CN103427018B - 一种具有磁畴壁可调控锰氧化物薄膜的器件及磁畴壁调控方法 - Google Patents

一种具有磁畴壁可调控锰氧化物薄膜的器件及磁畴壁调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，包括锰氧化物核心单元和磁畴壁调控单元；锰氧化物核心单元包括三层结构，分别是从上到下依次设置的导电锰氧化物薄膜，绝缘衬底，金属导电底座；磁畴壁调控单元为磁性导电针尖，该磁性导电针尖的磁化方向垂直于上述锰氧化物薄膜表面，并且该针尖与上述锰氧化物膜的顶膜面紧密接触，并可沿该顶膜面移动；另外本发明还提出了一种锰氧化物薄膜的磁畴壁调控方法，该方法基于针尖低电压的交流电场效应来移动磁畴壁的位置；基于上述器件和方法，本发明提出磁存储器及该磁存储器的写入方法。由于采用的电压幅度较小，没有热效应，因而降低了功耗。

Description

一种具有磁畴壁可调控锰氧化物薄膜的器件及磁畴壁调控方法
技术领域
本发明涉及一种具有磁畴壁可调控锰氧化物薄膜的器件及磁畴壁调控方法，并涉及一种利用上述器件和方法形成的磁存储器及该磁存储器的写入方法。
背景技术
自旋电子学器件具有数据非易失性、高速、高密度等特点，其中的典型代表为磁存储器，磁存储器是计算机、信息和通信技术的核心器件，其推动了科技和经济的巨大发展。
磁存储器的数据层通常是一层磁性材料或磁性材料薄膜，它以磁矩的磁化方向来表征存储数据位，数据层磁矩的磁化方向可以从表示逻辑“0”的第一磁化方向翻转到表示逻辑“1”的第二磁化方向，反之亦然；通常磁存储器单元的上述逻辑状态取决于数据层和参考层的相对磁化方向，参考层为磁矩具有固定磁化方向的磁性层，上述表示逻辑“0”的第一磁化方向平行于参考层的固定磁化方向，存储器单元处于低阻状态，上述表示逻辑“1”的第二磁化方向反平行于参考层的固定磁化方向，存储器单元处于高阻状态。
一般磁存储器单元的写入仅涉及磁矩翻转，磁畴壁并不发生移动。传统的控制磁矩翻转的方法是利用磁场，数据层磁矩的磁化方向可以响应外部磁场的施加而改变，即存储在磁存储器单元中的位逻辑状态通过施加外部磁场而改写，它在低阻状态和高阻状态之间进行切换；上述外部磁场通常通过在导体布中流过大电流并按照右手定则来产生，改变电流的方向，磁场的方向也随之改变，但是这种基于磁场的控制方法需要大量的电力损耗并产生大量废热，在阵列式器件中，不利于器件集成度的提高。另外，自从1996年基于电流的自旋转移力矩(SpinTorqueTransfer，STT)效应被发现以来，数据层磁矩的磁化方向也可以通过基于电流的自旋扭矩转移效应来进行翻转，在磁存储器中写入数据时，虽然降低了磁矩翻转所需的电流，但仍需要高达106A/cm2以上的电流密度，与此相关的发热效应限制了其实际应用；并且其临界电流密度不能够降低，因而与施加外部磁场的方法一样，同样要消耗大量的电力。
现代信息技术的高速发展使得存储器件日趋小型化，人们必然对存储器件的功耗提出了更高的要求，有必要设计一种低功耗的存储器件和写入方法来代替上述存储器件及其写入方法。由于施加电场具有低功耗和低成本的特点，因而采用电场来调控磁矩方向或磁畴壁状态及其结构的变化是一种可选的选择，但是目前电场对薄膜磁矩的调控集中在采用具有磁性和铁电双重特性的材料制备薄膜或作为生长衬底的领域，例如采用多铁性材料铁酸铋(BiFeO3)制备薄膜，由于薄膜或衬底具有铁电特性，容易采用电场对磁矩进行翻转；但上述手段对本申请的锰氧化物材料中的磁矩方向或磁畴及其结构的变化并不起作用。
发明内容
为克服上述传统磁存储器件的缺陷，降低功耗，本发明提供了一种具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件及磁畴壁的调控方法，并提供一种利用上述器件和方法形成的磁存储器及该磁存储器的读写方法；上述器件和磁存储器不同于现有技术之处在于采用针尖低电压的交流电场效应对锰氧化物薄膜中的磁畴排列状态进行影响，在纳米尺度下实现了对磁畴的排列状态的操控，锰氧化物薄膜的磁畴壁在施加交流电场的过程中可发生移动，并且采用较低的交流电压(几百mV量级)产生的交流电场就能够完成上述操控过程；上述操控过程能够顺利进行，应该与上述低压交流电压产生的电磁波与自旋进动发生谐振、自旋的塞曼能级发生跃迁有关，这样因而促使STT过程的实现，使得磁畴容易翻转或畴壁移动。本发明实现了在纳米尺度对磁畴壁的调控，尤其实现了室温下对磁畴壁的调控，而且用的电压幅度较小，没有热效应(或热效应很小)，这对于未来自旋电子学的研究和高密度、低功耗的自旋电子学器件的制备开辟了一条新途径。
具体的本发明提供一种具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，包括锰氧化物核心单元和磁畴壁调控单元；锰氧化物核心单元包括三层结构，分别是从上到下依次设置的导电锰氧化物薄膜，绝缘衬底，金属导电底座；磁畴壁调控单元包括磁性导电针尖，该磁性导电针尖磁化方向垂直上述锰氧化物薄膜表面并且该磁性导电针尖与导电锰氧化物膜的顶膜面紧密接触，并可沿该顶膜面移动；上述导电锰氧化物薄膜的晶格结构为钙钛矿结构，该薄膜由多个磁畴组成，其易磁化轴垂直膜面，即上述多个磁畴的每个磁畴的磁矩垂直膜面并且每个磁畴的畴壁均垂直于膜面，该多个磁畴的畴壁与顶膜面的多个交线近似平行并在顶膜面上形成近似平行的畴壁图案；上述磁性导电针尖自身产生的静磁场远小于导电锰氧化物薄膜的矫顽场，两者至少差一个数量级；锰氧化物薄膜的畴壁图案可通过在上述磁性导电针尖和金属导电底座之间施加低压交流电压形成交流电场并且该磁性导电针尖在该薄膜的顶膜面上沿一固定方向来回移动使磁畴壁移动来改变。
提供一种上述具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件的锰氧化物薄膜的磁畴壁调控方法，该方法的步骤为：首先在磁畴壁调控单元的磁性导电针尖和锰氧化物核心单元的金属导电底座之间施加低压交流电压使两者之间形成交流电场，其次在磁性导电针尖与锰氧化物薄膜的顶膜面接触的情况下，使磁性导电针尖在锰氧化物薄膜的顶膜面沿一固定方向来回扫描移动，最后该扫描移动使锰氧化物薄膜的全部多个磁畴的畴壁发生移动，该移动后的多个畴壁与锰氧化物薄膜顶膜面的多个交线沿上述磁性导电针尖扫描方向并近似平行，在顶膜面上形成沿上述扫描方向并近似平行的畴壁图案。
提供一种磁存储器，包括多个锰氧化物核心单元和单个磁畴壁调控单元；每个锰氧化物核心单元构成一个存储单元，每个锰氧化物核心单元包括三层结构，分别是从上到下依次设置的导电锰氧化物薄膜，绝缘衬底，金属导电底座，多个锰氧化物核心单元的金属导电底座形成一体结构；磁畴壁调控单元为磁性导电针尖，该磁性导电针尖磁化方向垂直上述锰氧化物薄膜表面并且该磁性导电针尖与导电锰氧化物膜的顶膜面紧密接触，并可沿该顶膜面移动，并且该磁性导电针尖可在不同的锰氧化物核心单元之间移动；上述导电锰氧化物薄膜的晶格结构为钙钛矿结构，该薄膜由多个磁畴组成，其易磁化轴垂直膜面，即上述多个磁畴的每个磁畴的磁矩垂直膜面并且每个磁畴的畴壁均垂直于膜面，该多个磁畴的畴壁与顶膜面的多个交线近似平行并在顶膜面上形成近似平行的畴壁图案；上述磁性导电针尖自身产生的静磁场远小于导电锰氧化物薄膜的矫顽场，两者至少差一个数量级；所述磁存储器的逻辑状态通过改变锰氧化物薄膜的畴壁图案来改变；所述锰氧化物薄膜的畴壁图案可通过在上述磁性导电针尖和金属导电底座之间施加低压交流电压形成交流电场并且该磁性导电针尖在该薄膜的顶膜面上沿一与初始状态畴壁垂直的方向来回移动使磁畴壁移动来改变。
提供一种上述存储器的写入方法，该方法的步骤为：首先选定要写入的存储单元，将磁畴壁调控单元的磁性导电针尖放置在该存储单元的导电锰氧化物薄膜的顶膜面并与之紧密接触；其次在磁畴壁调控单元的磁性导电针尖和该存储单元的金属导电底座之间施加低压交流电压使在两者之间形成交流电场，然后在磁性导电针尖与锰氧化物薄膜的顶表面接触的情况下，使针尖在锰氧化物薄膜的顶膜面沿一与初始状态畴壁垂直的方向来回扫描移动，最后该扫描移动使存储单元的锰氧化物薄膜的全部多个磁畴的畴壁与锰氧化物薄膜顶膜面的多个交线沿上述扫描方向并近似平行，在顶膜面上形成沿与初始状态畴壁垂直方向并近似平行的畴壁图案。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：
图1为本发明的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件的示意图，图中双箭头表示磁性导电针尖的扫描方向，上下单箭头表示磁矩方向。
图2为图1中的锰氧化物核心单元的磁畴结构俯视图。
图3为磁性导电针尖沿垂直于图1、2畴壁的方向扫描之后的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件的示意图。
图4为图3中的锰氧化物核心单元的磁畴结构俯视图。
图5为本发明的磁存储器的结构示意图。
图6为SPM导电磁性针尖与锰氧化物核心单元的导电底座之间交流电压幅度为100mV，频率为20KHz情况下的实施例的磁畴图；图6(b)与(c)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
图7为SPM导电磁性针尖与锰氧化物核心单元的导电底座之间交流电压幅度为100mV，频率为1KHz情况下的实施例的磁畴图；图7(b)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
图8为SPM导电磁性针尖与锰氧化物核心单元的导电底座之间交流电压幅度为100mV，频率为100KHz情况下的实施例的磁畴图；图8(b)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
图9为SPM导电磁性针尖与锰氧化物核心单元的导电底座之间交流电压幅度为400mV，频率为1KHz情况下的实施例的磁畴图；图9(b)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
图10为SPM导电磁性针尖与锰氧化物核心单元的导电底座之间交流电压幅度为400mV，频率为100KHz情况下的实施例的磁畴图；图10(b)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
具体实施方式
下面，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件及磁畴壁的调控方法，以及利用上述器件和方法形成的磁存储器及该磁存储器的读写方法进行详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，包括锰氧化物核心单元和磁畴壁调控单元；锰氧化物核心单元包括三层结构，分别是从上到下依次设置的导电锰氧化物薄膜2，绝缘衬底3，金属导电底座4；磁畴壁调控单元包括磁性导电针尖1，该磁性导电针尖1与导电锰氧化物膜2的顶膜面紧密接触，并可沿该顶膜面移动。
其中，上述导电锰氧化物薄膜2的晶格结构为钙钛矿结构，该薄膜由多个磁畴组成，每个磁畴的畴壁均垂直于膜面，该多个磁畴的畴壁与膜面的多个交线近似平行并在膜面上形成近似平行的畴壁图案(图2所示)；该薄膜的易磁化轴垂直膜面，因而多个磁畴的每个磁畴的磁矩均垂直膜面；该锰氧化物薄膜的成分为(R1-xMx)MnO3(0.1≤x≤0.6)，其中R为La，Nd，Sm或Pr元素中的至少一种，M为Ba，Sr或Ca元素中的至少一种；优选为La(1-x)SrxMnO3(0.3≤x≤0.6)，La(1-x)BaxMnO3(0.2≤x≤0.3)，这些优选的成分在室温下具有铁磁性；绝缘衬底3为表面光学抛光的LaAlO3(001)单晶衬底或NdGaO3(110)单晶衬底，锰氧化物薄膜2用外延生长方法生长在上述成分的绝缘衬底3上，由于LaAlO3(001)单晶衬底使锰氧化物薄膜在平面内两个方向受到压应力的作用形成双轴压应力，NdGaO3(110)单晶衬底使锰氧化物薄膜在平面内的一个方向受到压应力作用形成单轴压应力，正是这些压应力造成锰氧化物薄膜的易磁化轴垂直膜面并在膜面上形成畴壁图案，上述畴壁图案如图2锰氧化物薄膜的俯视图所示；金属导电底座4则由通常的导电性能优良的金属材料制备；
其中，上述磁性导电针尖1可以为任意的磁性导电材料制备的针尖，优选采用镀有磁性Co-Cr镀层的针尖，该针尖1磁化方向垂直上述锰氧化物薄膜表面。为方便电压施加其可以采用多功能扫描探针显微镜(SPM)的探针。
上述具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件中的锰氧化物薄膜的磁畴壁调控方法的步骤为：首先在磁畴壁调控单元的磁性导电针尖1和锰氧化物核心单元的金属导电底座4之间施加一定频率的较低(几百毫伏量级)的交流电压在两者之间形成交流电场，其次在磁性导电针尖1与锰氧化物薄膜2的顶膜面接触的情况下，使磁性导电针尖在锰氧化物薄膜的顶膜面(上膜面)沿一固定方向来回扫描移动(图1示出了扫描方向)，最后该扫描移动使锰氧化物薄膜的全部多个磁畴的畴壁发生移动，该移动后的多个畴壁与锰氧化物薄膜2顶膜面的多个交线沿上述扫描方向并近似平行，在顶膜面上形成沿上述扫描方向并近似平行的畴壁图案；作为示例如图1、2所示为磁性导电针尖扫描之前的锰氧化物薄膜的磁畴结构，图3、4所示为磁性导电针尖沿与图1、2畴壁垂直的方向扫描之后的锰氧化物薄膜的磁畴结构。图1中畴壁在顶膜面具有沿垂直于纸面方向(垂直方向)并近似平行的畴壁图案，通过磁性导电针尖运动控制器5控制磁性导电针尖1沿平行于纸面的方向(水平方向，也即垂直于图1畴壁的方向)来回扫描，将把磁畴结构由如图1所示的沿垂直于纸面的方向并近似平行的畴壁图案扫描成与其垂直的如图3所示的沿磁性导电针尖扫描方向也就是平行于纸面的方向并近似平行畴壁图案，相应的在俯视图中由如图2的纵向排列畴壁图案扫描成如图4所示的横向排列畴壁图案。反之，通过磁性导电针尖运动控制器5控制磁性导电针尖1在沿垂直于纸面的方向(垂直方向，也即垂直于图3畴壁的方向)来回扫描，将把磁畴结构由如图3所示的沿平行于纸面的方向并近似平行扫描成如图1所示的沿磁性导电针尖扫描方向即垂直于纸面的方向并近似平行，相应的，在俯视图中由如图4的横向排列畴壁图案扫描成如图2所示的纵向排列畴壁图案。如果把图1、2的磁畴排列作为一种逻辑信息，如表示“1”，图3、4的磁畴排列作为另一种逻辑信息，如表示“0”，则可实现信息存储；当然畴壁图案并不限于上述两种互相垂直的状态，例如可以采用不同畴壁图案的畴壁成一定夹角形成多个状态，例如不同畴壁图案的畴壁成30度、60度、90度等。
上述扫描所加的一定频率的较低的交流电压为100～400mV，优选为100mV、200mV、300mV或400mV；频率为500Hz～1MHz，优选为500Hz，1kHz，10kHz，100kHz或1MHz；另外畴壁图案状态的改变可以进行一次扫描也可以重复进行多次扫描，例如重复进行2～3次扫描；上述磁性导电针尖自身产生的静磁场远小于导电锰氧化物薄膜的矫顽场，两者至少差一个数量级，例如镀有磁性Co-Cr镀层的针尖的产生的静磁场的大小约为1Oe的数量级，远小于锰氧化物薄膜的矫顽场(例如La(1-x)SrxMnO3的矫顽场大约在25～100Oe之间，此处0.3≤x≤0.6)，磁性导电针尖不加交流电扫描的时候未看到磁畴有任何变化，即单独考虑磁性导电针尖的静磁场很难导致磁畴发生翻转或移动。
上述锰氧化物核心单元导电锰氧化物薄膜2中磁畴壁的各种畴壁图案或逻辑状态可以通过基于巨磁电阻效应(GMR)或隧道磁电阻效应(TMR)的磁性传感探头或磁力显微镜(MFM)磁性传感探头来进行探测，例如在畴壁图案具有两种互相垂直的状态下，不同扫描方向的探头扫描所测出的信号会不相同，由此判定磁畴壁的畴壁图案是沿平行于纸面的方向还是垂直于纸面的方向并且依此确定逻辑状态。
利用上述具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件及锰氧化物薄膜的磁畴壁调控方法，形成了一种磁存储器及该磁存储器的写入方法。如图5示出了该存储器的结构，包括多个锰氧化物核心单元和单个磁畴壁调控单元；每个锰氧化物核心单元构成一个存储单元，每个锰氧化物核心单元包括三层结构，分别是从上到下依次设置的导电锰氧化物薄膜2，绝缘衬底3，金属导电底座4，多个锰氧化物核心单元的金属导电底座4形成一体结构；磁畴壁调控单元包括磁性导电针尖1，该导电磁性针尖的磁化方向垂直上述锰氧化物薄膜表面并且该磁性导电针尖1与导电锰氧化物膜2的顶膜面紧密接触，并可沿该顶膜面移动，并且该磁性导电针尖1可在不同的锰氧化物核心单元之间移动。上述锰氧化物核心单元和磁畴壁调控单元所用的材料与前述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件相同，其磁畴结构也相同。磁存储器的畴壁图案采用图1-4中所述的两种互相垂直的磁畴状态来表示逻辑“0”和“1”。
提供一种上述存储器的写入方法，首先选定要写入的存储单元，将磁畴壁调控单元的磁性导电针尖1放置在该存储单元的导电锰氧化物薄膜2的顶膜面并与之紧密接触；其次在磁畴壁调控单元的磁性导电针尖1和该存储单元的金属导电底座4之间施加一定频率的较低(几百毫伏量级)的交流电压在两者之间形成交流电场，然后在磁性导电针尖1与锰氧化物薄膜的顶表面接触的情况下，使针尖在锰氧化物薄膜的顶膜面(上膜面)沿一与初始状态畴壁垂直(或平行)的方向来回扫描移动，最后该扫描移动使存储单元的锰氧化物薄膜2的的全部多个磁畴的畴壁与锰氧化物薄膜顶膜面的多个交线沿上述扫描方向并近似平行，相应地，在顶膜面上形成沿与初始状态畴壁垂直(或平行)方向并近似平行的畴壁图案。
本发明的锰氧化物薄膜2形成在绝缘衬底上采用脉冲激光沉积的外延生长的方式，采用外延生长的目的是为了制备具有良好晶体质量和表面平整度的锰氧化物薄膜。锰氧化物薄膜的生长是一个非常复杂的过程，外延生长中绝缘衬底与靶材的距离，激光斑点的形状及大小，羽辉的形状及大小，衬底相对于羽辉的位置，衬底的温度，氧压，生长速率等参数都会对薄膜的晶体质量以及表面平整度造成很大的影响。为制备质量较高的外延薄膜，绝缘衬底温度采用780～790℃，优选为780℃、790℃；激光能量采用160～180mJ，优选为160mJ、170mJ、180mJ；绝缘衬底与靶材的距离为4.1～4.5cm，优选为4.1cm、4.5cm；频率为2～5Hz，优选为2Hz、3Hz、4Hz、5Hz；衬底相对羽辉的位置可以处于羽辉中心或偏离羽辉中心，优选处于羽辉中心。薄膜制备过程的氧气压为40～60Pa，优选为40Pa、50Pa、60Pa。薄膜外延生长完后，把温度设置在650～700℃，对薄膜原位退火10～20分钟，退火时氧气压为3×104～5×104Pa。退火温度优选为650℃、700℃；退火时间优选为10分钟、15分钟、20分钟；退火氧气压优选为3×104Pa、4×104Pa、5×104Pa。
本发明在电压幅度较小的情况下实现了在纳米尺度对磁畴壁的调控，减小了磁存储器的功耗，对磁存储器的发展具有重要意义。
实施例1：
利用脉冲激光沉积技术，在光学抛光的LaAlO3(001)单晶衬底上制备外延生长的La0.67Sr0.33MnO3薄膜。制备过程中衬底温度为780℃，氧气压为50Pa，激光能量为170mJ，频率为3Hz，衬底与靶材之间的距离为4.1cm。镀膜时间15分钟。制备完后，在700℃对薄膜进行原位退火，退火时氧气压为4×104Pa，退火时间10分钟，然后自然降温。所得La0.67Sr0.33MnO3厚度约为100nm。把该样品标记为LSMO/LAO。把LSMO/LAO样品取出放置在一个金属导电底板上(例如铜底板)，样品与导电底板紧密接触，即构成一个磁畴壁可调控的锰氧化物核心单元。
在该La0.67Sr0.33MnO3锰氧化物薄膜表面任意选择一个面积大小为600nmx600nm的区域，利用磁力显微镜(MFM)，扫描其磁畴图，磁力显微镜所用针尖为商用化的镀有磁性Co-Cr镀层的针尖，针尖磁化方向垂直所述锰氧化物薄膜表面。扫描得到的磁畴图呈现出如图6(a)所示的磁畴结构。其中黑、白色表示磁畴的磁矩取向不同。黑色代表磁矩垂直膜面指向纸外。白色代表磁矩垂直膜面指向纸内。MFM的测量结果表明所制备的LSMO样品具有室温铁磁性，薄膜的易磁化轴垂直膜面。图6(a)所示的畴壁与膜面的交线近似平行，并且纵向排列。然后，采取如本发明说明书图1的配置，LSMO/LAO以及金属底座与磁畴壁调控单元构成一个具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件。磁畴壁调控单元包括SPM针尖，所用的SPM针尖为商用化的镀有磁性Co-Cr镀层的导电针尖，该针尖磁化方向垂直上述锰氧化物薄膜表面。该针尖与锰氧化物薄膜表面紧密接触。该针尖自身产生的静磁场大小约为1Oe，远小于LSMO薄膜本身的矫顽场(所制备样品约为50Oe)。只利用该磁性针尖本身的静磁场扫描薄膜表面，未看到磁畴结构有变化。在所述的磁性导电针尖与锰氧化物核心单元的金属底座之间施加较低的交流电压，交流电压幅度为100mV，频率为20KHz。在加交流电压的同时，利用磁性导电针尖运动控制器控制该SPM针尖在锰氧化物薄膜表面图6(a)所示的同一区域来回移动扫描，扫描次数2次。SPM针尖扫描方向为水平方向。SPM针尖来回移动扫描完后，再用MFM测量同一区域的磁畴图，其结果如如图6(b)所示。所得的磁畴壁与膜面的交线改变为横向排列，并且近似平行。或者说，图6(b)的磁畴壁图案近似垂直于图6(a)的磁畴壁图案。图6(b)中的双向箭头表示了SPM针尖的来回扫描方向。再利用SPM针尖纵向移动扫描两次，并同时在SPM针尖与金属底座之间施加同样频率与幅度的交流电压，对图6(b)的所示的区域的磁畴壁图案再进行处理。SPM针尖来回移动扫描完后，再测量得的磁畴图案如图6(c)所示：磁畴壁与膜面的交线又变成纵向排列，并且近似平行。或者说，图6(c)的磁畴壁图案又回复到与图6(a)类似的状态。图6(c)中的双向箭头表示了SPM针尖的来回扫描方向。即，磁畴壁与膜面的交线的排列方向与SPM针尖的扫描方向有关。如果把磁畴壁水平排列的磁畴壁图案作为一种逻辑状态(例如，逻辑“0”)，把磁畴壁纵向排列的磁畴壁图案作为另一种逻辑状态(例如逻辑“1”)，则可在导电磁性针尖上施加的一定频率与低幅度的交流电压的辅助下(具体指施加在SPM导电磁性针尖与金属底座之间的低幅度交流电压)，通过所述针尖的扫描方向来实现不同逻辑状态的写入。本实施例的畴壁图案(或对应的逻辑状态)是通过MFM来探测的。
另外，SPM的导电的磁性针尖与锰氧化物核心单元的金属底座之间的交流电压幅度在100～400mV之间以及其频率在500Hz～1MHz之间取值时，也可实现类似图6中的磁畴壁图案的转变。下面图7、8、9、10给出了这样的例子。
图7(a)与图7(b)分别给出了经过所述SPM针尖来回移动扫描处理前与处理后的磁畴图案。扫描范围600nmx600nm。SPM的导电磁性针尖与导电底座之间的交流电压幅度为100mV，频率为1KHz。所述针尖来回移动扫描方向为纵向方向，扫描次数2次。图7(b)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
图8(a)与图8(b)分别给出了经过所述SPM针尖来回移动扫描处理前与处理后的磁畴图案。扫描范围600nmx600nm。SPM的导电磁性针尖与导电底座之间的交流电压幅度为100mV，频率为100KHz。所述针尖来回移动扫描方向为水平方向，扫描次数2次。图8(b)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
图9(a)与图9(b)分别给出了经过所述SPM针尖来回移动扫描处理前与处理后的磁畴图案。扫描范围600nmx600nm。SPM的导电磁性针尖与导电底座之间的交流电压幅度为400mV，频率为1KHz。所述针尖来回移动扫描方向为纵向方向，扫描次数2次。图9(b)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
图10(a)与图10(b)分别给出了经过所述SPM针尖来回移动扫描处理前与处理后的磁畴图案。扫描范围600nmx600nm。SPM的导电磁性针尖与导电底座之间的交流电压幅度为400mV，频率为100KHz。所述针尖来回移动扫描方向为水平方向，扫描次数2次。图10(b)中的双向箭头给出了所述针尖的扫描方向。
另外，采用La(1-x)SrxMnO3(x＝0.3、0.4、0.5、0.6)均得到类似相同的结果。
实施例2：
采用实施例1中相同的方法制备La(1-x)BaxMnO3(x＝0.2、0.3)，并采用相同的方法进行磁畴调控，得到了与实施例1类似相同的磁畴结构。
以上所述内容，仅为本发明具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (19)

1.一种具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，包括锰氧化物核心单元和磁畴壁调控单元；锰氧化物核心单元包括三层结构，分别是从上到下依次设置的导电锰氧化物薄膜，绝缘衬底，金属导电底座；磁畴壁调控单元包括磁性导电针尖，所述磁性导电针尖与导电锰氧化物膜的顶膜面紧密接触，并能够沿该顶膜面移动；所述导电锰氧化物薄膜的晶格结构为钙钛矿结构，该导电锰氧化物薄膜由多个磁畴组成，其易磁化轴垂直膜面，即上述多个磁畴的每个磁畴的磁矩垂直膜面并且每个磁畴的畴壁均垂直于膜面，该多个磁畴的畴壁与顶膜面的多个交线近似平行并在顶膜面上形成近似平行的畴壁图案；上述磁性导电针尖的磁化方向垂直上述导电锰氧化物薄膜表面；所述磁性针尖自身产生的静磁场远小于导电锰氧化物薄膜的矫顽场，两者至少差一个数量级；通过在上述磁性导电针尖和金属导电底座之间施加低压交流电压形成交流电场并且磁性导电针尖在该导电锰氧化物薄膜的顶膜面上沿一固定方向来回移动使磁畴壁移动来改变锰氧化物薄膜的畴壁图案；所述绝缘衬底为表面光学抛光的LaAlO3(001)单晶衬底或NdGaO3(110)单晶衬底。
2.根据权利要求1所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，所述锰氧化物薄膜的畴壁图案能够改变为与初始状态畴壁成一定夹角的多个畴壁图案。
3.根据权利要求2所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，所述锰氧化物薄膜的畴壁图案改变为与初始状态畴壁互相垂直的畴壁图案。
4.根据权利要求1所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，所述锰氧化物薄膜成分为(R1-xMx)MnO3，其中R为La，Nd，Sm或Pr元素中的至少一种，M为Ba，Sr或Ca元素中的至少一种，其中0.1≤x≤0.6。
5.根据权利要求4所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，所述锰氧化物薄膜成分为La(1-x)SrxMnO3，其中0.3≤x≤0.6或La(1-x)BaxMnO3，其中0.2≤x≤0.3。
6.根据权利要求1所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，所述磁性导电针尖为镀有磁性Co-Cr镀层的针尖，该针尖磁化方向垂直所述锰氧化物薄膜表面。
7.根据权利要求1所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，所述磁性导电针尖为多功能扫描探针显微镜的探针。
8.根据权利要求1所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，所述低压交流电压为100～400mV。
9.根据权利要求1所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件，所述低压交流电压的频率为500Hz～1MHz。
10.一种权利要求1～9任一项所述的具有磁畴壁可调控的锰氧化物薄膜的器件中锰氧化物薄膜的磁畴壁的调控方法，该方法的步骤为：首先在磁畴壁调控单元的磁性导电针尖和锰氧化物核心单元的金属导电底座之间施加低压交流电压使两者之间形成交流电场，其次在磁性导电针尖与锰氧化物薄膜的顶膜面紧密接触的情况下，使磁性导电针尖在锰氧化物薄膜的顶膜面沿一固定方向来回扫描移动，最后该扫描移动使锰氧化物薄膜的全部多个磁畴的畴壁发生移动，该移动后的多个畴壁与锰氧化物薄膜顶膜面的多个交线沿着上述磁性导电针尖扫描方向且近似平行，在顶膜面上形成沿上述扫描方向且近似平行的畴壁图案。
11.一种磁存储器，包括多个锰氧化物核心单元和单个磁畴壁调控单元；每个锰氧化物核心单元构成一个存储单元，每个锰氧化物核心单元包括三层结构，分别是从上到下依次设置的导电锰氧化物薄膜，绝缘衬底，金属导电底座，多个锰氧化物核心单元的金属导电底座形成一体结构；磁畴壁调控单元包括磁性导电针尖，该磁性导电针尖与导电锰氧化物膜的顶膜面紧密接触，并能够沿该顶膜面移动，该磁性导电针尖能够在不同的锰氧化物核心单元之间移动；上述导电锰氧化物薄膜的晶格结构为钙钛矿结构，该导电锰氧化物薄膜由多个磁畴组成，其易磁化轴垂直膜面，即上述多个磁畴的每个磁畴的磁矩垂直膜面并且每个磁畴的畴壁均垂直于膜面，该多个磁畴的畴壁与顶膜面的多个交线近似平行并在顶膜面上形成近似平行的畴壁图案；上述磁性导电针尖的磁化方向垂直上述导电锰氧化物薄膜表面；所述磁性针尖自身产生的静磁场远小于导电锰氧化物薄膜的矫顽场，两者至少差一个数量级；所述磁存储器的逻辑状态通过改变锰氧化物薄膜的畴壁图案来改变；通过在上述磁性导电针尖和金属导电底座之间施加低压交流电压形成交流电场且磁性导电针尖在导电锰氧化物薄膜的顶膜面上沿一与初始状态畴壁垂直的方向来回移动使磁畴壁移动到沿该与初始状态畴壁垂直的方向来改变所述锰氧化物薄膜的畴壁图案；所述绝缘衬底为表面光学抛光的LaAlO3(001)单晶衬底或NdGaO3(110)单晶衬底。
12.根据权利要求11所述的磁存储器，所述锰氧化物薄膜的畴壁图案改变为与初始状态畴壁互相垂直的畴壁图案。
13.根据权利要求11所述的磁存储器，所述锰氧化物薄膜成分为(R1-xMx)MnO3，其中R为La，Nd，Sm或Pr元素中的至少一种，M为Ba，Sr或Ca元素中的至少一种，其中0.1≤x≤0.6。
14.根据权利要求11所述的磁存储器，所述锰氧化物薄膜成分为La(1-x)SrxMnO3，其中0.3≤x≤0.6或La(1-x)BaxMnO3，其中0.2≤x≤0.3。
15.根据权利要求11所述的磁存储器，所述磁性导电针尖为镀有磁性Co-Cr镀层的针尖，该针尖磁化方向垂直所述锰氧化物薄膜表面。
16.根据权利要求11所述的磁存储器，所述磁性导电针尖为多功能扫描探针显微镜的探针。
17.根据权利要求11所述的磁存储器，所述低压交流电压为100～400mV。
18.根据权利要求11所述的磁存储器，所述低压交流电压的频率为500Hz～1MHz。
19.一种权利要求11～18任一项所述的磁存储器的写入方法，该方法的步骤为：首先选定要写入的存储单元，将磁畴壁调控单元的磁性导电针尖放置在该存储单元的导电锰氧化物薄膜的顶膜面并与之紧密接触；其次在磁畴壁调控单元的磁性导电针尖和该存储单元的金属导电底座之间施加低压交流电压使两者之间形成交流电场，然后在磁性导电针尖与锰氧化物薄膜的顶表面接触的情况下，使磁性导电针尖在锰氧化物薄膜的顶膜面沿一与初始状态畴壁垂直的方向来回扫描移动，最后该扫描移动使存储单元的锰氧化物薄膜的的全部多个磁畴的畴壁与锰氧化物薄膜顶膜面的多个交线沿上述扫描方向并近似平行，在顶膜面上形成沿与初始状态畴壁垂直的方向并近似平行的畴壁图案。
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