CN105374932A - 一种通过极化方向调控霍尔效应的结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过极化方向调控霍尔效应的结构，包括基片，基片上沉积下电极层，下电极层上沉积BFO薄膜层，BFO薄膜层上沉积有两个并排方孔的绝缘层；绝缘层上的每个方孔内沉积呈十字架形的铂电极，铂电极的端部在绝缘层上向外延伸并纵向连接为一体。在铂电极的六个端部焊接银电极。由于BFO不但具有磁性，同时还具有铁电性，其铁电极化方向可以通过外场进行调控。而BFO中磁性来源于铁离子，在极化方向转变的过程中，铁离子的位置可能会发生移动，从而影响到薄膜铂的磁性，进一步影响到铂/BFO的反常霍尔效应。本发明通过改变极化方向来调控反常的霍尔效应，对于研究和分析稀磁半导体中的磁性机制和在自旋电子学方面具有潜在应用的材料具有重要作用。

Description

一种通过极化方向调控霍尔效应的结构

技术领域

本发明涉及一种通过极化方向调控霍尔效应的结构。

背景技术

霍尔效应在1879年被E.H.霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差。虽然这个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器。

然而，在铁磁材料中，霍尔电阻率ρ_H还包含其它部分的贡献，这主要来源于铁磁材料的自发磁化强度，可以用公式表示为：

ρ_H＝R_oB+4πR_sM(1)

式中，Ro为正常霍尔系数，而R_s为反常霍尔系数。在过去几年里，反常霍尔效应(AHE＝4πR_SM)主要用于研究和分析稀磁半导体(DSM)中的磁性机制和在自旋电子学方面具有潜在应用的材料。从公式(1)可以看出，反常霍尔效应部分正比于磁化强度M。然而，最近的一些实验表明，反常霍尔效应与磁化强度之间存在非单调的变化关系，有时候甚至会发生符号上的改变，因此，对反常霍尔效应机制的研究具有一定的意义。人们发现，除了磁性材料之外，在一些非磁性材料中，例如生长在磁性材料表面的非磁性层铂，也能观察到反常霍尔效应。

然而，当把很薄一层的铂薄膜沉积在较厚的磁性金属上，其导电性和磁性将会被磁性金属所掩盖。但是如果将铂沉积在绝缘的磁性材料上，便可以对其导电性和磁性进行测量和表征。因此，研究铂沉积在绝缘磁性材料上的反常霍尔效应具有及其重要的意义。

在众多材料中，铁酸铋(BiFeO₃，简写BFO)可以满足同时具有磁性和绝缘性的条件。首先，将铂沉积在BFO上研究反常霍尔效应的研究还没有见报道；其次，由于BFO是一种典型的多铁性材料，不但具有磁性，同时还具有铁电性，其铁电极化方向可以通过外场进行调控。而BFO中磁性来源于铁离子，在极化方向转变的过程中，铁离子的位置可能会发生移动，从而影响到上面一层薄膜铂的磁性，进一步影响到反常霍尔效应。而通过改变极化方向来调控反常霍尔效应的研究也没有见报道。第三，BFO由于具有较大的漏电流密度，想要大面积的对它进行极化是很困难的。如图1所示为测量霍尔效应的常用结构，在基片a1上沉积下电极a2，在下电极a2上沉积BFO薄膜层a3，在BFO薄膜层a3上沉积铂电极a4。这种结构通常只能对面积在0.6mm×0.6mm以内的BFO薄膜层a3进行极化，面积越大，BFO薄膜层a3漏电越严重。而且这种结构制作比较困难。

发明内容

为了研究铂沉积在绝缘磁性材料上的反常的霍尔效应，本发明提供一种通过极化方向调控霍尔效应的结构，该结构通过改变BFO薄膜的极化方向来改变BFO薄膜里面铁原子的位置，从而改变与之接触的铂电极薄膜被磁化的强度，从而调控铂电极反常的霍尔效应。本发明的结构，既可以测量霍尔效应，也可以改变BFO极化方向，从而实现过改变BFO薄膜的极化方向来调控铂薄膜的电学性质。本发明提供了一种可以改变BFO极化方向，通过极化方向来调控铂/BFO反常霍尔效应的结构。

本发明通过以下技术方案实现：

一种通过极化方向调控霍尔效应的结构，包括：

基片；

下电极层，沉积在基片上；

BFO薄膜层，沉积在下电极层上；

绝缘层，沉积在BFO薄膜层上；所述绝缘层上并排设有两个方孔；

所述绝缘层的两个方孔内均设有呈十字架形的铂电极，所述铂电极的下端面与BFO薄膜层接触，铂电极的上端高于方孔口部且铂电极的四个端部在绝缘层上向外延伸，两个铂电极位于两个方孔之间的两端部连接为一体；所述两个铂电极的六个端部均固定连接银电极。所述下电极层和银电极用于分别连接脉冲电源的正负极，对铂电极与下电极层之间施加电场，改变铂电极与下电极层之间的BFO薄膜的极化方向。

进一步，由于在测量霍尔效应的时候，施加电流平行于所述铂电极垂直于两个方孔的边，测量十字架形的铂电极另一边的两端之间的电压，为了使通过被测量电压的铂电极的边电流足够小以至于不影响被测电压的准确性，所以，所述铂电极垂直于两方孔的边的宽度大于铂电极另一边的宽度。

进一步，所述基片包括SrTiO₃、LaAlO₃中的至少一种。

进一步，所述下述电极层包括La_0.7Sr_0.3MnO₃、La_0.7Sr_0.3CoO₃、SrRuO₃中的至少一种。

进一步，所述绝缘层包括SrTiO₃、LaAlO₃、Al₂O₃、AlN、BaTiO₃、NdGaO₃中的至少一种。

本发明的有益效果：

本发明的通过极化方向调控霍尔效应的结构，可以通过下电极层和银电极分别与脉冲电源的正负极连接对BFO薄膜施加电场进行极化。该结构中，通过在BFO薄膜和铂电极层之间沉积带两方孔的绝缘层，把铂电极设置在绝缘层的方孔内与BFO薄膜接触，由于绝缘层上的方孔面积很小，方孔边长小于0.8mm，从而使铂电极的导电性和磁性不被BFO薄膜的导电性和磁性所掩盖，从而可以对铂电极的导电性和磁性进行测量和表征。同时由于BFO是一种典型的多铁性材料，不但具有磁性，同时还具有铁电性，其铁电极化方向可以通过下电极层和银电极连接的外电场进行调控。而BFO中磁性来源于铁离子，在极化方向转变的过程中，铁离子的位置会发生移动，从而影响到BFO薄膜上面的铂电极的磁性，进一步影响到反常霍尔效应。由于铂电极的每个边的宽度很小，该结构的铂电极的端部设置在绝缘层上，在铂电极的端部固定连接银电极，银电极的面积较大，银电极的设置方便测量时连接导线。本结构实现通过改变极化方向来调控反常霍尔效应，有利于研究和分析稀磁半导体(DSM)中的磁性机制和在自旋电子学方面具有潜在应用的材料。

附图说明

图1是目前测量霍尔效应的常用结构示意图；

图2a是本发明的通过极化方向调控霍尔效应的结构示意图；

图2b是图2a的半剖视图；

图3是本发明结构的BFO薄膜的衍射图；

图4a是对本发明的结构所测量的霍尔电阻随磁场的变化关系；

图4b是本发明的结构将正常霍尔效应扣除之后，得到的反常霍尔效应部分随磁场的变化关系；

图5a是对本发明的结构测量的不同极化方向下的霍尔电阻随磁场的变化关系；

图5b是对本发明的结构测量的不同极化方向下，得到的霍尔系数随温度的变化关系。

附图标记

a1，b1-基片；a2，b2-下电极层；a3，b3-BFO薄膜层；b4-绝缘层；b41-方孔；a4，b5-铂电极；b6-银电极；A-电流；U-电压。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2a和图2b所示，一种通过极化方向调控霍尔效应的结构，包括：

基片b1，所述基片包括SrTiO₃、LaAlO₃中的至少一种。

下电极层b2，沉积在基片b1上；所述下述电极层包括La_0.7Sr_0.3MnO₃、La_0.7Sr_0.3CoO₃、SrRuO₃中的至少一种。

BFO薄膜层b3，沉积在下电极层b2上。

绝缘层b4，沉积在BFO薄膜层b3上；所述绝缘层包括SrTiO₃、LaAlO₃、Al₂O₃、AlN、BaTiO₃、NdGaO₃中的至少一种。

所述绝缘层b4上并排设有两个方孔b41。所述绝缘层b4的两个方孔b41内均设有呈十字架形的铂电极b5，所述铂电极b5的下端面与BFO薄膜层b3接触，使铂电极b5被BFO薄膜磁化表现出反常的电学行为。铂电极b5的上端高于方孔b41口部且铂电极b5的四个端部在绝缘层b4上向外延伸，两个铂电极b5位于两个方孔b41之间的两端部连接为一体垂直于两个方孔b41；所述两个铂电极b5的六个端部均固定连接银电极b6。所述下电极层b2和银电极b6用于分别连接脉冲电源的正负极，对铂电极b5与下电极层b2之间施加电场，改变BFO薄膜的极化方向。这就要求方孔B41的面积很小边长最好小于0.8mm，本实施例中方孔B41的边长为0.6mm。方孔B41面积越大，BFO薄膜层b3就越容易漏电，以至于被击穿，无法改变BFO薄膜层b3的极化方向。

由于在测量霍尔效应的时候，施加电流A平行于所述铂电极b5垂直于两个方孔b41的边，测量十字架形的铂电极b5另一边的两端之间的电压U，为了使通过被测量电压的铂电极b5的边电流足够小以至于不影响被测电压的准确性，所以，所述铂电极垂直于两方孔的边的宽度为0.4mm大于铂电极另一边的宽度0.1mm。

一种通过极化方向调控霍尔效应的结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、通过脉冲激光沉积法在STO基片上沉积LSMO下电极：

首先将(001)取向的SrTiO₃基片分别在丙酮、酒精中用超声波进行清洗，晾干；用砂纸将基片台进行打磨，并清洗干净，将晾干的SrTiO₃基片用导热银胶粘在基片台上；晾干后放入腔体中加热台上，开始抽真空；待气压抽到10^-4Pa时，开始缓慢加热基片台，加热到700℃，达到700℃后，用挡板将SrTiO₃基片挡住，并通入氧气或氧气与氩气的混合气到压强为45Pa；设定激光的能量和频率参数，进行预溅射以去掉LSMO靶材表面的污物，使LSMO靶材露出新鲜的表面，其中预溅射时间为2～5分钟；预溅射过程中，调整激光光路、靶距等参数，以使羽辉末端与基片台相切；转动基片台及LSMO靶材，并使激光在X、Y方向来回扫描；待温度、气压稳定之后，移开挡板，进行沉积；根据所需的薄膜厚度选择合适的沉积时间，脉冲激光频率设置为2Hz，能量为200mJ，本实施例中需要制备的LSMO厚度为20nm，沉积时间1分钟。

步骤2、在LSMO上沉积BFO薄膜：

在步骤1的基础上，基片台加热目标温度为650°，把LSMO靶材转换成BFO靶材，通入氧气压强为15Pa。基片台缓慢加热到650°后，用挡板将SrTiO₃基片挡住，并通入氧气到15Pa；设定激光的能量240mJ和频率参数5Hz，进行预溅射以去掉BFO靶材表面的污物，使BFO靶材露出新鲜的表面，预溅射时间为2～5分钟；预溅射过程中，调整激光光路、靶距等参数，以使羽辉末端与基片台相切；转动基片台及BFO靶材，并使激光在X、Y方向来回扫描；待温度、气压稳定之后，移开挡板，进行沉积；本实施例中沉积500nm厚的BFO薄膜，时间约1个小时。沉积结束之后，按照需要充入氧气并缓慢降温。

步骤3、在BFO薄膜上面沉积STO绝缘层：

步骤与1中相似。基片台加热目标温度为700°，通入氧气压强为50Pa；在沉积之前，用掩膜板将BFO薄膜挡住，沉积厚度约为10nm、有两个方孔b41的STO薄膜。

步骤4、在STO绝缘层上沉积两个十字架形的铂：

在步骤3的基础上，用如图2a中b5和b6所示具有两个十字形的掩膜板将STO绝缘层挡住，利用步骤1中相似的方法沉积厚度为约3nm的铂。沉积的过程中不升温，不通氧气，气压为10^-4Pa。

步骤5、在步骤4的基础上，通过超声焊将银电极焊到铂的6个端点。或者用银浆点到铂的端点上。从而制得本发明的结构。

对本发明的结构测量霍尔效应：

在如图2所示的结构中，将银电极和LSMO层分别连接在脉冲电源的正负极，分别施加+24V和-24V的脉冲电压之后，放入PPMS系统进行霍尔效应的测量。这样就得到不同极化方向下霍尔效应。

本发明结构的实验结果：如图3所示，所制备的BFO薄膜为纯相，且是外延生长。图4a为所测量的霍尔电阻随磁场的变化。4b为将正常霍尔效应扣除之后，得到的反常霍尔效应部分随磁场的变化。可以看出，反常霍尔电阻不但与磁场有关，还与温度有关，随着温度的变化，其符号能发生变化，即由负变为正。图5a为所测量的不同极化方向下(负电压，定义极化朝上，反之，极化方向朝下)的霍尔电阻随磁场的变化。5b为不同极化方向下，得到的霍尔系数随温度的变化。可以看出，霍尔系数不但与温度有关，还与极化方向有关。说明可以通过改变BFO的极化方向，来调控铂/BFO的霍尔效应。

Claims (5)

1.一种通过极化方向调控霍尔效应的结构，其特征在于：包括：

基片；

下电极层，沉积在基片上；

BFO薄膜层，沉积在下电极层上；

绝缘层，沉积在BFO薄膜层上；所述绝缘层上并排设有两个方孔；

所述绝缘层的两个方孔内均设有呈十字架形的铂电极，所述铂电极的下端面与BFO薄膜层接触，铂电极的上端高于方孔口部且铂电极的四个端部在绝缘层上向外延伸，两个铂电极位于两个方孔之间的两端部连接为一体；所述两个铂电极的六个端部均固定连接银电极。

2.根据权利要求1所述的通过极化方向调控霍尔效应的结构，其特征在于：所述铂电极垂直于两方孔的边的宽度大于铂电极另一边的宽度。

3.根据权利要求1所述的通过极化方向调控霍尔效应的结构，其特征在于：所述基片包括SrTiO₃、LaAlO₃中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的通过极化方向调控霍尔效应的结构，其特征在于：所述下述电极层包括La_0.7Sr_0.3MnO₃、La_0.7Sr_0.3CoO₃、SrRuO₃中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的通过极化方向调控霍尔效应的结构，其特征在于：所述绝缘层包括SrTiO₃LaAlO₃、Al₂O₃、AlN、BaTiO₃、NdGaO₃中的至少一种。