CN109873075A

CN109873075A - 磁电耦合器件

Info

Publication number: CN109873075A
Application number: CN201711271098.4A
Authority: CN
Inventors: 于浦; 李好博; 鲁年鹏; 马静; 南策文
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2017-12-05
Filing date: 2017-12-05
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2037-12-05
Also published as: CN109873075B

Abstract

本发明涉及一种磁电耦合器件，包括：导电基底、过渡金属氧化物层和磁性金属层。所述过渡金属氧化物层设置于所述导电基底的表面。所述过渡金属氧化物层为SrCoO_2.5和HSrCoO_2.5组成的混合物，其中所述SrCoO_2.5所占的比例为0％‑100％。所述磁性金属层设置于所述过渡金属氧化物层的表面，所述过渡金属氧化物层设置于所述导电基底与所述磁性金属层之间。所述磁电耦合器件通过氢离子和/或氧离子的迁移实现所述磁电耦合器件磁性的调控。本申请中提供的所述磁电耦合器件能够实现低功耗、响应快、室温可调的磁电耦合效应。所述磁电耦合器件能够极大的降低器件成本、提高集成度，促进离子调控的磁电耦合器件向应用领域迈进。

Description

磁电耦合器件

技术领域

本发明涉及材料领域，特别是涉及一种磁电耦合器件。

背景技术

磁和电是物质的两种基本性质。近十几年来，研究者一直在努力探索具有磁性与电性共存耦合的材料体系，即在材料中实现磁控电、电控磁。具有磁性与电性共存耦合的材料体可以有效调控自身的电荷及自旋两个自由度，因此具有磁电耦合的材料在半导体、存储、传感器等领域有着重要作用，将会极大地促进当代电子信息产业的发展。

单相多铁材料是具有磁电耦合性质的典型材料，然而单相多铁材料的在室温下的磁电耦合强度较弱，无法符合当前器件制造的要求。因此人们广泛探索了多种材料结合的复合体系，致力于在室温实现有效的磁电耦合效应。在多年的研究中已经在几种复合材料结构中实现了磁电耦合，其调控的机制包括应力调制、电荷调制等等。

近年来，人们又发现了基于氧离子氧化还原反应的新型磁电耦合机制。基于氧离子氧化还原反应的新型磁电耦合机制以磁性金属与高氧离子迁移的氧化物形成的异质界面为基础，通过外加电场向磁性金属层中注入(抽取)氧离子，进而对磁性金属颗粒之间的铁磁交换作用产生影响，最终实现以氧离子为媒介的磁电耦合。基于氧离子氧化还原反应的新型磁电耦合机制的优势是结构简单(金属-绝缘体接触)，尺寸极小(<10nm)，调控有效(0.73erg＝cm²)，与现有的半导体技术可以良好兼容。但同时基于氧离子氧化还原反应的新型磁电耦合机制也面临着两个主要的问题：首先，氧离子在金属内部的注入或抽取需要升温至100℃以保证其扩散速率；其次，氧离子的注入与抽取需要施加几十甚至上百秒的持续电场。因此，基于氧离子氧化还原反应的新型磁电耦合机制在室温操作、功耗、响应速度等多个角度都无法很好的参与到实际应用中。

发明内容

基于此，有必要针对基于氧离子氧化还原反应的新型磁电耦合机制在室温操作、功耗、响应速度等多个角度都无法很好的参与到实际应用中的问题，提供一种基于氢离子或氧离子扩散输运的磁电耦合器件。

一种磁电耦合器件，包括：导电基底；

过渡金属氧化物层，设置于所述导电基底的表面，所述过渡金属氧化物层为SrCoO_2.5和SrCoO_2.5H组成的混合物，其中所述SrCoO_2.5所占的比例为0％-100％；

磁性金属层，设置于所述过渡金属氧化物层的表面，所述过渡金属氧化物层设置于所述导电基底与所述磁性金属层之间。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层中所述SrCoO_2.5所占比例为100％，所述SrCoO_2.5H所占比例为0，所述过渡金属氧化物层和所述磁性金属层的接触界面氧离子浓度的变化通过所述SrCoO_2.5中氧离子的迁移实现，以调控所述磁性金属层的磁性。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层中所述SrCoO_2.5所占比例为0，所述SrCoO_2.5H所占比例为100％，所述过渡金属氧化物层和所述磁性金属层的接触界面氢离子浓度的变化通过所述SrCoO_2.5H中氢离子的迁移实现，以调控所述磁性金属层的磁性。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层的厚度为20纳米-100纳米。

在一个实施例中，所述磁性金属层的厚度为2纳米-6纳米。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层和所述磁性金属层的厚度比例为10:1。

在一个实施例中，所述的磁电耦合器件还包括：

第一电极，与所述导电基底电连接；

第二电极，与所述磁性金属层电连接；

通过所述第一电极和所述第二电极分别向所述导电基底和所述磁性金属层施加电场，所述过渡金属氧化物层和所述磁性金属层界面处的氢离子或氧离子浓度发生变化。

在一个实施例中，所述磁性金属层为图案化金属层，所述第二电极设置于所述磁性金属层远离所述过渡金属氧化物层的表面。

在一个实施例中，所述第二电极为直径20微米-200微米间隔设置的多个圆形电极。

在一个实施例中，所述第一电极为条状电极，所述第一电极和所述过渡金属氧化物层平行间隔设置于所述导电基底靠近所述磁性金属层的表面。

本申请中提供的磁电耦合器件，包括：导电基底、过渡金属氧化物层和磁性金属层。所述过渡金属氧化物层设置于所述导电基底的表面。所述过渡金属氧化物层为SrCoO_2.5和SrCoO_2.5H组成的混合物，其中所述SrCoO_2.5所占的比例为0％-100％。所述磁性金属层设置于所述过渡金属氧化物层的表面，所述过渡金属氧化物层设置于所述导电基底与所述磁性金属层之间。所述磁电耦合器件通过氢离子和/或氧离子的迁移实现所述磁电耦合器件磁性的调控。本申请中提供的所述磁电耦合器件能够实现低功耗、响应快、室温可调的磁电耦合效应。所述磁电耦合器件能够极大的降低器件成本、提高集成度，促进离子调控的磁电耦合器件向应用领域迈进。

附图说明

图1为一个实施例中，所述磁电耦合器件的部分结构的剖面示意图；

图2a为一个实施例中，所述磁电耦合器件的结构的剖面示意图；

图2b为另一个实施例中，所述磁电耦合器件的结构的剖面示意图；

图2c为再一个实施例中，所述磁电耦合器件的结构的剖面示意图；

图3为再一个实施例中，所述磁电耦合器件的结构示意图；

图4a为一个实施例中，所述磁电耦合器件中间产物的XRD结构示意图；

图4b为一个实施例中，所述磁电耦合器件中间产物的44°—48°的XRD结构示意图；

图5为一个实施例中，所述磁电耦合器件的表面形貌图；

图6为一个实施例中，所述磁电耦合器件的电流-电压曲线；

图7a为一个实施例中，所述磁电耦合器件在脉冲激励下的阻变特性曲线；

图7b为一个实施例中，所述磁电耦合器件在不同时间中电阻和电压的变化曲线；

图8为一个实施例中，所述磁电耦合器件的电流和电压的特征曲线；

图9a为一个实施例中，所述磁电耦合器件在多次脉冲作用下的阻变响应曲线；

图9b为一个实施例中，所述磁电耦合器件在不同脉冲宽度下阻变响应曲线；

图10a为一个实施例中，所述磁电耦合器件磁场强度和磁化强度/饱和磁化强度的关系曲线；

图10b为一个实施例中，所述磁电耦合器件的矫顽场随阻态切换的多次循环曲线；

图11a为一个实施例中，所述磁电耦合器件界面氧离子迁移示意图；

图11b为一个实施例中，所述磁电耦合器件氧离子为媒介的磁电耦合调控示意图；

图12a为一个实施例中，所述磁电耦合器件界面离子浓度不同时阻态与磁性的多态调控示意图；

图12b为一个实施例中，所述磁电耦合器件的磁电耦合效率与电阻和矫顽场的关系曲线。

附图标号说明：

导电基底 110

过渡金属氧化物层 120

磁性金属层 130

第一电极 140

第二电极 150

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明的磁电耦合器件进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，提供一种磁电耦合器件。所述磁电耦合器件，包括：导电基底110、过渡金属氧化物层120和磁性金属层130。过渡金属氧化物层120设置于所述导电基底110的表面，所述过渡金属氧化物层120为SrCoO_2.5和SrCoO_2.5H组成的混合物，其中所述SrCoO_2.5所占的比例为0％-100％。所述磁性金属层130，设置于所述过渡金属氧化物层120的表面。所述过渡金属氧化物层120设置于所述导电基底110与所述磁性金属层130之间。

具体的，所述导电基底110可以为导电钛酸锶、钌酸锶等。所述过渡金属氧化物层120为SrCoO_2.5和SrCoO_2.5H组成的混合物，其中SrCoO_2.5的含量为0-1。所述过渡金属氧化物层120为SrCoO_2.5通过离子液体加电场，臭氧退火，氢气氛围下Pt催化反应等方式控制所述过渡金属氧化物层SrCoO_2.5发生相变，调控所述过渡金属氧化物层120中的氧离子或者生成新产物SrCoO_2.5H。所述过渡金属氧化物层120还可以为SrCoO_2.5、SrCoO_2.5H和SrCoO_3-δ组成的混合物。

所述磁性金属层130可以设置不同的厚度。所述磁性金属层130可以包括磁性金属单质和/或磁性金属氧化物。将氢离子/氧离子注入至磁性金属层或磁性金属氧化物内部，调节所述磁性金属层130的磁性。

本实施例中提供的磁电耦合器件，包括：导电基底110、过渡金属氧化物层120和磁性金属层130。所述过渡金属氧化物层120设置于所述导电基底110的表面。所述过渡金属氧化物层120为SrCoO_2.5和SrCoO_2.5H组成的混合物，其中所述SrCoO_2.5所占的比例为0％-100％。所述磁性金属层130设置于所述过渡金属氧化物层120的表面，所述过渡金属氧化物层120设置于所述导电基底110与所述磁性金属层130之间。所述磁电耦合器件通过氢离子和/或氧离子的迁移实现所述磁电耦合器件磁性的调控。所述磁电耦合器件可以在室温下实现对所述SrCoO_2.5或者所述SrCoO_2.5H的调控。将SrCoO_2.5或者SrCoO_2.5H与所述磁性金属层130中的磁性金属相结合，以SrCoO_2.5的氧离子扩散输运与SrCoO_2.5H的氢离子输运为媒介，形成对磁性金属的磁电耦合调控。本申请中提供的所述磁电耦合器件能够实现低功耗、响应快、室温可调的磁电耦合效应。所述磁电耦合器件能够极大的降低器件成本、提高集成度，促进离子调控的磁电耦合器件向应用领域迈进。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层120为SrCoO_2.5、SrCoO_2.5H和SrCoO_3-δ组成的混合物。SrCoO_2.5、SrCoO_3-δ和HSrCoO_2.5三者之间可以实现相转换。SrCoO_2.5具有较高的氧离子迁移率，SrCoO_2.5H具有较高的氢离子迁移率。将SrCoO_2.5或者SrCoO_2.5H与磁性金属相结合，以SrCoO_2.5的氧离子扩散输运与SrCoO_2.5H的氢离子输运为媒介，形成对磁性金属的磁电耦合调控。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层120中所述SrCoO_2.5所占比例为100％，通过所述SrCoO_2.5中氧离子的迁移实现所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130的接触界面氧离子浓度的变化，调控所述磁性金属层130的磁性。所述SrCoO_2.5具有较高的氧离子迁移率，通过施加外加电场，对所述SrCoO_2.5内部的氧离子迁移进行调控，从而调节磁性金属层与SrCoO_2.5界面处的氧离子浓度，最终调制磁性金属层的磁性质。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层120中所述SrCoO_2.5所占比例为0％，所述SrCoO_2.5H所占比例为100％，通过所述SrCoO_2.5H中氢离子的迁移实现所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130的接触界面氢离子浓度的变化，调控所述磁性金属层130的磁性。所述HSrCoO_2.5具有较高的氢离子的迁移能力，因此可以通过外加电场，对其内部的氢离子迁移进行调控，并可以将氢离子注入至磁性金属层或磁性金属氧化物内部，最终对其磁性质产生影响。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层120的厚度为20纳米-100纳米。在形成所述磁电耦合器件的过程中应该根据具体的需求设置不同的所述过渡金属氧化物层120的厚度。在一个实施例中，设置所述过渡金属氧化物层120的厚度为50纳米。

在一个实施例中，所述磁性金属层130的厚度为2纳米-6纳米。所述磁性金属层130可以接收由所述过渡金属氧化物层120注入的氢离子/氧离子。将氢离子/氧离子注入磁性金属层或磁性金属氧化物内部，调节所述磁性金属层130的磁性。在一个实施例中，设置所述磁性金属层130的厚度为4纳米。

在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130的厚度比例为10:1。具体的，可以设置所述磁性金属层130的厚度为5纳米。设置所述过渡金属氧化物120的厚度为50纳米。氢离子/氧离子的离子迁移可能发生在所述过渡金属氧化物层120的表面5纳米附近。

请参阅图2a、图2b和图2c，图2a-图2c提供的所述磁电耦合器件的结构示意图。在一个实施例中，所述的磁电耦合器件还包括：第一电极140和第二电极150。所述第一电极140与所述导电基底110电连接。所述第二电极150与所述磁性金属层130电连接。当向所述第一电极140和所述第二电极150施加电场时，所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130界面处的氢离子或氧离子浓度发生变化。

所述磁电耦合器件在外加电场作用下会使得所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130的界面处的氢离子浓度或氧离子浓度发生变化。在施加电场的过程中，可以采用透射电镜对所述磁电耦合器件的表面进行测试。在高阻态(HRS)时，所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130的界面处可能出现富氧的无序区域(Disordered layer)。在富氧的无序区域中，所述过渡金属氧化物层120结构周期可能被破坏。同时可以通过电子能量损失谱(EELS)对所述磁电耦合材料进行测试。电子能量损失谱的测试结果证明在该富氧的无序区域中磁性金属离子的价态升高，说明氧离子在电场驱动下富集在界面处，但并未进入所述磁性金属层130。

类似的，在反向电压形成的低阻态(LRS)时，无序区域开始减少，并出现了导电通道(Filament)。其中在导电通道中的所述磁性金属层130中的磁性金属离子价态降低，说明在反向电场的驱动下，氧离子逐渐远离界面。以上就是所述磁电耦合器件发生的电场驱动磁性发生改变的全过程。

在一个实施例中，所述磁性金属层130呈图案化设置于所述过渡金属氧化物层120的表面，所述第二电极150重叠设置于所述磁性金属层130的表面。

具体的，图案化设置可以理解为所述磁性金属层130能够设置为不同的图案。比如，所述磁性金属层130可以设置为间隔的、呈规则形状排列的阵列。规则形状可以是圆形、方形、矩形、三角形等。所述第二电极150重叠设置于所述磁性金属层130的表面。在一个实施例中，所述第二电极150的电极形状与所述磁性金属层130的形状相同。

在一个实施例中，所述第二电极150为直径20微米-200微米间隔设置的多个圆形电极。具体的所述第二电极150的直径可以设置为50微米，每两个相邻的所述第二电极150之间的间隔可以设置为20微米。

本实施例中所述第一电极140为条状电极，所述第一电极140和所述过渡金属氧化物层120平行间隔设置于所述导电基底110靠近所述磁性金属层130的表面所述第一电极140为条状电极，所述第一电极140和所述过渡金属氧化物层120平行间隔设置于所述导电基底110靠近所述磁性金属层130的表面，所述第二电极150设置为圆形，并且相邻的所述第二电极150之间间隔设置，使得所述磁电耦合器件的结构更加简单，工业应用价值更高。同时还可以节省资源，提高利用率。

在一个实施例中，所述第一电极140为条状电极，所述第一电极140和所述过渡金属氧化物层120平行间隔设置于远离所述导电基底110的表面。

具体的，所述第一电极140设置的位置和形状并不做具体的限定。所述第一电极140和所述导电基底110能够实现电连接即可。在一个实施例中，所述过渡金属氧化物层120和所述第一电极140可以设置于同一个表面。所述过渡金属氧化物层120和所述第一电极140并列间隔设置。所述第一电极140可以设置为具有一定宽度的条状电极。

在一个实施例中，所述第一电极140和所述第二电极150的材料可以为金、银、铜、钯、铂中的一种。

在一个实施例中，所述磁性金属层130的材料可以为铁、钴、镍中的一种或多种混合。

在一个实施例中，提供一种磁电耦合器件的制备方法，所述制备方法包括：

在所述导电基底110的表面分别沉积所述过渡金属氧化物层120和所述第一电极140，以形成第一中间产物，所述过渡金属氧化物层120与所述第一电极140间隔设置于所述导电基底110的表面。

在所述第一中间产物的所述过渡金属氧化物层120的表面沉积所述磁性金属层130，以形成第二中间产物，所述第二中间产物中所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130的表面完全接触。

在所述第二中间产物的所述磁性金属层130表面刻蚀所述第二电极150以形成所述磁电耦合器件。

在一个实施例中，所述在所述第二中间产物的所述磁性金属层130表面刻蚀所述第二电极150以形成所述磁电耦合器件的步骤中，包括：

采用掩膜及光刻的方法在所述磁性金属层130表面刻蚀直径为20微米-200微米、间隔设置的多个所述第二电极150。

本申请详细提供两种磁电耦合器件，所述磁电耦合器件分别为：Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构和Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构。另外，提供对所述磁电耦合器件性能的测试结果。

磁电耦合器件Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的制备：

采用脉冲激光沉积(PLD)的方法，所述导电基底110选用导电钛酸锶基底(Nb:SrTiO₃)，在Nb:SrTiO₃基底上制备所述过渡金属氧化物层120。在本实施例中，所述过渡金属氧化物层120为SrCoO_2.5(SCO)。并对所述SrCoO_2.5薄膜的结构、表面粗糙度、膜厚做了表征。在所述导电基底110的表面制备银胶，以银作为第一电极140，所述第一电极140作为底电极。在所述Nb:SrTiO₃基底上沉积所述过渡金属氧化物层120和所述第一电极140，以形成第一中间产物。

采用离子束溅射沉积(IBAD)在所述第一中间产物的所述过渡金属氧化物层120表面沉积所述磁性金属层130，以形成第二中间产物。在本实施例中，所述磁性金属层130为钴Co金属单质。所述第二中间产物中所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130的表面完全接触。

采用微加工技术在所述磁性金属层130的表面制备所述第二电极150。所述第二电极150作为顶电极。具体的，可以设置所述第二电极150形成一定的图形(如圆形电极，霍尔电极等)。然后以所述第一电极140和所述第二电极150电连接进行各种电学性能的表征。由于所述过渡金属氧化物层120与所述磁性金属层130的耦合仅仅发生在两者的接触界面处。因此所述磁性金属层130的厚度应该可以控制，以得到较高质量的界面结构，突出界面效应。可以采用离子束溅射沉积具有较低的生长速率(约0.5nm/min)，所以可以很好的控制薄膜厚度，同时形成较为致密的磁性薄膜。

具体的，微加工技术(主要使用光刻技术，lithography)。光刻技术是指在光照作用下，借助光致抗蚀剂(又名光刻胶)将掩膜版上的图形转移到基片上的微加工技术。光刻技术的原理为：紫外光通过掩膜版照射到附有一层光刻胶薄膜的基片表面，引起曝光区域的光刻胶发生化学反应。再通过显影技术溶解去除曝光区域或未曝光区域的光刻胶(前者称正性光刻胶，后者称负性光刻胶)，使掩膜版上的图形被复制到光刻胶薄膜上。最后利用刻蚀技术将图形转移到基片上。过程中工艺包括：表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序。具体的，可以采用光刻技术图案化设置所述磁性金属层130，和所述第二电极150。

请参阅图3，图3为一个实施例中所述磁电耦合器件的结构示意图。所述导电基底110为Nb:SrTiO₃。所述过渡金属氧化物层120为SrCoO_2.5。所述磁性金属层130为Co。所述第一电极140为银电极，所述第二电极150为金电极。请参阅图4a，为所述Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃磁电耦合器件制备过程中SrCoO_2.5薄膜的XRD结构示意图。图4a中表明所述SrCoO_2.5薄膜具有着良好的单晶性，衍射峰附近的周期性震荡说明薄膜的平整度良好。图4b为所述SrCoO_2.5薄膜的(008)的衍射峰，可以看出峰值的强度很高，说明结晶效果很好。在过渡金属氧化物层120的外延生长过程中，由于需要以该层作为基底继续生长磁性金属，所以过渡金属氧化物层120薄膜是否纯净，其表面是否平整，将对器件的整体性能产生极大影响。请参阅图5，为所述SrCoO_2.5薄膜的表面形貌图。通过原子力显微镜对所述SrCoO_2.5薄膜进行检测，氧化物薄膜的粗糙度约为0.82nm，满足继续生长所述磁性金属氧化物层120的条件。

在制备完成所述Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构以后，利用SrCoO_2.5中较高的氧离子迁移能力，在室温下，可以通过外加电场调节Co/SrCoO_2.5界面处的氧离子浓度。Co/SrCoO_2.5界面处氧离子浓度的变化导致了电学上阻变开关的行为，并可以通过透射电镜图片直接观测到。同时，界面处氧离子浓度的变化，进而会影响磁性金属层的表面磁各向异性。从而实现了以氧离子为媒介的磁电耦合调控。

在一个实施例中，按照上述制备方法形成磁电耦合器件之后，通过离子液体加电场调控，臭氧退火，氢气氛围下Pt催化反应的方式控制所述过渡金属氧化物层SrCoO_2.5发生相变。使所述过渡金属氧化物层SrCoO_2.5相变为HSrCoO_2.5，以形成Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构的所述磁电耦合器件。

所述磁电耦合器件的性能测试：

请参阅图6，提供了磁电耦合器件Co/SrCoO_2.5/Nb-SrTiO₃的电学性质。如图6中电流-电压曲线所示，发现其中存在有明显的阻变开关现象，其开关比约为10²：1。正向电压可以使所述磁电耦合器件进入高阻态(HRS)，反向电压可以使器件进入低阻态(LRS)，呈现出典型的双极性(bipolar)阻变开关的特征，即阻态切换不仅与电压有关，也与外加电场的方向有关。本申请中的磁电耦合器件可以作为阻变式存储器。阻变式存储器是以非导性材料的电阻在外加电场作用下，在高阻态和低阻态之间实现可逆转换为基础的非易失性存储器。阻变特性是磁电耦合器件的一种特性/功能。阻变响应速度是评价磁电耦合器件的重要参数。

图7a和图7b表征了所述Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃器件在脉冲激励下的阻变特性。图7a为所述磁电耦合器件在脉冲激励下的阻变特性曲线。图7b为所述磁电耦合器件在不同时间中电阻和电压的变化曲线。图7a和图7b共同说明了所述Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构在脉冲激励下也有同样的阻变响应。同时器件具有一定的非易失性，高阻态和低阻态均可以在切换之后得到保持。此外，目前的最小脉冲宽度可以达到0.6ms。由于SrCoO_2.5中具有较高的氧离子迁移能力，因此所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的调控可以在室温下进行，无需辅助加热，并且可以确保翻转电压在±10V以内。

请参阅图8，提供了磁电耦合器件Co/HSrCoO_2.5/Nb-SrTiO₃电流和电压的特征曲线。所述Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构中，也发现了明显的阻变特征。首先，Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的电阻开关的极性与氧离子主导的相反，施加正电压使所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃进入低阻态。施加负电压使所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃进入高阻态。说明其中主导阻变的离子的极性可能与氧离子相反，可能是氢离子主导的阻变特性。其次，在HSrCoO_2.5中，氢离子的扩散势垒低于氧离子的扩散势垒，因此，氢离子主导的阻变调制的响应电压由原来的-10V，+8V，降低至-5V，+4V，极大的降低了所述磁电耦合器件的功耗。

请参阅图9a，提供了所述磁电耦合器件在多次脉冲作用下的阻变响应。在多次脉冲测量下，所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的阻变功能可以保持较高的重复性。请参阅图9b，提供了不同脉冲宽度下所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的阻变响应。如图9b所示，由于氢离子具有更低的迁移势垒，所以在同样的器件结构中，Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃与Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃相比，所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃有着更快的响应速度(0.5μs)。所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃比氧离子主导的阻变响应速度提高了3个数量级。因此，氢离子主导的阻变机制对于器件的功耗，响应速度，都有着较大幅度的提升。所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的响应速度更快，能达到0.5μs。

在实现阻变调制的基础上，请参阅图10，提供了所述磁电耦合器件Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的电场驱动的磁性调控。图10a为所述磁电耦合器件Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃磁场强度和磁化强度/饱和磁化强度的关系曲线。在高低阻态(HRS)之间所述磁性金属层130(Co层)的矫顽场以及剩余磁化强度均发生了明显的变化。图10a中表现出的现象和图7b中伴随着的电阻开关的行为一同出现，同时说明由氧离子主导的阻变效应也是磁性调控的主要媒介。图10b为所述磁电耦合器件的矫顽场随器件阻态切换的多次循环曲线，该数据说明样品器件具有较好的重复性，实现了室温下的磁电耦合。

所述磁电耦合器件Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃和所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的结构中，Au/Co/SrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃体系中实现了氧离子主导的阻变行为。Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃体系中实现了氢离子主导的阻变行为。其中，Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构同时具有磁电耦合行为，即在不同阻态下，可以对Co层的铁磁行为进行调制。所述调制过程可以在室温下进行，并且拥有较快的响应速度，约0.6ms。所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃实现了室温下，快速的磁电耦合响应。

在所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构中，发现了与氧离子主动的阻变行为极性相反的阻变的响应。Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃结构中阻变特征是由氢离子所主导的，由于氢离子在HSrCoO_2.5具有较低的扩散势垒。因此，Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃器件的响应速度提高了3个数量级(0.5μs)，同时翻转电压由-10V，+8V下降至-5V，+4V。因此，说明氢离子主导的磁电耦合器件可以极大的提高器件的工作速度以及功耗。

请参阅图11，图11a提供了所述磁电耦合器件Au/Co/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃的界面氧离子迁移示意图。图11b提供了氧离子为媒介的磁电耦合调控示意图。外加电场会使得Co/SrCoO_2.5界面处的氧离子浓度发生变化。如图11a中，高阻态(HRS)时，界面处出现了富氧的无序区域(Disordered layer)。在该区域中，SrCoO_2.5的钙铁石结构周期被破坏。类似的，在反向电压形成的低阻态(LRS)时，无序区域开始减少，并出现了导电通道(Filament)，其中在导电通道中的Co离子价态降低，说明在反向电场的驱动下，氧离子逐渐远离界面。图11b中表示出了氧离子为媒介的磁电耦合的调控示意图。图11b中分别示出了高阻态和低阻态时所述过渡金属氧化物层120和所述磁性金属层130的界面处发生的粒子交换过程。

请参阅图12，图12a提供了所述磁电耦合器件界面离子浓度不同时阻态与磁性的多态调控。图12b提供了所述磁电耦合器件的磁电耦合效率与电阻和矫顽场的关系曲线图12a可以看出，样品的磁电耦合调控效率，可以通过薄膜的厚度进行调控。经过拟合，发现调控效率随膜厚呈指数衰减，说明离子对磁性的调制为一种界面效应。同时，可以发现在具有相同开关比时，调控效率的衰减曲线一致。由于样品的开关比由界面处的离子浓度决定，因此通过限流的方式，人为构建不同的低阻态。如图12b所示，发现磁电耦合效率随着低阻态阻值的不同，可以实现多态存储的功能。

在一个实施例中，还可以设计所述磁电耦合器件的结构为Ni/NiO/HSrCoO_2.5/Nb:SrTiO₃。因为Ni/NiO之间可以存在交换偏置作用，而且NiO可以与氢离子发生作用，进而影响到Ni/NiO之间的交换偏置，从而实现磁电耦合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种磁电耦合器件，包括：

导电基底(110)；

过渡金属氧化物层(120)，设置于所述导电基底(110)的表面，所述过渡金属氧化物层(120)为SrCoO_2.5和SrCoO_2.5H组成的混合物，其中所述SrCoO_2.5所占的比例为0％-100％；

磁性金属层(130)，设置于所述过渡金属氧化物层(120)的表面，所述过渡金属氧化物层(120)设置于所述导电基底(110)与所述磁性金属层(130)之间。

2.如权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于，所述过渡金属氧化物层(120)中所述SrCoO_2.5所占比例为100％，所述SrCoO_2.5H所占比例为0，所述过渡金属氧化物层(120)和所述磁性金属层(130)的接触界面氧离子浓度的变化通过所述SrCoO_2.5中氧离子的迁移实现，以调控所述磁性金属层(130)的磁性。

3.如权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于，所述过渡金属氧化物层(120)中所述SrCoO_2.5所占比例为0，所述SrCoO_2.5H所占比例为100％，所述过渡金属氧化物层(120)和所述磁性金属层(130)的接触界面氢离子浓度的变化通过所述SrCoO_2.5H中氢离子的迁移实现，以调控所述磁性金属层(130)的磁性。

4.如权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于，所述过渡金属氧化物层(120)的厚度为20纳米-100纳米。

5.如权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于，所述磁性金属层(130)的厚度为2纳米-6纳米。

6.如权利要求1所述的磁电耦合器件，其特征在于，所述过渡金属氧化物层(120)和所述磁性金属层(130)的厚度比例为10:1。

7.如权利要求1至6中任一项所述的磁电耦合器件，其特征在于，还包括：

第一电极(140)，与所述导电基底(110)电连接；

第二电极(150)，与所述磁性金属层(130)电连接；

通过所述第一电极(140)和所述第二电极(150)分别向所述导电基底(110)和所述磁性金属层(130)施加电场，所述过渡金属氧化物层(120)和所述磁性金属层(130)界面处的氢离子或氧离子浓度发生变化。

8.如权利要求7所述的磁电耦合器件，其特征在于，所述磁性金属层(130)为图案化金属层，所述第二电极(150)设置于所述磁性金属层(130)远离所述过渡金属氧化物层(120)的表面。

9.如权利要求8所述的磁电耦合器件，其特征在于，所述第二电极(150)为直径20微米-200微米间隔设置的多个圆形电极。

10.如权利要求7所述的磁电耦合器件，其特征在于，所述第一电极(140)为条状电极，所述第一电极(140)和所述过渡金属氧化物层(120)平行间隔设置于所述导电基底(110)靠近所述磁性金属层(130)的表面。