CN110335938B - 逻辑器件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种逻辑器件及其制作方法，该逻辑器件从下至上依次包括：柔性衬底，非磁缓冲层，耦合层，磁性缓冲层，多铁层和电极层；其中，耦合层为超薄膜，以实现反常霍尔效应和拓扑霍尔效，电极层包括十字结构，通过改变施加在非磁缓冲层与电极层之间电压的方向，改变十字结构的其中一组相对端之间的霍尔电阻。具体地，衬底为柔性衬底，具有抗挤压、可弯曲等优点，该器件采用了反常霍尔效应和拓扑霍尔效应原理，具有高灵敏性且不易失真的特性，不仅有效降低了对自旋轨道耦合效应进行调控所需的电压，还可结合外部磁场实现逻辑非运算功能，进一步地，还可基于此逻辑器件制作出相应的存储器件。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体地涉及一种基于多铁磁电耦合及自旋轨道耦合效应的逻辑器件及其制造方法。
背景技术
传统电子学以电子的电荷属性为基础，人们通过对电子电荷的控制来实现信息存储及逻辑处理。然而，随着电子器件逐渐微型化，所面临的量子效应、能量损耗等的影响越来越明显，传统电子器件已经无法满足发展的需求。
自旋电子器件具有非挥发性、低能耗和高集成度等优点使其飞速发展起来，自旋电子器件在信息处理中的高计算能力、低能耗等特性是传统的半导体电子器件无法比拟的。自旋轨道耦合可利用其产生的力矩实现对磁矩的操控，可实现小尺寸下的自旋翻转控制而不需要借助特定的磁性材料来产生自旋极化电流。基于自旋轨道转矩(自旋轨道耦合)的自旋逻辑器件在逻辑配置方面具有特别的优点，它可重新配置逻辑运算。易于结合电压控制的磁各向异性(VCMA)效应来调控自旋轨道耦合。传统自旋轨道耦合调控依赖电流产生的磁场、自旋力矩等，这需要较高的电流密度，从而产生大量的能耗。而多铁性材料可以使用电场调控自旋轨道耦合，能够有效降低能耗，在信息存储、自旋电子学等方面具有巨大的潜在应用前景。
有鉴于此，设计一种轻便、便携、低功耗、稳定性好的逻辑器件及该器件的制作方法是本发明所要解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种基于多铁磁电耦合及自旋轨道耦合效应的逻辑器件，以解决现有技术中逻辑器件柔韧性不足及能耗高等问题。
一方面，本发明提供一种逻辑器件，其特征在于，包括：
衬底，用于承载所述逻辑器件，所述衬底为柔性衬底；
非磁缓冲层，位于所述衬底上，厚度为10-30nm；
耦合层，位于所述非磁缓冲层上，厚度为1-5u.c.，优选厚度为2u.c.；
磁性缓冲层，位于所述耦合层上，厚度为10-30nm；
多铁层，位于所述磁性缓冲层上，厚度为10-30nm；
电极层，位于所述多铁层上，厚度为3-10nm；
其中，所述耦合层为超薄膜，以实现反常霍尔效应和拓扑霍尔效，所述电极层包括至少一个十字结构，通过改变施加在所述非磁缓冲层与所述电极层之间电压的方向，改变所述十字结构的其中一组相对端之间的霍尔电阻。
优选地，所述非磁缓冲层、所述耦合层、所述磁性缓冲层和所述多铁层的材料均为氧化物。
优选地，所述逻辑器件为非易失性逻辑器件。
优选地，所述十字结构的其中一组相对端为输出端，通过从该输出端检测所述电极层的霍尔电阻作为输出信号，所述十字结构中与所述输出端相垂直的方向上的另两端，其一端与非磁缓冲层之间施加输入电压作为输入端，另一端接入输入电流。
优选地，所述逻辑器件通过改变电场使反常霍尔电阻翻转并使拓扑霍尔电阻的大小和有限影响区域改变，从而在所述输出端获取对应的输出信号。
优选地，将所述逻辑器件放置于预设磁场中，所述非磁缓冲层与所述电极层之间的输入电压作为输入，该逻辑器件可实现非逻辑并可通过调节预设磁场的正负及输入电压对所述逻辑器件进行初始化。
优选地，所述预设磁场的方向垂直于所述输出端，所述逻辑器件为非易失性逻辑器件。
优选地，所述霍尔电阻具有高阻态和低阻态，所述霍尔电阻为低阻态时，所述逻辑器件的输出为0，所述霍尔电阻为高阻态时，所述逻辑器件的输出为1。
根据本发明的另一方面，还提供一种存储器，其特征在于，包括如上任一项所述的逻辑器件。
根据本发明的另一方面，还提供一种逻辑器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
对衬底进行清洁；
在清洁后的衬底上制备非磁缓冲层；
在非磁缓冲层上制备耦合层；
在耦合层上制备磁性缓冲层；
在磁性缓冲层上制备多铁层；
在多铁层上制备电极层；
对所述电极层进行加工，使其具有十字结构；
其中，所述耦合层为超薄膜，所述十字结构通过光刻和蚀刻形成，所述非磁缓冲层、所述耦合层、所述磁性缓冲层和所述多铁层的材料均为氧化物。
优选地，所述衬底由单晶云母片、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯对苯二酸脂、聚二甲基硅氧、聚丙烯己二酯中的至少一种材料制成；
所述非磁缓冲层由SrTiO3、LaAlO3、AlO中的至少一种材料制成；
所述耦合层由SrIrO3、Sr2IrO4、ZrBi2、IrTe2、Sr2RuO4中的至少一种材料制成；
所述磁性缓冲层由YIG、NiFe2O4、ZnCoO、Fe3O4、CoO、NiO中的至少一种材料制成；
所述多铁层由BiFeO3、YMnO3、YMn2O5、BiMnO3、TbMnO3、YbMn2O5、GdMnO、HoMnO3、DyMnO3中的至少一种材料制成；
所述电极层由Pt、Au、Ag中的至少一种材料制成。
本发明提供的逻辑器件，具有以下优点或有益效果：该逻辑器件结合了多铁材料的电磁耦合效应，在电极层、多铁层、耦合层的结构中利用电场调控自旋轨道耦合效应，有效降低了对自旋轨道耦合效应进行调控所需的电压，使电场调控效果更加显著，并且由于铁电场(多铁层)具有非易失性控制特点，还可实现非易失性的逻辑非存储器件，进一步地，该逻辑器件所对应的制作方法也具有很强的实用性。
本发明实施例所提供的具有逻辑非运算功能的逻辑器件，其可直接以正负电场(电压)作为输入端，具有低耗能的特点，该逻辑器件还具有信息初始化功能。
由于本发明所提供的逻辑器件，采用了超薄膜的耦合层，利用反常霍尔效应和拓扑霍尔效应原理，ρAHE和ρTHE对磁场具有高灵敏性，本发明相比传统方法得到的霍尔电阻更加准确，霍尔临界磁场也更精确，使得本发明的逻辑器件具有高灵敏度且不易失真的优点。
本发明采用了柔性衬底，并采用多铁性材料及强自旋轨道耦合材料来实现电场对其界面自旋轨道耦合效应的调控，进而调控其中的霍尔电阻，利用正负电场对反常霍尔效应和拓扑霍尔效应的影响，得到不同电压下的Rxy-B信号，从而可实现逻辑非运算功能，以得到轻巧、超便携、低功耗的逻辑器件，还可基于此逻辑器件制作出可快速读写及高存储密度的存储器件。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1为本发明实施例的逻辑器件的结构示意图；
图2为本发明实施例的逻辑器件的连接示意图；
图3为本发明实施例的逻辑器件的连接俯视图；
图4为本发明逻辑器件实施例的实验特性图；
图5为本发明实施例的逻辑器件的制作流程图。
具体实施方式
以下公开为实施本申请的不同特征提供了许多不同的实施方式或实例。下面描述了部件或者布置的具体实施例以简化本发明。当然，这些仅仅是实例并不旨在限制本发明。
此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素之间进行区分，而未必描述时间顺序、空间顺序、等级顺序或者任何其他方式的顺序、应当理解，如果使用的这些术语在适当的环境下可互换，并且此处描述的本发明的实施例能够以本文描述或示出以外的其他顺序来操作。
应当注意，在权利要求书中使用的术语“包括”不应被解释为限于下文所列出的手段，它并不排除其他元件或步骤。由此，它应当被解释为指定如涉及的所述特征、数字、步骤或部件的存在，但是并不排除一个或多个其他特征、数字、步骤或部件、或者其组合的存在或添加。因此，措词“包括装置A和B的设备”的范围不应当仅限于仅由组件A和B构成的装置。这意味着相对于本发明而言，设备的相关组件是A和B。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在此次提供的描述中，阐述了多个具体细节。然而应当理解，本发明的实施例没有这些具体细节的情况下实践。在其他实施例中，为了不妨碍对本说明书的理解，未详细地示出公知方法、结构和技术。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1为本发明实施例的逻辑器件的结构示意图，如图1所示，逻辑器件100包括：衬底110、非磁缓冲层120、耦合层130、磁性缓冲层140、多铁层150以及电极层160，其中，电极层160通过光刻和蚀刻处理形成十字结构。该十字结构作为hall bar，其外侧端可用于电连接及测量，通过测量可获取电极层160的霍尔电阻Rxy。
该逻辑器件100的整体结构按照衬底110、非磁缓冲层120、耦合层130、磁性缓冲层140、多铁层150以及电极层160的顺序从下至上依次堆叠而成，非磁缓冲层120、耦合层130、磁性缓冲层140、多铁层150以及电极层160均呈薄膜状，其中，非磁缓冲层120、耦合层130、磁性缓冲层140和多铁层150均由氧化物制成。
衬底110可选用单晶云母片、聚醚砜(PES)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PI)、聚乙烯对苯二酸脂(PET)、聚二甲基硅氧(polydimethylsiloxane，PDMS)、聚丙烯己二酯(polypropyleneadipate,PPA)等材料中的至少一种材料制成，使衬底110具有轻便、抗挤压、可弯曲等特点，实现柔性衬底。
非磁缓冲层120可由SrTiO3、LaAlO3、AlO等材料中的至少一种材料制成，其厚度约为10-30nm。
耦合层130可由SrIrO3、Sr2IrO4、ZrBi2、IrTe2、Sr2RuO4等强自旋轨道耦合材料制成氧化物薄膜，耦合层130为超薄膜，厚度约为1-5u.c.，优选厚度为2u.c.，使反常霍尔效应和拓扑霍尔效应更易实现更加显著。
磁性缓冲层140可由YIG、NiFe2O4、ZnCoO、Fe3O4、CoO、NiO等材料中的至少一种材料制成，其厚度约为10-30nm。
多铁层150可由BiFeO3、YMnO3、YMn2O5、BiMnO3、TbMnO3、YbMn2O5、GdMnO、HoMnO3、DyMnO3等材料中的至少一种材料制成，厚度约为10-30nm。
电极层160可由Pt、Au、Ag等材料中的至少一种材料制成，制成金属电极薄膜，并通过电子束光刻和离子铣削蚀刻，形成十字结构(hall bar结构)以用于电连接及测量。
其中，非磁缓冲层120、耦合层130、磁性缓冲层140和多铁层150的材料均包括氧化物。
图2为本发明实施例的逻辑器件的连接示意图，将该逻辑器件放置于预设磁场B中，其中，预设磁场B无需连续改变，仅需在±4T之间切换即可。在电极层160的一端接入输入电流I，输入电流I例如为矩形脉冲，电极层160与输入电流I相对的另一端与非磁缓冲层120之间施加输入电压V，使电极层160与非磁缓冲层120之间形成电势差，从而形成相应的电场以进行电场(磁场)调控。
多铁层采用多铁材料制成，多铁材料指同时具有铁电性、铁磁性、铁弹性中两种或两种以上的性质的单相化合物。一般电极化和磁化强度只能分别由电场和磁场调控，而在多铁材料中，电场E和磁场H分别引起电极化P和磁化强度M，并且多铁材料中P和M之间存在的磁电耦合效应。铁磁铁电多铁性材料的出现打破了传统的电磁耦合方式，它允许人们以施加外加电场的方式对材料的磁极化产生影响。在电场极化作用下多铁材料由于磁电耦合效应引起自旋排列的改变，甚至使磁化反转，选用多铁材料BFO/SIO结构对其自旋轨道耦合的电场调控具有显著作用。
进一步地，本发明实施例的逻辑器件可利用反常霍尔效应和拓扑霍尔效应的共同影响，通过ρAHE(反常霍尔电阻率)和ρTHE(拓扑霍尔电阻率)对磁场的高灵敏性，使该逻辑器件测量获得的霍尔电阻更加准确，霍尔临界磁场也更精确，使该逻辑器件具有高灵敏度且不易失真的优点。
具体地，反常霍尔效应(Anomalous Hall effect,AHE)是由于磁性材料(有自发磁化的材料)中的自旋轨道耦合作用导致的能级劈裂所致。通常情况下，只要破坏时间反演对称性而不需要外磁场就会出现反常霍尔效应。由于磁性材料中的自旋轨道耦合作用，自旋方向不同的载流子会向着相反的方向偏移，这就使得在材料的两端不仅有电荷的积累，同时还有自旋的积累。
自旋轨道耦合(spin-orbit coupling，SOC)能够产生一种各向异性的反对称相互作用(DM相互作用)，而DM(Dzyaloshinskii-Moriya)相互作用能产生斯格明子，进而导致拓扑霍尔效应(topological Hall effect,THE)。强自旋轨道耦合薄膜上下两个表面电子态的相互耦合，两者产生的DM相互作用达到一定强度，展现拓扑霍尔效应，只有一定层厚的超薄强关联自旋轨道耦合材料(如：SrIrO3、Sr2IrO4、ZrBi2、IrTe2、Sr2RuO4等)薄膜才可能出现拓扑霍尔效应。
该实施例的逻辑器件的调控机理如下所述：
在高磁场下，所有自旋几乎都是铁磁对齐的，没有形成拓扑自旋纹理(拓扑霍尔效应被抑制)，所以该逻辑器件在高磁场下的霍尔阻值完全来自反常霍尔电阻率ρAHE(已扣除普通霍尔电阻，实际测量可通过从霍尔电阻率ρxy中减去线性普通霍尔分量RH·B得出：ρAHE+ρTHE＝ρxy-RH·B，RH为霍尔系数，B为预设磁场的磁场强度)。电场会使双层界面处自旋轨道耦合发生变化，引起其交叉能带奇点的重新分布，所以一部分磁化强度M将被电场调控，正(负)偏置电压会增加(减少)反常霍尔电阻率ρAHE。当输入电压从负变为正时，高于饱和场的反常霍尔电阻率ρAHE的符号从负翻转为正。
拓扑霍尔电阻率ρTHE是由于斯格明子(skyrmion)引起的虚拟磁场(beff)下的普通霍尔效应的产物。由于一个斯格明子产生一个磁通量量子(Φ0＝h/e，其中h为普朗克常数，e为基本电荷)，拓扑霍尔电阻率ρTHE被描述为斯格明子密度(nsk)的函数：
ρTHE＝PRHbeff＝PRHnskΦ0
其中，P为自旋轨道耦合材料中传导电子的自旋极化，由拓扑霍尔电阻率ρTHE的调控表示nsk的变化。由nsk可以估计斯格明子的大小，从而表现为电场改变斯格明子的大小从而影响拓扑霍尔电阻率ρTHE。当施加正(负)输入电压时，ρTHE变小(变大)并且有限ρTHE的磁场范围缩小(放大)。由于反常霍尔效应和拓扑霍尔效应都是由自旋轨道耦合驱动的磁传输现象，故反常霍尔效应和拓扑霍尔效的调控都由相同的起源(输入电压)引起的，并反馈在对应的输出(霍尔电阻Rxy)上。
图3为本发明实施例的逻辑器件的连接俯视图，如图2所示，电极层160位于多铁层150上，通过对电极层160进行光刻和蚀刻处理，使其形成十字结构(hall bar结构)。
具体地，可形成单独的十字结构，也可形成如图示中相串连的双十字结构，并在十字结构的外侧端进行电连接以用于调控和测量。其十字结构的横向最左侧端电极161例如与输入电流相连，与电极161相对一侧(最右端)的电极162例如与非磁缓冲层130相连，并在电极162(电极层160)与非磁缓冲层130之间设置输入电压V，与十字结构中横向电极161、162相垂直的另一组纵向电极163例如为输出端，例如向电极161输入矩形脉冲电流I，通过检测电极163的霍尔电阻Rxy以获取输出信号。
图4为本发明逻辑器件实施例的实验特性图，其示出了该逻辑器件的Rxy-B曲线，其通过外部装置设置的磁场强度B的方向如图中所示，该逻辑器件的输入电压V例如在-20V和+30V两者之间进行切换，具体地，对应的电极层160与非磁缓冲层120之间的磁场强度B在-4T至+4T之间。
图中电压的正反切换(在-20V和+30V两者之间进行切换)使逻辑器件的局部ρAHE变化甚至符号反转，使得ρTHE大小和局部区域范围改变，电压在局部上造成霍尔电阻阻值变化，或局部ρAHE符号反转，而剩下的超过90％区域没有变化。其临界磁场不变，整体上不改变ρAHE+ρTHE的临界磁场，所以只造成霍尔电阻阻值的上下浮动。
具体地，当磁场B＝-4T(磁场方向向右，磁场强度大于临界磁场强度Bc即可)时，在输入电压为+30V时，逻辑器件输出的霍尔电阻的阻值为R1，逻辑器件输出的霍尔电阻中包含正常霍尔电阻、反常霍尔磁电阻和拓扑霍尔磁电阻，共计三项，类似地，在输入电压为-20V时，逻辑器件的霍尔电阻的阻值为R2，根据图4中的Rxy-B曲线可知R2>R1。
进一步地，将高阻值R2视为逻辑输出1，则低阻值R1视为逻辑输出0，同样规定高电位(输入电压V＝+30V)为逻辑输入1，则低电位(输入电压V＝-20V)为逻辑输入0，则该器件在磁场B＝-4T时具有逻辑非运算功能。其对应的真值表如表1所示：
表1逻辑非型逻辑器件真值表
| 输入 | 输出 |
| V(B＝-4T) | Rxy |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
当然地，该逻辑器件还可进行初始化操作，当磁场B＝4T时，根据图4中的Rxy-B曲线可知，在正负电压(输入电压V)下的霍尔电阻Rxy的阻值都小于阻值R1，故都认为其逻辑输出为0，该功能可用于该逻辑器件的初始化，其对应的真值表如表2所示：
表2逻辑非型逻辑器件初始化真值表
进一步地，本发明实施例的逻辑器件，在外部磁场B＝-4T(磁场方向向右，磁场强度大于临界磁场强度Bc即可)时，该器件为逻辑非型器件，具有逻辑非运算功能；还通过改变外部磁场B的方向，实现初始化功能，即令磁场B＝4T时，输入端无论是0还是1，其对应的输出均为0。
图5为本发明实施例的逻辑器件的制作流程图，制作方法包括：
S10对衬底进行清洁；
S20制备非磁缓冲层；
S30制备耦合层；
S40制备磁性缓冲层；
S50制备多铁层；
S60制备电极层；
S70对电极层进行加工，使其具有十字结构；
其中，耦合层为超薄膜，电极层上的十字结构通过电光刻和蚀刻形成，非磁缓冲层、耦合层、磁性缓冲层和多铁层的材料均为氧化物。
以下制作方法中将选用单晶云母片作为衬底的材料，选用SrTiO3作为非磁缓冲层的材料，选用SrIrO3作为耦合层的材料，选用YIG(Y3Fe5O12)作为磁性缓冲层的材料，选用BiFeO3作为多铁层的材料，选用Pt作为电极层的材料。各层的材料选择仅为示例，当然地，还可选用说明书上文中所提及的其他可替换材料，同样也可通过相同或类似的方法制成本发明所描述的逻辑器件。该实施例的逻辑器件中各层的排布从下到上依次为衬底110、非磁缓冲层120、耦合层130、磁性缓冲层140、多铁层150及电极层160。
S10对衬底进行清洁。将采用单晶云母片制成的衬底110浸入丙酮和甲醇中，使用超声波清洗机进行超声波清洗，每次10分钟，共清洗三次；接着将衬底110浸入酒精中进行超声波清洗；最后用去离子水超声清洗。用氮气枪将衬底110吹干以备下一步骤使用。
S20制备非磁缓冲层；在清洁后的衬底上制备非磁缓冲层120，具体地，采用激光脉冲沉积法，依次通过放样、抽真空、加热、发射激光脉冲和冷却取样五个步骤完成整个激光脉冲沉积，形成约20nm厚的非磁缓冲层薄膜，激光脉冲沉积中所涉及的参数包括：沉积室本底真空度须高于10-4Pa，溅射时氧气压为1-10Pa，沉积温度为700—750℃，沉积时能量为100-400mJ,沉积时激光频率为1-5Hz。
S30制备耦合层；通过激光脉冲沉积在经过步骤S20后的半成品上制备约1-5u.c.厚的耦合层130，耦合层130为超薄膜，例如采用SrIrO3作为材料，依次通过放样、抽真空、加热、发射激光脉冲和冷却取样五个步骤完成整个激光脉冲沉积，形成超薄SrIrO3薄膜(耦合层130)，优选厚度为2u.c.，该步骤中激光脉冲沉积所涉及的参数包括：沉积室本底真空度须高于10-4Pa，溅射时氧气压为120mTorr(约15.96Pa)，沉积温度为600℃，沉积时能量为100-400mJ,沉积时激光频率为1-5Hz。
S40制备磁性缓冲层；磁性缓冲层140同样采用激光脉冲沉积而成，在经过步骤S30后的半成品上依次通过放样、抽真空、加热、发射激光脉冲和冷却取样五个步骤制成厚度约20nm的磁性缓冲层，磁性缓冲层140的材料例如选用YIG，制备磁性缓冲层的步骤中所涉及的参数包括：沉积室本底真空度须高于10-4Pa，溅射时氧气压为1-10Pa，沉积温度为700-750℃，沉积时能量为100-400mJ,沉积时激光频率为1-5Hz。
S50制备多铁层；通过激光脉冲沉积在经过步骤S40后的半成品上制备约20nm厚的多铁层150，多铁层150例如选用BiFeO3在磁性缓冲层140上依次通过放样、抽真空、加热、发射激光脉冲和冷却取样五个步骤制成，制备多铁层150所涉及的参数包括：沉积室本底真空度须高于10-4Pa，溅射时氧气压为1-10Pa，沉积温度为700-750℃，沉积时能量为100-400mJ,沉积时激光频率为1-5Hz。
S60制备电极层；电极层160例如采用磁控溅射加电子束曝光的方法制成，制备的电极层160例如由Pt制成，呈薄膜状，厚度约为5nm。通过放样、抽真空、电磁溅射和取样四个步骤完成磁控溅射。磁控溅射所涉及的参数包括：溅射室本底真空度须高于10-5Pa，溅射温度为室温，溅射气压为0.1-1.5Pa。电子束曝光处理：将基片进行超声波清洗后分别进行涂胶和加热，用电子束直写系统进行电子束曝光，显影定影，用氩离子束刻蚀除去没有光刻胶保护的Pt薄膜，再利用磁控溅射的方法进行绝缘层填埋，最后将被绝缘层填埋的样品经过丙酮浸泡和超声波清洗除去结区的光刻胶和绝缘层获取电极层160。
S70对电极层进行加工，使其具有十字结构；将经过步骤S60制得的半成品进行超声波清洗，清洗后分别进行涂负胶、甩胶和加热，用电子束光刻系统(EBL)进行电子束曝光，经显影定影，再用氩离子束刻蚀，除去没有光刻胶保护的部分，使电极层160形成如图3所示的80×10μm的双十字结构(hall bar形状)，以用于电连接和电测量。
进一步地，本发明实施例所提供的逻辑器件，需要由额外的外部装置提供所需的磁场强度B才可实现相应的逻辑功能，外部磁场B的方向可与图3中示出的方向相同，也可与图3所示方向相反，该逻辑器件可通过改变外部磁场B的方向实现初始化。
本发明提供的逻辑器件，具有以下优点或有益效果：通过采用云母单晶薄片、聚醚砜(PES)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PI)等柔性材料制作衬底，使对应的逻辑器件与传统器件相比具有更轻便、抗挤压、可弯曲等优点。
该逻辑器件结合了多铁材料的电磁耦合效应，在电极层、多铁层、耦合层的结构中利用电场调控自旋轨道耦合效应，有效降低了对自旋轨道耦合效应进行调控所需的电压，使电场调控效果更加显著，并且由于铁电场(多铁层)具有非易失性控制特点，还可实现非易失性的逻辑非存储器件，进一步地，该逻辑器件所对应的制作方法也具有很强的实用性。
本发明实施例所提供的具有逻辑非运算功能的逻辑器件，其可直接用正负电场(电压)作为输入端，具有低耗能的特点，且该逻辑器件还具有信息初始化功能。
由于本发明所提供的逻辑器件，采用了反常霍尔效应和拓扑霍尔效应原理，ρAHE和ρTHE对磁场具有高灵敏性，本发明相比传统方法得到的霍尔电阻更加准确，霍尔临界磁场也更精确，使得本发明的逻辑器件具有高灵敏度且不易失真的优点。
本发明采用了柔性衬底，并采用多铁性材料及强自旋轨道耦合材料来实现电场对其界面自旋轨道耦合效应的调控，进而调控其中的霍尔电阻，利用正负电场对反常霍尔效应和拓扑霍尔效应的影响，得到不同电压下的Rxy-B信号，从而可实现逻辑非运算功能，以得到轻巧、超便携、低功耗的逻辑器件，还可基于此逻辑器件制作出可快速读写及高存储密度的存储器件。
上述实施例只是本发明的举例，尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (8)
1.一种逻辑器件，其特征在于，包括：
衬底，用于承载所述逻辑器件，所述衬底为柔性衬底；
非磁缓冲层，位于所述衬底上；
耦合层，位于所述非磁缓冲层上；
磁性缓冲层，位于所述耦合层上；
多铁层，位于所述磁性缓冲层上；
电极层，位于所述多铁层上；
其中，所述耦合层为厚度为1-5u.c.的超薄膜，以实现反常霍尔效应和拓扑霍尔效应，所述电极层包括至少一个十字结构，通过改变施加在所述非磁缓冲层与所述电极层之间电压的方向，改变所述十字结构的其中一组相对端之间的霍尔电阻；
所述十字结构的其中一组相对端为输出端，通过从该输出端检测所述电极层的霍尔电阻作为输出信号，所述十字结构中与所述输出端相垂直的方向上的另两端，其一端与非磁缓冲层之间施加输入电压作为输入端，另一端接入输入电流；
所述衬底由单晶云母片、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯对苯二酸脂 、聚二甲基硅氧、聚丙烯己二酯中的至少一种材料制成；
所述非磁缓冲层由SrTiO3、LaAlO3、Al2O3中的至少一种材料制成；
所述耦合层由SrIrO3、Sr2IrO4、ZrBi2、IrTe2、Sr2RuO4中的至少一种材料制成；
所述磁性缓冲层由YIG、NiFe2O4、ZnCoO、Fe3O4、CoO、NiO中的至少一种材料制成；
所述多铁层由BiFeO3、YMnO3、YMn2O5、BiMnO3、TbMnO3、YbMn2O5、GdMnO、HoMnO3、DyMnO3中的至少一种材料制成；
所述电极层由Pt、Au、Ag中的至少一种材料制成。
2.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，所述非磁缓冲层、所述耦合层、所述磁性缓冲层和所述多铁层的材料均为氧化物。
3.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，所述逻辑器件通过改变电场使反常霍尔电阻翻转并使拓扑霍尔电阻的大小和有限影响区域改变，从而在所述输出端获取对应的输出信号。
4.根据权利要求1所述的逻辑器件，其特征在于，将所述逻辑器件放置于预设磁场中，所述非磁缓冲层与所述电极层之间的输入电压作为输入，该逻辑器件可实现非逻辑并可通过调节预设磁场的正负及输入电压对所述逻辑器件进行初始化。
5.根据权利要求4所述的逻辑器件，其特征在于，所述预设磁场的方向垂直于所述输出端，所述逻辑器件为非易失性逻辑器件。
6.根据权利要求4所述的逻辑器件，其特征在于，所述霍尔电阻具有高阻态和低阻态，所述霍尔电阻为低阻态时，所述逻辑器件的输出为0，所述霍尔电阻为高阻态时，所述逻辑器件的输出为1。
7.一种存储器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的逻辑器件。
8.一种逻辑器件的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
对衬底进行清洁；
在清洁后的衬底上制备非磁缓冲层；
在非磁缓冲层上制备耦合层；
在耦合层上制备磁性缓冲层；
在磁性缓冲层上制备多铁层；
在多铁层上制备电极层；
对所述电极层进行加工，使其具有十字结构；
其中，所述十字结构通过电光刻和蚀刻形成，所述耦合层为厚度为1-5u.c.的超薄膜，所述非磁缓冲层、所述耦合层、所述磁性缓冲层和所述多铁层的材料均为氧化物；
所述衬底由单晶云母片、聚醚砜、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯对苯二酸脂 、聚二甲基硅氧、聚丙烯己二酯中的至少一种材料制成；
所述非磁缓冲层由SrTiO3、LaAlO3、Al2O3中的至少一种材料制成；
所述耦合层由SrIrO3、Sr2IrO4、ZrBi2、IrTe2、Sr2RuO4中的至少一种材料制成；
所述磁性缓冲层由YIG、NiFe2O4、ZnCoO、Fe3O4、CoO、NiO中的至少一种材料制成；
所述多铁层由BiFeO3、YMnO3、YMn2O5、BiMnO3、TbMnO3、YbMn2O5、GdMnO、HoMnO3、DyMnO3中的至少一种材料制成；
所述电极层由Pt、Au、Ag中的至少一种材料制成。
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