CN107123732B - 磁性纳米线器件、其制作方法与磁性纳米线的构筑方法 - Google Patents
磁性纳米线器件、其制作方法与磁性纳米线的构筑方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提供了一种磁性纳米线器件、其制作方法与磁性纳米线的构筑方法。该磁性纳米线器件包括依次叠置设置的衬底、第一电极层、绝缘层、原子阻挡层和第二电极层，其中，第一电极层与第二电极层中的一个电极层为铁磁电极层，另一个电极层为非磁性电极层，磁性纳米线器件还包括设置在铁磁电极层与绝缘层之间的原子阻挡层，原子阻挡层包括纳米通孔。本申请的磁性纳米线器件可以有效精确地控制磁性纳米线的宽度以及位置，实现了纳米线的限域与稳定。该磁性纳米线器件实现了磁电耦合效应，为研究新型多级存储器件提供了载体。
Description
技术领域
本申请涉及存储器领域，具体而言，涉及一种磁性纳米线器件、其制作方法与磁性纳米线的构筑方法。
背景技术
近年来人们发展了很多新型信息材料和器件。如闪存、阻变存储器(RRAM)、磁记录、磁存储器(MRAM)等，在这些技术中，有些利用了电子的电荷属性，有些利用了电子的自旋属性。
MRAM利用了电子的自旋属性，其基本结构为自旋阀或磁隧道结(两个铁磁层用一个非磁金属层或绝缘层隔离)，基于磁电阻效应工作，其中，一个铁磁层的磁化方向固定而另一个铁磁层的磁化方向会随外磁场而变化，因而器件的电阻会发生变化从而实现数据存储。闪存和RRAM都只是利用了电子的电荷性质。
高存储密度和多功能的需求驱使人们研究磁化的无外场(H)操控可能性，以获得新的策略从而使自旋和电荷可以相互作用，最终获得高速、超低功耗信息存储和处理功能。
如果能在金属-绝缘体-金属(M/I/M)结构中实现限域并且稳定的操控磁性纳米线的这样一种行为，那么它所表现出来的各种丰富的新奇的物理现象，例如输运行为可以具有量子化的特征。磁性纳米线引入又为磁化的无外场(H)操控提供了研究的载体。尤其在信息领域中，磁电耦合效应是最受关注的研究热点之一，可以看出迫切需要一种限域且稳定的磁性纳米线。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种磁性纳米线器件、其制作方法与磁性纳米线的构筑方法，以解决现有技术中无法提供一种限域且稳定存在的磁性纳米线的问题。
为了实现上述目的，根据本申请的一个方面，提供了一种磁性纳米线器件，该磁性纳米线器件包括依次叠置设置的衬底、第一电极层、绝缘层和第二电极层，其中，上述第一电极层与上述第二电极层中的一个电极层为铁磁电极层，另一个电极层为非磁性电极层，上述磁性纳米线器件还包括设置在上述铁磁电极层与上述绝缘层之间的原子阻挡层，上述原子阻挡层包括纳米通孔。
进一步地，上述铁磁电极层的材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种，优选上述铁磁电极层的厚度为30～50nm。
进一步地，上述非磁性电极层的材料选自Pt与Ti中的一种或多种，优选上述非磁性电极层的厚度为30～50nm。
进一步地，上述绝缘层的材料选自TiO2、TaO5、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种，优选上述绝缘层的厚度为10～30nm。
进一步地，上述原子阻挡层的材料选自石墨烯、二硫化钼与五碲化锆中的一种或多种，上述原子阻挡层包括N个单原子层，其中，N为整数，且1≤N≤3，进一步优选上述纳米通孔的直径在20～50nm之间。
进一步地，上述磁性纳米线器件还包括：种子层，设置在上述衬底与上述第一电极层之间，优选上述种子层的材料选自Ti和/或Cr，进一步优选上述种子层的厚度在5～10nm之间。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁性纳米线器件的制作方法，上述制作方法包括：在衬底上依次叠置设置第一电极层、绝缘层、原子阻挡层和第二电极层，且上述第一电极层为非磁性电极层，上述第二电极层为铁磁电极层，或者在衬底上依次叠置设置第一电极层、原子阻挡层、绝缘层和第二电极层，且上述第一电极层为铁磁电极层，上述第二电极层为非磁性电极层，其中，上述原子阻挡层包括纳米通孔。
进一步地，采用磁控溅射法、离子束溅射法或电子束蒸发法设置上述第一电极层和/或上述第二电极层，优选采用原子层沉积法、磁控溅射法或离子束溅射法设置上述绝缘层。
进一步地，上述铁磁电极层的材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种，优选上述铁磁电极层的厚度为30～50nm。
进一步地，上述非磁性电极层的材料选自Pt与Ti中的一种或多种，优选上述非磁性电极层的厚度为30～50nm。
进一步地，上述绝缘层的材料选自TiO2、TaO5、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种，优选上述绝缘层的厚度为10～30nm。
进一步地，上述阻挡层的材料选自石墨烯、二硫化钼与五碲化锆中的一种或多种，优选上述纳米通孔的直径在20～50nm之间。
进一步地，在设置上述第一电极层之前，上述制作方法还包括：在上述衬底上设置种子层，上述第一电极层设置在上述种子层的远离上述衬底的表面上，优选采用磁控溅射法、离子束溅射法或电子束蒸发法设置上述种子层，进一步优选上述种子层的材料选自Ti和/或Cr，优选上述种子层的厚度在5～10nm之间。
根据本申请的另一方面，提供了一种磁性纳米线的构筑方法，上述构筑方法包括：步骤S1，向任一种上述的磁性纳米线器件的铁磁电极层和/或上述磁性纳米线器件的非磁性电极层上施加电压，使上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间具有正电势差，进而在上述磁性纳米线器件中形成磁性纳米线。
进一步地，在上述步骤S1中，向上述铁磁电极层施加正扫描电压，使上述非磁性电极层接地。
进一步地，上述铁磁电极层的材料的原子为铁磁原子，上述构筑方法还包括：步骤S2，逐渐减小上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间的正电势差，使得上述磁性纳米线的宽度逐渐减小，直到上述磁性纳米线的最小宽度等于一个上述铁磁原子的直径。
进一步地，在上述步骤S2中，向上述铁磁电极层施加负扫描电压，使上述非磁性电极层接地，且上述步骤S2中的负扫描电压的扫描方式为逼近式负电压扫描。
应用本申请的技术方案，当上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间具有正电势差时，铁磁电极层中的铁磁原子被氧化为离子，这些离子通过纳米通孔扩散到非磁性电极层，被还原为原子，然后原子沉积在非磁性电极层上，通过不断地堆积，直到铁磁电极层，形成了磁性纳米线，并且由于原子阻挡层设置在绝缘层与铁磁电极层之间，当原子堆积到原子阻挡层时，只能通过纳米通孔，不能在除了纳米通孔之外的其他位置堆积，并且，通过调整纳米孔的位置可以控制磁性纳米线的位置，所以，本申请的磁性纳米线器件可以有效精确地控制磁性纳米线的宽度以及位置，实现了纳米线的限域与稳定。该磁性纳米线器件实现了磁电耦合效应，为研究新型多级存储器件提供了载体。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本申请的一种典型的实施方式提供的磁性纳米线器件的结构示意图；
图2示出了本申请的一种实施例提供的磁性纳米线器件的结构示意图；
图3示出了本申请的另一种实施例提供的磁性纳米线器件的结构示意图；
图4示出了图2中的器件在施加V1时的工作状态示意图；
图5示出了图2中的器件在施加V2时的工作状态示意图；以及
图6示出了图2中的器件在施加V3时的工作状态示意图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
1、衬底；2、种子层；3、第一电极层；4、绝缘层；5、原子阻挡层；6、第二电极层；01、原子；50、纳米通孔。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中无法提供一种限域且稳定存在的磁性纳米线，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种磁性纳米线器件、其制作方法与磁性纳米线的构筑方法。
本申请的一种典型的实施方式中，提供了一种磁性纳米线器件，如图1所示，该器件包括依次叠置设置的衬底1、第一电极层3、绝缘层4和第二电极层6，其中，上述第一电极层3与上述第二电极层6中的一个电极层为铁磁电极层，另一个电极层为非磁性电极层，上述磁性纳米线器件还包括设置在上述铁磁电极层与上述绝缘层4之间的原子阻挡层5，上述原子阻挡层5包括纳米通孔50。
当上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间具有正电势差时，铁磁电极层中的铁磁原子被氧化为离子，这些离子通过纳米通孔扩散到非磁性电极层，被还原为原子，然后原子沉积在非磁性电极层上，通过不断地堆积，直到铁磁电极层，形成了磁性纳米线，并且由于原子阻挡层设置在绝缘层与铁磁电极层之间，当原子堆积到原子阻挡层时，只能通过纳米通孔，不能在除了纳米通孔之外的其他位置堆积，并且，通过调整纳米孔的位置可以控制磁性纳米线的位置，所以，本申请的磁性纳米线器件可以有效精确地控制磁性纳米线的宽度以及位置，实现了纳米线的限域与稳定。该磁性纳米线器件实现了磁电耦合效应，为研究新型多级存储器件提供了载体。
本申请中的铁磁电极层的材料可以选择现有技术中任何的铁磁材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成铁磁电极层。
本申请的一种实施例中，上述铁磁电极层的材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种。这些材料更易获取，且其铁磁性较好，能够进一步保证磁性纳米线的良好构筑。
为了进一步保证良好的导电性能，本申请中的非磁性电极层的材料选自Pt与Ti中的一种或多种。
但是，本申请的非磁性电极层的材料并不限于上述的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择现有技术中合适的材料形成非磁性电极层。
本领域技术人员可以根据实际情况设置合适的铁磁电极层的厚度以及非磁性电极层的厚度。本申请的另一种实施例中，上述铁磁电极层的厚度为30～50nm，这样可以更好地保证磁性纳米线器件具有较合适的击穿电压以及形成性能较好的磁性纳米线。
为了进一步保证形成较好的磁性纳米线，本申请中的非磁性电极层的厚度为30～50nm。
本申请中的绝缘层的材料可以是现有技术中任何的绝缘材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的绝缘材料形成绝缘层。
为了进一步保证绝缘层具有良好的绝缘性能，本申请的一种实施例中，绝缘层的材料选自TiO2、TaO5、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种。
并且，绝缘层的厚度过大，使得离子不容易扩散，需要较大的驱动电压，绝缘层的厚度过小，则太容易被击穿，为了进一步保证磁性纳米线器件具有合适的击穿电压与合适的驱动电压，本申请中的绝缘层的厚度为10～30nm。但是本申请中的绝缘层的厚度并不限于上述的范围，本领域技术人员可以根据实际情况设置合适的绝缘层的厚度。
本申请中的原子阻挡的材料可以选择现有技术中任何能够阻挡原子通过的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成原子阻挡层。
本申请的再一种实施例中，上述原子阻挡层的材料选自石墨烯、二硫化钼与五碲化锆的一种或多种。
为了进一步保证原子阻挡层对原子具有良好的阻挡作用，且使得原子阻挡层与其上下的接触层具有良好的附着性，本申请的一种实施例中，上述原子阻挡层的材料为石墨烯。
为了进一步保证原子阻挡层能够较好地发挥作用且不影响磁性纳米器件的其他性能，本申请的一种实施例中，上述原子阻挡层包括N个单原子层，其中，N为整数，且1≤N≤3。当然，本申请的原子阻挡层的厚度并不限于上述的厚度范围，本领域技术人员可以根据实际情况设置合适厚度的原子阻挡层。
为了更好地控制磁性纳米线的宽度，本申请的一种实施例中，上述纳米通孔的直径在20～50nm之间。
并且，本申请中的原子阻挡层中纳米通孔的位置可以根据实际情况来设置，该位置的设定可以控制磁性纳米线的位置。本申请的一种实施例中，如图1与图2所示，上述纳米通孔在与原子阻挡层接触的铁磁电极层表面上的投影位于该表面的中心区域，该中心区域包括该表面的几何中心。
本申请的又一种实施例中，如图2所示，上述磁性纳米线器件还包括种子层2，种子层2设置在上述衬底1与上述第一电极层3之间。种子层的设置可以使得衬底与第一电极层之间的附着性更好，进一步保证了器件的牢固性与可靠性。
为了进一步提高衬底与第一电极层之间的附着性，本申请的一种实施例中，上述种子层的材料选自Ti和/或Cr。
当然，种子层的材料并不限于上述的材料，本领域技术人员还可以根据实际情况选择其他的材料形成种子层。
为了进一步保证衬底与第一电极层之间的附着性，本申请的一种实施例中，上述种子层的厚度在5～10nm之间。
本申请中的衬底为平整、洁净的绝缘衬底，其材料可以根据实际情况选择，本申请的一种实施例中，上述衬底的材料选自SiO2、Si3N4与Al2O3中的一种或多种。
本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种磁性纳米线器件的制作方法，该制作方法包括：在衬底上依次叠置设置第一电极层、绝缘层、原子阻挡层和第二电极层，形成图1或图2所示的结构，且上述第一电极层为非磁性电极层，上述第二电极层为铁磁电极层，或者，在衬底上依次叠置设置第一电极层、原子阻挡层、绝缘层和第二电极层形成图3所示的结构，且上述第一电极层为铁磁电极层，上述第二电极层为非磁性电极层。也就是说，上述第一电极层与上述第二电极层中的一个电极层为铁磁电极层，另一个电极层为非磁性电极层，上述磁性纳米线器件还包括设置在上述铁磁电极层与上述绝缘层之间的原子阻挡层。其中，上述原子阻挡层包括纳米通孔。
上述的制作方法工艺较简单，大大简化了磁性纳米线器件的制作工艺，降低了制作成本，提高了工艺稳定性与制备效率，非常有利于本申请中的磁性纳米线器件的广泛推广和应用。
并且，该方法制备得到的磁性纳米线器件由于具有包括纳米通孔的原子阻挡层，可以对磁性纳米线的宽度以及位置进行有效精确的控制，进而实现了纳米线的限域与稳定。
本申请中的各个结构层的制作方式可以采用现有技术中的任何工艺，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的工艺制作各个结构层，例如可以选择沉积工艺，具体可以选择沉积工艺中的任何一种合适的工艺。
本申请中的原子阻挡层可以通过直接转移的方式设置，即事先通过氧等离子体刻蚀形成包括一个纳米孔的原子阻挡层，然后将该原子阻挡层设置在第一电极层或者绝缘层的表面上。本申请的原子阻挡层还可以通过先将原子阻挡层设置在第一电极层或者绝缘层的表面上，然后，在通过氧等离子体刻蚀形成包括一个纳米孔的原子阻挡层。
本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的形成包括一个纳米孔的原子阻挡层。
本申请的一种实施例中，采用磁控溅射法、离子束溅射法或电子束蒸发法设置上述第一电极层和/或上述第二电极层。
上述的第一电极层与上述第二电极层可以采用相同的工艺形成，也可以采用不同的工艺形成，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的工艺形成第一电极层与第二电极层，并且，并不限于上述的三种工艺。
同样地，为了形成性能更好的绝缘层，采用原子层沉积法、磁控溅射法或离子束溅射法设置上述绝缘层。
当然，本领域技术人员也可以根据实际情况选择其他的合适的工艺，并不限于上述的三种工艺形成绝缘层。
本申请中的铁磁电极层的材料可以选择现有技术中任何的铁磁材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成铁磁电极层。
本申请的一种实施例中，上述铁磁电极层的材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种。这些材料更易获取，且其铁磁性较好，能够进一步保证磁性纳米线的良好构筑。
为了进一步保证良好的导电性能，本申请中的非磁性电极层的材料选自Pt与Ti中的一种或多种。
但是，本申请的非磁性电极层的材料并不限于上述的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择现有技术中合适的材料形成非磁性电极层。
本领域技术人员可以根据实际情况设置合适的铁磁电极层的厚度以及非磁性电极层的厚度。本申请的另一种实施例中，上述铁磁电极层的厚度为30～50nm，这样可以更好地保证磁性纳米线器件具有较合适的击穿电压以及形成性能较好的磁性纳米线。
为了进一步保证形成性能较好的磁性纳米线，本申请中的非磁性电极层的厚度为30～50nm。
本申请中的绝缘层的材料可以是现有技术中任何的绝缘材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的绝缘材料形成绝缘层。
为了进一步保证绝缘层具有良好的绝缘性能，本申请的一种实施例中，绝缘层4的材料选自TiO2、TaO5、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种。
并且，为了进一步保证磁性纳米线器件具有合适的击穿电压与合适的驱动电压，本申请中的绝缘层4的厚度为10～30nm。但是本申请中的绝缘层的厚度并不限于上述的范围，本领域技术人员可以根据实际情况设置合适的绝缘层的厚度。
本申请中的原子阻挡的材料可以选择现有技术中任何能够阻挡原子通过的材料，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的材料形成原子阻挡层。
本申请的再一种实施例中，上述原子阻挡层的材料选自石墨烯、二硫化钼与五碲化锆一种或多种。
为了进一步保证原子阻挡层对原子具有良好的阻挡作用，且使得原子阻挡层与其上下的接触层具有良好的附着性，本申请的一种实施例中，上述原子阻挡层的材料为石墨烯。
能够较好地发挥作用且不影响磁性纳米器件的其他性能，本申请的一种实施例中，上述原子阻挡层包括N个单原子层，其中，N为整数，且1≤N≤3。上述单原子层是指该原子层的厚度方向上仅包括一个原子的原子层，当然，本申请的原子阻挡层的厚度并不限于上述的厚度范围，本领域技术人员可以根据实际情况设置合适厚度的原子阻挡层。
为了更好地控制磁性纳米线的宽度，本申请的一种实施例中，上述纳米通孔的直径在20～50nm之间。
并且，本申请中的原子阻挡层中纳米通孔的位置可以根据实际情况来设置，该位置的设定可以控制磁性纳米线的位置。本申请的一种实施例中，如图1与图2所示，上述纳米通孔50在与原子阻挡层5接触的铁磁电极层(这两个图中均是第二电极层6)表面上的投影位于该表面的中心区域，该中心区域包括该表面的几何中心。
本申请的又一种实施例中，如图2所示，上述磁性纳米线器件的制作方法还包括：在上述衬底上设置种子层，形成图2所示的结构，上述第一电极层3设置在上述种子层2的远离上述衬底1的表面上。种子层的设置可以使得衬底与第一电极层之间的附着性更好，进一步保证了器件的牢固性与可靠性。
为了进一步提高衬底与第一电极层之间的附着性，本申请的一种实施例中，上述种子层的材料选自Ti和/或Cr。
当然，种子层的材料并不限于上述的材料，本领域技术人员还可以根据实际情况选择其他的材料形成种子层。
为了进一步保证衬底与第一电极层之间的附着性，本申请的一种实施例中，上述种子层的厚度在5～10nm之间。
本申请中的种子层的设置可以采用现有技术中的任何一种可行的工艺形成，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的工艺方法形成种子层。
本申请中的一种实施例中，采用磁控溅射法、离子束溅射法或电子束蒸发法设置上述种子层，这样可以保证种子层具有更好的粘附性。
本申请中的衬底为平整、洁净的绝缘衬底，其材料可以根据实际情况选择，本申请的一种实施例中，上述衬底的材料选自SiO2、Si3N4与Al2O3中的一种或多种。
本申请的又一种典型的实施方式中，提供了一种磁性纳米线的构筑方法，该构筑方法包括：步骤S1，向任一种上述的磁性纳米线器件的铁磁电极层和/或上述磁性纳米线器件的非磁性电极层上施加电压，使上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间具有正电势差，进而在上述磁性纳米线器件中形成图4所示的磁性纳米线。
上述的构筑方法中，通过向上述磁性纳米线器件的铁磁电极层和/或上述磁性纳米线器件的非磁性电极层上施加扫描电压，使得铁磁电极层的电势高于非磁性电极层，铁磁电极层中的铁磁原子01被氧化为离子，这些离子通过纳米通孔扩散到非磁性电极层，被还原为原子01，然后原子01沉积在非磁性电极层上，随着扫描电压的不断增大，原子01不断地转化为离子、被还原为原子01与沉积，直到沉积到铁磁电极层的下表面，形成了如图4所示的磁性纳米线，并且由于原子阻挡层设置在绝缘层与铁磁电极层之间，当原子堆积到原子阻挡层时，只能通过纳米通孔，不能在除了纳米通孔之外的其他位置堆积，所以，使得形成的磁性纳米线的宽度以及位置得到了有效精确的控制，实现了磁性纳米线的限域与稳定。
本申请中的施加扫描电压的方式方法可以根据实际情况选择，只要使得上述铁磁电极层的电势高于上述非磁性电极层的电势即可。
为了简化施加电压的方式，本申请中的一种实施例中，在上述步骤S1中，向上述铁磁电极层施加正扫描电压，使上述非磁性电极层接地。
本申请的另一种实施例中，上述步骤S1中的正扫描电压为随着时间等间隔增加、到达预定值后又等间隔减小的电压。
为了构筑磁性量子线，使得磁性纳米线器件的存储速度更快，能耗更低，本申请的一种实施例中，上述铁磁电极层的材料的原子为铁磁原子，上述构筑方法还包括：步骤S2，逐渐减小上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间的正电势差，使得上述磁性纳米线的宽度逐渐减小，直到上述磁性纳米线的宽度等于一个铁磁原子的直径。
具体地，上述步骤S2中，可以采用任意一种可以逐渐减小上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间的正电势差的方式，本领域技术人员可以根据实际情况选择合适的方式。
本申请的一种实施例中，上述步骤S2中，采用向上述铁磁电极层施加负扫描电压，使上述非磁性电极层接地，逐渐增大的负电压使得上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间的正电势差逐渐减小，直到上述磁性纳米线的最小宽度等于一个铁磁原子的直径，进而构筑出磁性量子线。
本申请的再一种实施例中，上述步骤S2中的负扫描电压的扫描方式为逼近式电压扫描，该扫描方式首先施加预定值较大的负扫描电压，然后，再固定一个小的步长，慢慢增加预定值，逐渐逼近器件电阻跳跃点对应的电压，直到器件的电阻突变(变大)，形成具有原子接触的磁性纳米线停止加载电压的一种方式。
例如，比如说在-2V时，磁性纳米线断裂，那么，首先从0开始先增加到-1.8V，也就是说该扫描电压的预定值为-1.8V；然后，设定预定值增加的步长为-0.02V，即第二次扫描电压的预定值为-1.82V(在第二次扫描之前，电压增大到-1.8V后，又递减到0)，电压从0逐渐增大到-1.82V，逐渐增大扫描电压的预定值，使得上述磁性纳米线的宽度逐渐减小，让磁性纳米线中间连接的部分只剩下一列原子。预定值每增加一次都需要对器件进行电压由小到大的重新扫描，且重新扫描后又递减为0。
为了使得本领域技术人员可以更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例来说明本申请的技术方案。
实施例
磁性纳米线的构筑过程具体如下：
首先，形成磁性纳米线器件。
利用电子束蒸发在绝缘衬底SiO2上淀积一层Ti金属薄膜，厚度为10nm，形成种子层；然后，利用电子束蒸发在Ti金属薄膜上淀积一层Pt电极层，厚度在30nm，形成第一电极层；利用磁控溅射法在Pt电极层上淀积一层20nm厚的HfO2的绝缘层；接着在HfO2的绝缘层上转移带有纳米孔的单层石墨烯作为原子阻挡层；再利用电子束蒸发在原子阻挡层上淀积50nm的Fe作为第二电极层，形成磁性纳米线器件。
其次，形成磁性纳米线
向铁磁电极层施加等间隔增大的正扫描电压，非磁性电极层接地，形成图4所示的磁性纳米线，该正扫描电压的最大值为V1。
最后，形成磁性量子线。
向铁磁电极层施加逼近式负扫描电压，非磁性电极层接地，当负电压逐渐增大时，绝缘层4中的磁性纳米线的逐渐变化过程可参见图4至图6，随着负压的不断增大，原子01转变为离子，并且，在电场的作用下逃离磁性纳米线，进而使得磁性纳米线变细，图5是施加负压V2时对应的器件的工作状态示意图。当负电压增大到一定值V3时，器件的I-V曲线中的电流突变，即电阻突然变大，磁性纳米线的最终停止在单原子接触的状态，电导为量子化。由此获得磁性量子线，如图6所示。
上述构筑方法构筑出磁性量子线，实现了磁性纳米线的限域与稳定，使得磁性纳米线器件的存储速度更快，能耗更低。
从以上的描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下技术效果：
1、本申请的磁性纳米线器件，当上述铁磁电极层与上述非磁性电极层之间具有正电势差时，铁磁电极层中的铁磁原子被氧化为离子，这些离子通过纳米通孔扩散到非磁性电极层，被还原为原子，然后原子沉积在非磁性电极层上，通过不断地堆积，直到铁磁电极层，形成了磁性纳米线，并且由于原子阻挡层设置在绝缘层与铁磁电极层之间，当原子堆积到原子阻挡层时，只能通过纳米通孔，不能在除了纳米通孔之外的其他位置堆积，并且，通过调整纳米孔的位置可以控制磁性纳米线的位置，所以，本申请的磁性纳米线器件可以有效精确地控制磁性纳米线的宽度以及位置，实现了纳米线的限域与稳定。该磁性纳米线器件实现了磁电耦合效应，为研究新型多级存储器件提供了载体。
2、本申请的制作方法工艺较简单，大大简化了磁性纳米线器件的制作工艺，降低了制作成本，提高了工艺稳定性与制备效率，非常有利于本申请中的磁性纳米线器件的广泛推广和应用。该方法制备得到的磁性纳米线器件由于具有包括纳米通孔的原子阻挡层，可以对磁性纳米线的宽度以及位置进行有效精确的控制，进而实现了纳米线的限域与稳定。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (31)
1.一种磁性纳米线器件，其特征在于，所述磁性纳米线器件包括依次叠置设置的衬底(1)、第一电极层(3)、绝缘层(4)和第二电极层(6)，其中，所述第一电极层(3)与所述第二电极层(6)中的一个电极层为铁磁电极层，另一个电极层为非磁性电极层，所述磁性纳米线器件还包括设置在所述铁磁电极层与所述绝缘层(4)之间的原子阻挡层(5)，所述原子阻挡层(5)包括纳米通孔(50)。
2.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述铁磁电极层的材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述铁磁电极层的厚度为30～50nm。
4.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述非磁性电极层的材料选自Pt与Ti中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述非磁性电极层的厚度为30～50nm。
6.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述绝缘层(4)的材料选自TiO2、TaO5、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述绝缘层(4)的厚度为10～30nm。
8.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述原子阻挡层(5)的材料选自石墨烯、二硫化钼与五碲化锆中的一种或多种，所述原子阻挡层包括N个单原子层，其中，N为整数，且1≤N≤3。
9.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述纳米通孔(50)的直径在20～50nm之间。
10.根据权利要求1所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述磁性纳米线器件还包括：
种子层(2)，设置在所述衬底(1)与所述第一电极层(3)之间。
11.根据权利要求10所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述种子层(2)的材料选自Ti和/或Cr。
12.根据权利要求10所述的磁性纳米线器件，其特征在于，所述种子层(2)的厚度在5～10nm之间。
13.一种磁性纳米线器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
在衬底上依次叠置设置第一电极层、绝缘层、原子阻挡层和第二电极层，且所述第一电极层为非磁性电极层，所述第二电极层为铁磁电极层，或者
在衬底上依次叠置设置第一电极层、原子阻挡层、绝缘层和第二电极层，且所述第一电极层为铁磁电极层，所述第二电极层为非磁性电极层，
其中，所述原子阻挡层包括纳米通孔。
14.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，采用磁控溅射法、离子束溅射法或电子束蒸发法设置所述第一电极层和/或所述第二电极层。
15.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，采用原子层沉积法、磁控溅射法或离子束溅射法设置所述绝缘层。
16.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述铁磁电极层的材料选自Fe、Co与Ni中的一种或多种。
17.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述铁磁电极层的厚度为30～50nm。
18.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述非磁性电极层的材料选自Pt与Ti中的一种或多种。
19.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述非磁性电极层的厚度为30～50nm。
20.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述绝缘层的材料选自TiO2、TaO5、HfO2、NiO与ZrO2中的一种或多种。
21.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度为10～30nm。
22.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述阻挡层的材料选自石墨烯、二硫化钼与五碲化锆中的一种或多种。
23.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，所述纳米通孔的直径在20～50nm之间。
24.根据权利要求13所述的制作方法，其特征在于，在设置所述第一电极层之前，所述制作方法还包括：
在所述衬底上设置种子层，所述第一电极层设置在所述种子层的远离所述衬底的表面上。
25.根据权利要求24所述的制作方法，其特征在于，采用磁控溅射法、离子束溅射法或电子束蒸发法设置所述种子层。
26.根据权利要求24所述的制作方法，其特征在于，所述种子层的材料选自Ti和/或Cr。
27.根据权利要求24所述的制作方法，其特征在于，所述种子层的厚度在5～10nm之间。
28.一种磁性纳米线的构筑方法，其特征在于，所述构筑方法包括：
步骤S1，向权利要求1至12中任一项所述的磁性纳米线器件的铁磁电极层和/或所述磁性纳米线器件的非磁性电极层上施加电压，使所述铁磁电极层与所述非磁性电极层之间具有正电势差，进而在所述磁性纳米线器件中形成磁性纳米线。
29.根据权利要求28所述的构筑方法，其特征在于，在所述步骤S1中，向所述铁磁电极层施加正扫描电压，使所述非磁性电极层接地。
30.根据权利要求28所述的构筑方法，其特征在于，所述铁磁电极层的材料的原子为铁磁原子，所述构筑方法还包括：
步骤S2，逐渐减小所述铁磁电极层与所述非磁性电极层之间的正电势差，使得所述磁性纳米线的宽度逐渐减小，直到所述磁性纳米线的最小宽度等于一个所述铁磁原子的直径。
31.根据权利要求30所述的构筑方法，其特征在于，在所述步骤S2中，向所述铁磁电极层施加负扫描电压，使所述非磁性电极层接地，且所述步骤S2中的负扫描电压的扫描方式为逼近式负电压扫描。
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