的厚度为0.2-0.5毫米，晶体具有三方对称性，第二金层的厚度为300-500纳米。此外，本发明的信息存储器件，在实际应用中可以直接实现电场E对磁化强度M的调控，同时撤掉电场后，被调制的磁化强度M能够较好地保持，从而方便电场对磁记录操控，并能节省能耗。

Description

一种非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件

技术领域

本发明涉及一种非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件，属于信息存储技术领域。

背景技术

近年来，利用电场来调控磁性的研究一直是一个意义重大并颇具难度的课题。在室温下，实现电场对磁性的调控，可以解决当前信息存储领域利用磁场或电流写入时的高功耗问题，从而在应用方面有很大的前景。与此相关的材料和结构的研究也被广泛地开展。然而目前室温下具有较好的磁电性能的材料(如BiFeO₃)很少，磁电耦合系数也较小；而在以应力为媒介的复合体系中，通过间接的磁电耦合方法，实现电场调控磁性具有较大可行性。各种铁磁\铁电的复合材料也在广泛的被尝试。本申请人曾经提出过发明名称为“电场辅助磁存储器件”、申请号为201010033877.2的专利申请，发明中提出了通过利用电场改变磁性材料的矫顽场(Hc)的方式，从而可以减小写入磁头的磁场。考虑进一步的实际应用，更需要电场能够直接对磁化强度(M)进行调控，而目前所有的室温下磁化强度随电场变化的行为(以下简称ME曲线)中都是接近铁电材料应变回线的蝶形曲线，当电场撤掉之后，被调制磁状态不能很好地保持，这对于实际应用是很不利的。

发明内容

本发明的目的是提出一种非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件，针对现有的室温下电场调控磁性中，电场撤掉之后，被调制磁状态不能很好地保持的易失性行为，改变已有存储器件的结构，以实现电场调控磁性的ME曲线具有电滞回线或磁滞回线的回滞(以下简称Loop)行为。

本发明提出的非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件，由第一金层、钽层、铁磁层、铁电层和第二金层组成；所述的第一金层、钽层、铁磁层、铁电层和第二金层由上而下依次重叠，其中所述的第一金层的厚度为200-300纳米，所述的钽层的厚度为5-10纳米，所述的铁磁层的厚度为10-20纳米，所述的铁电层的厚度为0.2-0.5毫米，所述的第二金层的厚度为300-500纳米。

上述信息存储器件中，所述的铁电层具有三方对称性，在正负电场的作用下发生109度电畴翻转。

上述信息存储器件中，所述的铁磁层为无磁晶各向异性的非晶或多晶结构，并对109电畴翻转有响应。

本发明提出的非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件，其优点是：

根据本发明设计的多铁复合结构，当在此结构的[001]方向上施加并改变电压，并在[110]方向测磁时，能够看到磁化强度随电场变化一周(从0千伏/厘米逐渐变到+8千伏/厘米，再逐渐减小到0千伏/厘米，然后反向增大到-8千伏/厘米，然后再逐渐减小至0千伏/厘米)体现出类似电滞、磁滞回线的Loop特征，表现为电对磁调控的非易失性，在实际应用中可以直接实现电场E对磁化强度M的调控，同时撤掉电场后，被调制的磁化强度M能够较好地保持，从而方便电场对磁记录操控，并能节省能耗。

附图说明

图1是本发明提出的非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件的结构示意图。

图2是对本发明的信息存储器件进行性能测试的电路示意图。

图3是为本发明的信息存储器件在室温、5奥斯特磁场下，沿单晶样品的[110]方向测磁时，磁化强度以及极化电流随外加电场的变化关系。

图4是本发明的信息存储器件在室温，5奥斯特磁场下，沿单晶样品的[110]方向测磁时，使用脉冲电场控制磁化强度的实验结果示意图。

图5是本发明的信息存储器件的工作原理示意图。其中图5(a)为实现非易失电控磁效应的铁电极化翻转的原理示意图，图5(b)为铁磁性对电极化翻转响应的原理示意图。

图1和图2中，1是第一金(Au)层，2是钽(Ta)层，3是铁磁层(CoFeB)，4是成分为30％的铌镁酸铅钛酸铅(以下简称PMN-30％PT或PMN-PT)铁电层，5是第二金层，6是样品(具体结构如图1所示)，7是电流计(Keithley 2400型电表)，8是电压源(Keithley6517A型电表)，9是保护电阻，阻值为16兆欧姆。

具体实施方式

本发明提出的非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件，其结构如图1所示，由第一金层1、钽层2、铁磁层3、铁电层4和第二金层5组成。第一金层1、钽层2、铁磁层3、铁电层4和第二金层5由上而下依次重叠，其中所述的第一金层的厚度为200-300纳米，所述的钽层的厚度为5-10纳米，所述的铁磁层的厚度为10-20纳米，所述的铁电层的厚度为0.2-0.5毫米，所述的第二金层的厚度为300-500纳米。

本发明提出的非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件，其制备过程可以采用常规的磁控溅射法，包括以下各步骤：

(1)购买成分为30％的铌镁酸铅钛酸铅(以下简称PMN-30％PT或PMN-PT)的晶体，并加工成一个铁电层4，使铁电层的尺寸为长(沿[100]方向)×宽(沿[010]方向)×厚(沿[001]方向)等于5×5×0.5毫米³。然后进行单面(001)面抛光，要求粗糙度小于0.5纳米。根据本发明的要求，铁电层必须具有三方(菱方)对称性，并且在正负电场的作用下可发生109度电畴翻转。

(2)采用磁控溅射方法，在铁电基底的抛光表面上生长铁磁层CoFeB，磁控溅射的工艺参数为：在室温下使用超高真空系统，将背底真空抽至10^-6Pa，使用Co₄₀Fe₄₀B₂₀的靶材，进行磁控溅射生长10分钟。制备得到的铁磁层为无磁晶各向异性的非晶或多晶结构，并能对109电畴翻转有较好的响应。

(3)采用磁控溅射方法，在上述CoFeB铁磁层上面原位生长作为保护层的钽层2，磁控溅射的工艺参数为：在室温下使用超高真空系统，将背底真空抽至10^-6Pa，使用Ta的靶材，进行磁控溅射生长5分钟。

(4)采用磁控溅射方法，在上述钽层2的表面和铁电层4的另一表面(非抛光表面)分别生长厚度为300纳米的第一金层1和第二金层5，磁控溅射的工艺参数为：在室温下将背底真空抽至10^-4Pa，使用Au的靶材，进行磁控溅射生长3分钟。

为实现电写磁读的应用目的，本发明选择在磁隧道结方面具有广泛应用的非晶CoFeB做为磁性层。

由于组分处于准同型相界(MPB)附近的铌镁酸铅-钛酸铅(PMN-30％PT)具有较高的压电系数和丰富的电畴结构，并考虑到(001)切向的单晶能更好地发挥其压电特性和体现电畴结构，特选择其做为铁电衬底。

根据本发明，铁电层的尺寸：长(沿[100]方向)×宽(沿[010]方向)×厚(沿[001]方向)以5×5×0.5毫米³为宜，并可以根据实用需要合理改变。

根据本发明，CoFeB铁磁层的厚度可在5纳米～100纳米之间，以20纳米为宜，并通过超高真空利用磁控溅射方法生长在PMN-PT铁电单晶基底上。

根据本发明，厚度可在5～10纳米范围的金属钽(Ta)长在CoFeB之上，以10纳米为宜，作为保护层，防止其中磁性元素Co、Fe被氧化。

根据本发明，制备的PMN-PT\CoFeB\Ta的多铁复合结构的上下两面通过磁控溅射方法生长厚度范围在200～300纳米之间的金(Au)层作为电极，以在上面引线施加电压。

本发明具有非易失性电场调控磁化强度的多铁复合结构，采用磁控溅射方法在市面上可以购买到的、(001)切向单面抛光的PMN-PT晶体基底上生长CoFeB、Ta以及Au等功能层，然后利用自行研制的多铁测量技术在超导量子干涉仪(SQUID)中进行原位磁场和电场下的磁化强度测量，整个测量电路使用一个Keithley 6517A型电表作为恒压源，使用一个Keithley 2400型电表作为电流计，使用一个16兆欧姆的电阻器作为线路的保护电阻。

以下介绍本发明方法的实施例：

制备具有非易失性电控磁功能的多铁复合结构

购买成分为30％的铌镁酸铅钛酸铅(以下简称PMN-30％PT或PMN-PT)的晶体，将晶体加工成一个铁电层基底，使铁电层基底的尺寸为长(沿[100]方向)×宽(沿[010]方向)×厚(沿[001]方向)等于5×5×0.5毫米³。然后进行单面(001)面抛光，要求粗糙度小于0.5纳米。利用磁控溅射方法，在铁电基底的抛光表面上生长铁磁层CoFeB，磁控溅射的工艺参数为：在室温下使用超高真空系统，将背底真空抽至10^-6Pa，使用Co₄₀Fe₄₀B₂₀的靶材，进行磁控溅射生长10分钟，生长厚度为20纳米。然后，通过同样的超高真空磁控溅射装置生长铁磁层CoFeB和保护层Ta，厚度为10纳米；然后再在厚度两侧镀Au，厚度为300纳米。其结构如图1所示。

测量上述制备的多铁复合结构的电控磁性能：

如图2所示，将上述制备完好的样品的Au层做为电极与电流计(Keithley 2400)、电压源(生产厂家为Keithley，产品型号为6517A)和电阻(16兆欧姆)相连。具体操作过程中，电压源用来施加一个固定的电压或者步进地改变电压，电流计用来监控极化翻转电流，电阻器起到短路保护的作用。

将样品放入超导量子干涉仪(SQUID)后，在5奥斯特的磁场下，沿[110]方向进行磁性测量。当以10V(0.2千伏/厘米)的步长改变电压一周(从0千伏/厘米逐渐变到+8千伏/厘米，再逐渐减小到0千伏/厘米，然后反向增大到-8千伏/厘米，然后再逐渐减小至0千伏/厘米)时，发现磁化强度出现类似电滞、磁滞回线的Loop特征，如图3所示，表现为电对磁调控的非易失性。

在同样的方向和磁场下，通过使用强度为8千伏/厘米的正、负脉冲电场就可以实现对磁性明显的高、低阻态的调控行为，如图4所示，这对于应用具有重大意义。

本发明方法制备的非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件的基本原理和实现方法如下：

根据图3中极化电流与磁化强度变化的紧密关联，说明电畴的翻转对此多铁复合结构的非易失电控磁特性具有重大的贡献，其表现为，在以三方相为特征的PMN-PT中，普遍存在109度电畴的翻转，该翻转使得在[110]方向上，正极化时拉长，负极化时压缩，如图5(a)所示；由于非晶态铁磁层由于没有磁晶各向异性的限制，可以对109度电畴翻转的形变产生灵敏的响应，从而产生较大的调控，如图5(b)所示。根据本发明的设计和原理，非易失电控磁特性可以出现在具有较多109度翻转的铁电单晶和没有磁晶各向异性的铁磁薄膜的多铁复合结构中，从而可以得到广泛的应用，具有重要意义。

Claims (3)

1.一种非易失性电场调控磁化强度的信息存储器件，其特征在于该信息存储器件由第一金层、钽层、铁磁层、铁电层和第二金层组成；所述的第一金层、钽层、铁磁层、铁电层和第二金层由上而下依次重叠，其中所述的第一金层的厚度为200-300纳米，所述的钽层的厚度为5-10纳米，所述的铁磁层的厚度为10-20纳米，所述的铁电层的厚度为0.2-0.5毫米，所述的第二金层的厚度为300-500纳米。

2.如权利要求1所述的信息存储器件，其特征在于所述的铁电层具有三方对称性，在正负电场的作用下发生109度电畴翻转。

3.如权利要求1所述的信息存储器件，其特征在于所述的铁磁层为无磁晶各向异性的非晶或多晶结构，并对109电畴翻转有响应。

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