CN104752604A - 一种电场调控的反铁磁基霍尔器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电场调控的反铁磁基霍尔器件及其制备方法。它包括依次沉积在导电基片上的底层、反铁磁耦合层和顶层，在顶层上依次设有侧电极和门电极；底层为磁性绝缘体层或无磁性绝缘体层；底层为磁性绝缘体层或无磁性绝缘体层组成的复合层；反铁磁耦合层为反铁磁层或反铁磁层和铁磁层；顶层为二氧化铪层、三氧化二铝层或二氧化硅层；侧电极为Ti层和Au层的双层膜或Ti层和Pt层的双层膜，在顶层上依次是Ti层、Au层或Ti层、Pt层；门电极为离子液体。本发明结构和制备方法简单、成本低，具有良好的磁化特性，可作为一种磁场探测器；对外磁场和热扰动不敏感，测量的霍尔电阻更加准确；是低能耗的自旋器件，对于反铁磁自旋电子学器件的发展具有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种电场调控的反铁磁基霍尔器件及其制备方法，属于电子学器件领域。
背景技术
反铁磁基自旋电子学器件由于其在超快和超高密度自旋电子学器件方面具有潜在的应用价值而逐步发展成为一个新的研究方向，并激起了人们广泛的研究兴趣。自1957年发现交换偏置以来，反铁磁材料一直作为一种重要的静态支撑材料来钉扎铁磁层，在自旋阀和隧道结器件中获得了广泛的应用。随着近几年反铁磁材料的功能化，人们开始尝试通过操控反铁磁的磁矩来实现信息的存储，并发展出了新的器件构型如反铁磁忆阻器和反铁磁隧道结等，然而这些器件的应用都面临着高能耗的缺点。目前，通过电场已经可以成功的调控铁磁材料的磁性，尤其在新一代的自旋转移扭矩磁隧道结中，通过电场辅助磁化翻转可以极大的降低所需的电流密度，实现了低功耗的器件应用。由于反铁磁材料磁矩反平行排列、净磁矩为零，对它的操控非常困难，限制了实用化进程。尤其对于反铁磁金属，因为其电场屏蔽作用，要实现电调控反铁磁的磁结构一直是个亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电场调控的反铁磁基霍尔器件及其制备方法，本发明霍尔器件的多层膜结构的界面清晰、平整且附着力好，具有良好的磁化特性，且制备方法简单、成本低。
本发明提供的电场调控的反铁磁基霍尔器件，包括依次沉积在导电基片上的底层、反铁磁耦合层和顶层，在所述顶层上依次设有侧电极和门电极；
所述底层为磁性绝缘体层或无磁性绝缘体层；所述反铁磁耦合层为反铁磁层或反铁磁层和铁磁层组成的复合层；所述顶层为二氧化铪层、三氧化二铝层或二氧化硅层；所述侧电极为Ti层和Au层的双层膜或Ti层和Pt层的双层膜，在所述顶层上依次是所述Ti层、所述Au层或所述Ti层、所述Pt层；所述门电极为离子液体。
上述的霍尔器件，所述底层的厚度可为20～100nm，具体可为50nm、100nm；
所述反铁磁层的厚度可为3～20nm，具体可为3nm、5nm、6nm、20nm、3～5nm、5～6nm、6～20nm或5～20nm，所述铁磁层的厚度可为3～20nm，具体可为8、10nm或8～10nm；
所述顶层的厚度可为1.5～2nm，具体可为2nm；
所述侧电极的Ti层的厚度可为5～30nm，具体可为20nm，Au层的厚度可为60～100nm，具体可为80nm，Pt层的厚度可为60～100nm。
上述的霍尔器件，所述导电基片可为Si(100)/Pt基片、SrRuO3基片或Nb掺杂SrTiO3基片。
上述的霍尔器件，所述Si(100)/Pt基片中Pt的厚度可为80～200nm，具体可为100nm；
Nb掺杂SrTiO3基片中Nb掺杂含量可为0.005～0.05wt％，具体可为0.01wt％。
上述的霍尔器件，所述磁性绝缘体层采用钇铁石榴石或铁酸铋(BiFeO3)材料制成，所述无磁性绝缘体层采用铌镁酸铅-钛酸铅、钛酸钡(BaTiO3)或锆钛酸铅(PZT)。
上述的霍尔器件，所述反铁磁层和所述铁磁层均采用金属制成；
所述反铁磁层采用的金属可为IrMn、FeMn、MnPt或FeRh；
所述铁磁层可为垂直磁化的[Co/Pt]n多层膜或垂直磁化的[Co/Ni]n多层膜，其中n为3～6的整数；
当所述铁磁层可为垂直磁化的[Co/Pt]n多层膜时，Co层和Pt层周期重复沉积，各Co层的厚度均可为0.3～0.8nm，具体可为0.6nm，各Pt层的厚度均为0.8～1.5nm，具体可为1nm；
当所述铁磁层可为垂直磁化膜采用[Co/Ni]n多层膜时，Co层和Ni层周期重复沉积，各Co层的厚度均为0.3～0.8nm，各Ni层的厚度均可为0.8～1.5nm；
所述离子液体由阳离子和阴离子组成，所述阳离子可为N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)阳离子或1-乙基-3-甲基咪唑阳离子，所述阴离子可为季铵磺酸亚胺阴离子、氟磺酰亚胺阴离子、四氟硼酸阴离子或二氰胺阴离子；具体可为DEME+TFSI－、EMI+TFSI－、EMI+FSI－、EMI+BF4 －或EMI+DCA－，N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)阳离子简写为DEME+，1-乙基-3-甲基咪唑阳离子简写为EMI+，季铵磺酸亚胺阴离子简写为TFSI－，氟磺酰亚胺阴离子简写为FSI－，四氟硼酸阴离子简写为BF4 －，二氰胺阴离子简写为DCA－；
所述顶层上设以同一中心点的两个十字结构的8个顶点上的8个方块电极，其中2个为所述侧电极，6个为测试电极，使用时6个测试电极用来接线和测试，通过超声电焊机接线与外部电表连接，通电流、测电阻，进行霍尔电阻的测试。
本发明中，在所述底层上沉积的所述反铁磁耦合层有如下结构分布：1)在所述底层上沉积单层所述反铁磁层；2)在所述底层上依次沉积所述铁磁层和所述反铁磁层组成的所述反铁磁耦合层；3)在所述底层上依次沉积所述反铁磁层和所述铁磁层组成的所述反铁磁耦合层。
本发明中，所述侧电极为Ti和Au的双层膜，其中Ti层的厚度可为20nm，Au层的厚度可为80nm。
本发明还提供了上述的霍尔器件的制备方法，包括如下步骤：
1)采用掩膜的方式在所述导电基片上沉积所述底层，并将所述导电基片上留出一条侧边；
2)在所述底层上刻蚀出所述霍尔器件的图形，然后在所述霍尔器件的图形上依次沉积所述反铁磁耦合层和所述顶层；
3)在所述顶层上刻蚀出若干个方块电极图形，在所述方块电极图形上依次镀上Ti层和Au层，即得到所述侧电极；
4)在所述两个十字结构的中心点处滴上所述离子液体作为所述门电极，即得到所述电场调控的反铁磁基霍尔器件。
本发明中，制备所述门电极过程具体是在显微镜下用探针滴加所述离子液体2～5滴，通过滴加的位置和滴数控制形状大小。
上述的制备方法，步骤1)中所述导电基片上留出的侧边的宽度为100～800μm；
所述刻蚀采用光刻或金属剥离的方法，所述光刻为紫外曝光或氩离子刻蚀；
所述方块电极采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法沉积在所述顶层上。
上述的制备方法，所述顶层上以同一中心点的两个十字结构的8个顶点上均刻蚀出8个所述方块电极图形，得到8个所述方块电极，其中平行于所述侧边且相对分布的方块电极即为所述侧电极。
上述的制备方法，8个所述方块电极呈均匀分布于正方形的边上；
所述离子液体覆盖所述两个十字结构的中心点处和部分所述侧电极上。
本发明中所述的霍尔器件的制备方法中，步骤2)和3)中紫外曝光之前均涂覆光刻胶；在沉积所述反铁磁耦合层和所述顶层之后和沉积所述侧电极之后，均用丙酮浸泡，除去光刻胶。
使用本发明电场调控的反铁磁基霍尔器件的机理如下：一方面利用离子液体施加门电压VG1，形成双电层，从而在金属的反铁磁层上产生强的电场效应，操控反铁磁体层部分的自旋弹簧结构及反铁磁层/铁磁层界面的自旋结构，通过测试霍尔效应中交换偏置的改变论证门电压对金属反铁磁层的调控，结果表明，负电压可以增强反铁磁层的磁各向异性，增强交换弹簧的稳定性，增加界面未补偿自旋的钉扎能力，正电压会削弱反铁磁的磁结构的稳定性；另一方面，通过施加电压VG2极化底层的铁电材料，将产生的应变传递给近邻的反铁磁层，调控反铁磁的自旋结构，并通过霍尔效应和径向电阻进行探测。其调控机理可以通过采用不同厚度的反铁磁层得到验证。
本发明具有以下优点：
1、本发明由于采用磁控溅射或电子束蒸镀方法，结合紫外曝光和剥离等微加工工艺，在导电基片上依次沉积底层、反铁磁耦合层、顶层、电极，得到霍尔器件，因此本发明的霍尔器件结构和制备方法简单、成本低，所制备的多层膜结构的界面清晰、平整且附着力好，具有良好的磁化特性。
2、本发明的反铁磁基霍尔器件由于反铁磁层热稳定性好，对外磁场和热扰动不敏感，因此能够减少外界因素对信号的干扰，使其霍尔电阻的测量更加准确。
3、本发明所得到的反常霍尔信号或者平面霍尔信号的偏置场和矫顽力大小可以通过门电压进行调控，辅助其磁化翻转，因此本发明是一种低能耗的自旋器件。
4、由于本发明使用电场调控反铁磁的磁结构的变化，相比以前用很大的磁场或者很大的电流来驱动反铁磁磁矩的翻转，具有操作条件简单、能耗低的优势。
5、本发明采用一种常用的霍尔器件构型，可以通过电场下霍尔效应的交换偏置的变化原位探测反铁磁磁结构及界面自旋的变化，提供了一种探测反铁磁磁结构的新颖的电学手段。
6、本发明的反铁磁基霍尔器件对于磁场方向和大小非常敏感，且适用于温度范围为2～350K的环境中，因此可以还作为一种磁场探测器使用。
7、本发明首次提出了一种电学调控反铁磁金属的手段，具有能耗低、易实现等优点，对于新一代的反铁磁自旋电子学器件的发展具有重要意义。
附图说明
图1为本发明电场调控的反铁磁基霍尔器件的结构示意图。
图2为本发明电场调控的反铁磁基霍尔器件的测试结构示意图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、制备Y3Fe5O12/IrMn/HfO2/离子液体结构的霍尔器件
霍尔器件的制备：
(1)在Nb掺杂SrTiO3基片边上留出一条500μm宽的侧边，采用掩膜的方式沉积50nm的钇铁石榴石(Y3Fe5O12)，侧边标记为S，用于测试接线。(2)在底层Y3Fe5O12上涂覆型号为AZ5214E的光刻胶，然后采用采用紫外曝光做出霍尔器件的图形，并在图形上依次沉积5nm的反铁磁耦合层IrMn和2nm的顶层为二氧化铪(HfO2)，之后利用丙酮去胶，采用剥离工艺得到霍尔器件的局部。顶层所在正方形的面积为2000×2000μm2，中间两个十字形结构中心的交叉重合部分的面积为40×30μm2。(3)如图2所示，采用紫外曝光和剥离工艺在A、B、C、D、E、F、G和H八个方块电极处用电子束蒸镀的方法沉积20nm的Ti和80nm的Au，其中G和H为霍尔器件的侧电极。(4)采用探针在霍尔器件上滴上一滴离子液体(DEME+TFSI－)，离子液体的大小覆盖霍尔器件的横向通道(覆盖两个十字交叉结构)以及部分的G和H电极。得到的霍尔器件，结构如图1所示。
霍尔器件的测试：
按照如图2所示的测试结构进行测试，在侧边S上连接测试线，从各个电极引出导线进行测试，其中C点和D点之间通电流，A点和E点之间测霍尔电阻RHall，A点和B点之间径向电阻RAMR，G点和D点之间施加门电压VG1，S点和D点之间施加电压VG2。综合物理性能测试系统(PPMS)磁阻测试结果表明，当磁场平行于薄膜表面时，在±1T的范围内扫磁场，测得的霍尔电阻在多层膜的矫顽力处发生转变，获得平面霍尔效应的信号。由于铁磁Y3Fe5O12和反铁磁IrMn之间的磁近邻作用和铁磁反铁磁耦合作用，所探测到的平面霍尔曲线发生了明显的偏置。此时，通过施加不同的门电压(1.5V～2V以及-1.5V～-2V)，可以观察到偏置场和矫顽力均发生了明显的变化。其中负电压可以增大偏置场，增加矫顽力，正电压减小偏置场，减小矫顽力；且电压的绝对值越大，改变越明显。其机理主要是门电压通过注入或者抽取反铁磁层的电子，调控了反铁磁内部的交换弹簧结构，从而改变了界面未补偿自旋的数量和结构，影响了交换偏置效应。
实施例2、制备BiFeO3/FeRh/HfO2/离子液体结构的霍尔器件
霍尔器件的制备：
(1)在SrRuO3基片边上留出一条500μm宽的侧边，采用掩膜的方式沉积100nm的BiFeO3，侧边标记为S，用于测试接线。(2)在底层BiFeO3上涂覆型号为AZ5214E的光刻胶，然后采用紫外曝光做出霍尔器件的图形，并依次沉积20nm的反铁磁耦合层FeRh和2nm的顶层HfO2，之后利用丙酮去胶，采用剥离工艺得到霍尔器件的局部。顶层所在正方形的面积为1000×1000μm2，中间两个十字形结构中心的交叉重合部分的面积为20×15μm2。(3)采用紫外曝光和剥离工艺在A、B、C、D、E、F、G、H八个方块电极处镀上用电子束蒸镀的方法沉积20nm的Ti层和80nm的Au层，其中G和H为霍尔器件的侧电极。(4)采用探针在霍尔器件上滴上一滴离子液体(DEME+TFSI－)，离子液体的大小覆盖霍尔器件的横向通道(覆盖两个十字交叉结构)以及部分的G和H电极。得到的霍尔器件，结构如图1所示。
霍尔器件的测试：
按照如图2所示的测试结构进行测试，在侧边S上连接测试线，从各个电极引出导线进行测试，其中C点和D点之间通电流，A点和E点之间测霍尔电阻RHall，A点和B点之间径向电阻RAMR，G点和D点之间施加门电压VG1，S点和D点之间施加电压VG2。综合物理性能测试系统(PPMS)磁阻测试结果表明，在300K下，当磁场平行于薄膜表面时，在±1T的范围内扫磁场，测得的霍尔电阻在多层膜的矫顽力处发生转变，获得平面霍尔效应的信号。由于多铁BiFeO3和反铁磁FeRh之间的磁近邻作用和铁磁反铁磁耦合作用，所探测到的平面霍尔曲线发生了明显的偏置。(1)通过施加不同的门电压VG1(1.5～2.5V以及-1.5～-2.5V)，可以观察到偏置场和矫顽力均发生了明显的变化。其中负电压可以增大偏置场，增加矫顽力，正电压减小偏置场，减小矫顽力。且电压的绝对值越大，改变越明显。其机理主要是门电压通过注入或者抽取反铁磁层的电子，调控了反铁磁内部的交换弹簧结构，从而改变了界面未补偿自旋的数量和结构，影响了交换偏置效应。(2)通过施加不同的电压VG2，可以极化底层的多铁BiFeO3层，此时由于铁电-反铁磁耦合，不同极化状态下的能够调控反铁磁FeRh的反铁磁结构，从而调控平面霍尔效应的信号。与此同时，由于BiFeO3铁电极化引起的晶格常数的变化会将应力传递给紧邻的FeRh层，从而改变反铁磁的自旋结构。当施加+2V的电压时，霍尔信号的偏置场和矫顽力均增加，施加+5V的电压时，偏置场和矫顽力进一步增加。电压到达+10V以上时，偏置场和矫顽力不再改变。
实施例3、PZT/[Co/Pt]/IrMn/HfO2/离子液体结构的霍尔器件
霍尔器件的制备：
(1)在SrRuO3基片边上留出一条500μm宽的侧边，采用掩膜的方式沉积50nm的PZT，侧边标记为S，用于测试接线。(2)在底层PZT上涂覆型号为AZ5214E的光刻胶，然后采用紫外曝光做出霍尔器件的图形，并依次沉积反铁磁耦合层[Co/Pt]5/IrMn和2nm的顶层HfO2，其中Co的厚度为0.6nm，Pt的厚度为1nm，IrMn厚度为3nm。之后利用丙酮去胶，采用剥离工艺得到霍尔器件的局部。顶层所在正方形的面积为2000×2000μm2，中间两个十字形结构中心的交叉重合部分的面积为40×30μm2。(3)采用紫外曝光和剥离工艺在A、B、C、D、E、F、G、H八个方块电极处镀上用磁控溅射的方法沉积20nm的Ti层和80nm的Au层，其中G和H为霍尔器件的侧电极。(4)采用探针在霍尔器件上滴上一滴离子液体(DEME+TFSI－)，液体的大小覆盖霍尔器件的横向通道(覆盖两个十字交叉结构)以及部分的G和H电极。得到的霍尔器件，结构如图1所示。
霍尔器件的测试：
按照如图2所示的测试结构进行测试，在侧边S上连接测试线，从各个电极引出导线进行测试，其中C点和D点之间通电流，A点和E点之间测霍尔电阻RHall，A点和B点之间径向电阻RAMR，G点和D点之间施加门电压VG1，S点和D点之间施加电压VG2。综合物理性能测试系统(PPMS)磁阻测试结果表明，当磁场垂直于薄膜表面时，在±5kOe的范围内扫磁场，测得的霍尔电阻在多层膜的矫顽力处发生转变，获得反常霍尔效应的信号。由于铁磁层Co/Pt和反铁磁IrMn之间的耦合作用，所探测到的反常霍尔曲线发生了明显的偏置。(1)通过施加不同的门电压VG1(1.5～2.5V以及-1.5～-2.5V)，可以观察到偏置场和矫顽力均发生了明显的变化。其中负电压可以增大偏置场，增加矫顽力，正电压减小偏置场，减小矫顽力。且电压的绝对值越大，改变越明显。其机理主要是门电压通过注入或者抽取反铁磁层的电子，调控了反铁磁内部的交换弹簧结构，从而改变了界面未补偿自旋的数量和结构，影响了交换偏置效应。(2)通过施加不同的电压VG2，可以极化底层的多铁PZT层，此时由于铁电-铁磁耦合，不同极化状态下的能够调控铁磁Co/Pt的矫顽力，从而调控反常霍尔效应的信号。
实施例4、制备BaTiO3/FeMn/[Co/Pt]/HfO2/离子液体结构的霍尔器件
霍尔器件的制备：
(1)在Nb掺杂SrTiO3基片边上留出一条500μm宽的侧边，采用掩膜的方式沉积100nm的BaTiO3，侧边标记为S，用于测试接线。(2)在底层BaTiO3上涂覆型号为AZ5214E的光刻胶，然后采用紫外曝光做出霍尔器件的图形，并依次沉积反铁磁耦合层FeMn/[Co/Pt]5和厚2nm的顶层HfO2，其中Co的厚度为0.8nm，Pt的厚度为1.2nm，FeMn厚度为6nm。之后利用丙酮去胶，采用剥离工艺得到霍尔器件的局部。顶层所在正方形的面积为2000×2000μm2，中间两个十字形结构中心的交叉重合部分的面积为40×30μm2。(3)采用紫外曝光和剥离工艺在A、B、C、D、E、F、G、H八个方块电极处用磁控溅射的方法沉积20nm的Ti层和80nm的Au层，其中G和H为霍尔器件的侧电极。(4)采用探针在霍尔器件上滴上一滴离子液体(DEME+TFSI－)，液体的大小覆盖霍尔器件的横向通道(覆盖两个十字交叉结构)以及部分的G和H电极。得到的霍尔器件，结构如图1所示。
霍尔器件的测试：
按照如图2所示的测试结构进行测试，在侧边S上连接测试线，从各个电极引出导线进行测试，其中C点和D点之间通电流，A点和E点之间测霍尔电阻RHall，A点和B点之间径向电阻RAMR，G点和D点之间施加门电压VG1，S点和D点之间施加电压VG2。综合物理性能测试系统(PPMS)磁阻测试结果表明，当磁场垂直于薄膜表面时，在±5kOe的范围内扫磁场，测得的霍尔电阻在多层膜的矫顽力处发生转变，获得反常霍尔效应的信号。由于铁磁层Co/Pt和反铁磁FeMn之间的耦合作用，所探测到的反常霍尔曲线发生了明显的偏置。(1)通过施加不同的门电压VG1(1.5～2.5V以及-1.5～-2.5V)，可以观察到偏置场和矫顽力均发生了明显的变化。其中负电压可以增大偏置场，增加矫顽力，正电压减小偏置场，减小矫顽力。且电压的绝对值越大，改变越明显。其机理主要是门电压通过注入或者抽取Co/Pt铁磁层的电子,改变了Co/Pt的居里温度，从而改变了反铁磁FeMn和铁磁Co/Pt的交换耦合作用，改变了界面的交换偏置现象。(2)通过施加不同的电压VG2，可以极化底层的多铁BaTiO3层，此时由于铁电-反铁磁耦合，不同极化状态下的能够调控反铁磁FeMn的反铁磁结构，从而调控平面霍尔效应的信号。与此同时，由于BaTiO3铁电极化引起的晶格常数的变化会将应力传递给紧邻的FeMn层，从而改变反铁磁的自旋结构。当施加+2V的电压时，霍尔信号的偏置场和矫顽力均增加，施加+5V的电压时，偏置场和矫顽力进一步增加。电压到达+10V以上时，偏置场和矫顽力不再改变。
Claims (10)
1.一种电场调控的反铁磁基霍尔器件，其特征在于：它包括依次沉积在导电基片上的底层、反铁磁耦合层和顶层，在所述顶层上依次设有侧电极和门电极；
所述底层为磁性绝缘体层或无磁性绝缘体层；所述反铁磁耦合层为反铁磁层或反铁磁层和铁磁层组成的复合层；所述顶层为二氧化铪层、三氧化二铝层或二氧化硅层；所述侧电极为Ti层和Au层的双层膜或Ti层和Pt层的双层膜，在所述顶层上依次是所述Ti层、所述Au层或所述Ti层、所述Pt层；所述门电极为离子液体。
2.根据权利要求1所述的霍尔器件，其特征在于：所述底层的厚度为20～100nm；
所述反铁磁层的厚度为3～20nm，所述铁磁层的厚度为3～20nm；
所述顶层的厚度为1.5～2nm；
所述侧电极的Ti层的厚度为5～30nm，Au层的厚度为60～100nm，Pt层的厚度为60～100nm。
3.根据权利要求1或2所述的霍尔器件，其特征在于：所述导电基片为Si(100)/Pt基片、SrRuO3基片或Nb掺杂SrTiO3基片。
4.根据权利要求3所述的霍尔器件，其特征在于：所述Si(100)/Pt基片中Pt的厚度为80～200nm；
Nb掺杂SrTiO3基片中Nb掺杂含量为0.005～0.05wt％。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的霍尔器件，其特征在于：所述磁性绝缘体层采用钇铁石榴石或铁酸铋材料制成，所述无磁性绝缘体层采用铌镁酸铅-钛酸铅、钛酸钡或锆钛酸铅。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的霍尔器件，其特征在于：所述反铁磁层和所述铁磁层均采用金属制成；
所述反铁磁层采用的金属为IrMn、FeMn、MnPt或FeRh；
所述铁磁层为垂直磁化的[Co/Pt]n多层膜、垂直磁化的[Co/Pd]n多层膜或垂直磁化的[Co/Ni]n多层膜，其中n为3～6的整数；
所述离子液体由阳离子和阴离子组成，所述阳离子为N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)阳离子或1-乙基-3-甲基咪唑阳离子，所述阴离子为季铵磺酸亚胺阴离子、氟磺酰亚胺阴离子、四氟硼酸阴离子或二氰胺阴离子；
所述顶层上设以同一中心点的两个十字结构的8个顶点上的8个方块电极，其中2个为所述侧电极，6个为测试电极。
7.权利要求1-6中所述的霍尔器件的制备方法，包括如下步骤：
1)采用掩膜的方式在所述导电基片上沉积所述底层，并将所述导电基片上留出一条侧边；
2)在所述底层上刻蚀出所述霍尔器件的图形，然后在所述霍尔器件的图形上依次沉积所述反铁磁耦合层和所述顶层；
3)在所述顶层上刻蚀出若干个方块电极图形，在所述方块电极图形上依次镀上Ti层和Au层，即得到所述侧电极；
4)在所述两个十字结构的中心点处滴上所述离子液体作为所述门电极，即得到所述电场调控的反铁磁基霍尔器件。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述导电基片上留出的侧边的宽度为100～800μm；
所述刻蚀采用光刻或金属剥离的方法；
所述方块电极采用磁控溅射或电子束蒸镀的方法沉积在所述顶层上。
9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于：所述顶层上以同一中心点的两个十字结构的8个顶点上均刻蚀出8个所述方块电极图形，得到8个所述方块电极，其中平行于所述侧边且相对分布的方块电极即为所述侧电极。
10.根据权利要求9中任一项所述的制备方法，其特征在于：8个所述方块电极呈均匀分布于正方形的边上；
所述离子液体覆盖所述两个十字结构的中心点处和部分所述侧电极上。
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Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105374932A (zh) * | 2015-10-22 | 2016-03-02 | 重庆科技学院 | 一种通过极化方向调控霍尔效应的结构 |
| CN110983268A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-04-10 | 西安科汇电子科技有限公司 | 一种使用离子液体调控金属薄膜磁性的方法 |
| CN111103519A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-05-05 | 西安科汇电子科技有限公司 | 一种在人工反铁磁结构上利用低电压调控rkky的方法 |
| CN112614935A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-04-06 | 杭州电子科技大学 | 一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法 |
| JP7244157B1 (ja) * | 2022-02-18 | 2023-03-22 | 国立大学法人東北大学 | 磁気センサおよび磁気検出方法 |
| WO2023164860A1 (zh) * | 2022-03-03 | 2023-09-07 | 中国科学院微电子研究所 | 基于离子门调控的可重构神经元器件及其制备方法 |
| CN118409253A (zh) * | 2024-07-02 | 2024-07-30 | 大连理工大学 | 反常霍尔效应传感器、装置及线性磁场传感器系统 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103904211A (zh) * | 2014-04-15 | 2014-07-02 | 清华大学 | 一种基于垂直交换耦合的磁场探测器及其制备和使用方法 |
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Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103904211A (zh) * | 2014-04-15 | 2014-07-02 | 清华大学 | 一种基于垂直交换耦合的磁场探测器及其制备和使用方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| D CHIBA等: "Control of magnetism in Co by an electric field", 《J.PHYS.D:APPL.PHYS.》 * |
| HONGTAOYUAN等: "High-Density Carrier Accumulation in ZnO Field-Effect Transistors Gated by Electric Double Layers of Ionic Liquids", 《ADV.FUNCT.MATER.》 * |
| L.HERRERA DIEZ等: "Electric-field assised depinning and nucleation of magnetic domain walls in FePt/Al2O3/liquid gate structures", 《APP.PHYS.LETT》 * |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105374932A (zh) * | 2015-10-22 | 2016-03-02 | 重庆科技学院 | 一种通过极化方向调控霍尔效应的结构 |
| CN110983268A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-04-10 | 西安科汇电子科技有限公司 | 一种使用离子液体调控金属薄膜磁性的方法 |
| CN111103519A (zh) * | 2019-11-05 | 2020-05-05 | 西安科汇电子科技有限公司 | 一种在人工反铁磁结构上利用低电压调控rkky的方法 |
| CN110983268B (zh) * | 2019-11-05 | 2022-03-04 | 西安科汇电子科技有限公司 | 一种使用离子液体调控金属薄膜磁性的方法 |
| CN112614935A (zh) * | 2020-12-11 | 2021-04-06 | 杭州电子科技大学 | 一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法 |
| JP7244157B1 (ja) * | 2022-02-18 | 2023-03-22 | 国立大学法人東北大学 | 磁気センサおよび磁気検出方法 |
| WO2023164860A1 (zh) * | 2022-03-03 | 2023-09-07 | 中国科学院微电子研究所 | 基于离子门调控的可重构神经元器件及其制备方法 |
| CN118409253A (zh) * | 2024-07-02 | 2024-07-30 | 大连理工大学 | 反常霍尔效应传感器、装置及线性磁场传感器系统 |
| CN118409253B (zh) * | 2024-07-02 | 2024-08-30 | 大连理工大学 | 反常霍尔效应传感器、装置及线性磁场传感器系统 |
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