CN111613718A - 一种增强型薄膜磁性可调结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型薄膜磁性可调结构，自下而上依次设置的底电极、压电层、磁性膜层，进行磁场调控时，对压电层加载电压，压电层会产生应力应变，该应力应变传递至磁性膜层，实现磁性电调控。所述磁性膜层包括多个交替层叠设置的磁性薄膜层和非磁性薄膜层，所述非磁性薄膜层用于阻断相邻磁性薄膜层之间的磁交换作用，使得单层磁性厚膜成为多层磁性薄膜，增强了磁性电调控能力，本发明增强磁性电调控的能力且磁性信号收集效果俱佳。

Description

一种增强型薄膜磁性可调结构

技术领域

本发明涉及传感器技术、自旋电子学、磁性电调控技术等技术领域，具体涉及一种增强型薄膜磁性可调结构。

背景技术

压电/铁磁复合结构由于具有巨大的磁性电调控效应，在磁存储、磁传感器、微波器件等领域具有广阔的应用前景。

1966年，Schmid等人发现了硼酸盐盐Ni₃B₇O₁₃I晶体在60K以下同时具有铁磁性和铁电性，同时发现在该体系中存在磁性电调控行为。此后，在一些研究者的努力中，一些具有多铁性的材料被发现。但是这些材料中的磁性电调控行为较弱，难以应用在实际器件中。2007年，Eerenstein等人通过在BaTiO3铁电基片上外延生长了40nm的La_0.67Sr_0.33MnO₃铁磁薄膜得到铁电/铁磁复合结构，在该结构中观察到了明显的磁性电调控行为，其磁电耦合系数远大于之前的单相多铁材料中的磁电耦合系数，大大推进了磁性电调控在实际中的应用。铁电/铁磁复合结构实现磁性电调控的过程为：电场加载至铁电材料时，由于铁电材料具有逆压电效应而产生应变；在逆磁致伸缩效应的作用下，传递至铁磁材料的应变实现了对磁性的调控。这种方法主要通过应变耦合实现磁性的电调控，所以具有压电效应的非铁电材料也可以实现以上效应，例如AlN等。此后，很多研究者对压电/铁磁复合结构在磁存储、磁传感器、微波器件等领域的应用进行了研究。2013年，K L Wang等人基于磁性电调控效应设计了新型的磁电耦合存储器件，相比于传统的存储器件，该新型存储器件具有速度快、密度高、能耗低等优势。2014年，Yuan Gao等人利用磁性电调控效应实现的可调电感器件，电感的调控能力达到100%以上。2016年，E Yarar等通过硅基底上生长AlN/FeCoSiB制备了磁电传感器，其磁场探测能力达到400fT/√Hz。2017年，Tianxiang Nan等采用(FeGaB(45nm)/Al₂O₃(5))₁₀/AlN实现超小型磁电天线，相对于常规天线，其尺寸降低了1-2个量级。以上研究说明压电/铁磁复合结构在磁传感器、微波天线等电子器件应用中具有优异的性能。在压电/铁磁复合结构中磁性调控能力是提升器件性能的关键，提升磁性调控能力在把压电/铁磁复合结构应用到实际器件中起到了关键作用。

综上所述，压电/铁磁复合结构的磁性电调控应用在磁存储、磁传感器、微波器件等很多领域均有优异的性能。而压电/铁磁复合结构的磁性电调控效应的增强是提高期间性能的关键因素。对于很多电子器件，磁性膜的增厚有利于磁性信号的收集，提高器件的性能。根据实验研究，磁性膜的增厚会明显降低磁性调控能力。因此，如何在增大磁性膜的厚度的同时提高磁性调控能力是本领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种增强磁性调控能力且磁性信号收集效果俱佳的增强型薄膜磁性可调结构。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种增强型薄膜磁性可调结构，自下而上依次设置的底电极、压电层、磁性膜层。当对压电层加载电压，压电层会产生应力应变，该应力应变传递至磁性膜层，从而实现磁性电调控。所述磁性膜层包括多个交替层叠设置的磁性薄膜层和非磁性薄膜层，所述非磁性薄膜层用于阻断相邻磁性薄膜层之间的磁交换作用。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述增强型薄膜磁性可调结构还包括硅基底，所述硅基底位于底电极下方。

所述硅基底包括基底层和固定锚点，所述基底层靠近底电极一侧设置，所述固定锚点设置于基底层下方两侧。

所述压电层为采用PZT、PMN-PT、AlN、ZnO中的一种制备而成的单层；或所述压电层采用AlN和Si制备而成的复合结构层。

所述底电极为金属材料层。

所述金属材料层为采用Ti、Cr、Cu中的一种制备而成的单层；或所述金属材料层为采用Ti或Cr和Cu或Al或Au制备而成的复合结构层。

所述磁性薄膜层采用具有磁致伸缩系数的铁磁材料制备而成。

所述铁磁材料为Ni、FeSiB、FeGaB、FeGa中的一种或多种。

所述非磁性薄膜层采用非铁磁材料制备而成；所述非铁磁材料为Cu、Au、SiO₂、Al₂O₃中的一种或多种。

所述磁性薄膜层的厚度为50-100nm，所述非磁性薄膜层的厚度为5-10nm。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的增强型薄膜磁性可调结构，通过在磁性膜层设置交替层叠的磁性薄膜层和非磁性薄膜层，使得磁性膜层变成多个磁性薄膜层组成的复合结构，通过提高每一层磁性薄膜层调控能力来提高磁性电调控效果，磁性调控能力且磁性信号收集效果俱佳，有利于推进具有磁性电调控效应的多铁材料在磁传感器、可调电感等领域的应用。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是本发明实施例1和对比例2的磁性可调结构的调控能力对比。

图3是本发明实施例2的结构示意图。

图中各标号表示：1、压电层；2、底电极；3、磁性膜层；31、磁性薄膜层；32、非磁性薄膜层；4、硅基底；41、基底层；42、固定锚点。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。除非特殊说明，本发明采用的仪器或材料为市售。

实施例1：

如图1所示，本实施例的一种增强型薄膜磁性可调结构，包括自下而上依次设置的底电极2、压电层1、磁性膜层3，磁性膜层3包括多个交替层叠设置的磁性薄膜层31和非磁性薄膜层32，非磁性薄膜层32用于阻断相邻磁性薄膜层31之间的磁交换作用，当进行磁场调控时，对压电层1加载电压，压电层1会产生应力应变，该应力应变传递至磁性膜层3，实现磁性的电调控。相对于现有技术采用单层磁性厚膜作为磁性膜层3，本发明的磁性膜层3包括多个交替层叠设置的磁性薄膜层31和非磁性薄膜层32，通过提高每一层磁性薄膜层31调控能力增强了整个结构的磁性电调控能力，提高磁性电调控效果。

本实施例中，压电层1为具有压电效应的压电基底，并且起到应变驱动层的作用。由于压电效应的作用，压电层1受到电场的作用时会产生相应的应变。

压电层1为单层材料层或复合材料层；单层材料层采用的材料为PZT、PMN-PT、AlN、ZnO中的一种（本实施例采用PMN-PT制备而成）；复合材料层为AlN/Si复合结构层。

底电极2为制备在压电层1底面的金属材料层，使得压电层1的底面处于某一给定电位，金属材料导电性能较好，具体的材料可以根据制备工艺和结合力等性能需求角度确定。底电极2可选用Ti，Cr，Cu等结合力好的单层材料（本实施例为Cu），也可选用Ti(或Cr)/Cu(或Al或Au)等多层材料，但不限于此。本实施例中，底电极2可采用溅射或蒸镀等方法制备。

磁性薄膜层31采用具有磁致伸缩系数的铁磁材料制备而成。在磁致伸缩效应的作用下，压电层1传递过来应变影响了磁性薄膜层31的磁性，同时由于压电层1具有压电效应，应变受到电场的调控，从而实现了磁性的电调控。

本实施例中，磁性薄膜层31采用FeGaB制备而成。在其他实施例中，磁性薄膜层31可选用Ni、FeSiB、FeGaB、FeGa等铁磁材料，但不限于此。

非磁性薄膜层32采用非铁磁材料制备而成。非磁性薄膜层32用于阻断每一层磁性薄膜层31之间的磁交换作用，使得每一层磁性薄膜层31能够独立工作。

非磁性薄膜层32的具体材料可以根据实际需要确定。非磁性薄膜层32可选用Cu、Au、SiO₂、Al₂O₃等非铁磁材料，但不限于此（本实施例采用Cu）。例如，若磁性膜层3用于微波等高频应用，则可以选用SiO₂、Al₂O₃等非金属材料，提高了磁性电调控效应的同时，通过降低磁性薄膜层的厚度减小涡流损耗。若对磁性膜层3的质量要求很高，可以选用与磁性薄膜层31物理性质相近的非铁磁层。如磁性薄膜层31采用金属材料，则非磁性薄膜层32可选用Cu、Au等非金属材料，这样可以减小不同材料之间带来的内应力等不利因素影响磁性的调控。非磁性薄膜层32的厚度根据实际情况确定，优选的为5-10nm（本实施例为5nm），但不限于此。

磁性薄膜层31和非磁性薄膜层32交替层叠设置，即通过磁性薄膜层31/非磁性薄膜层32/……/磁性薄膜层31/非磁性薄膜层32的方式交替层叠在一起组成了磁性膜层3。磁性薄膜层31通过插入非磁性薄膜层32的方式，降低了磁性膜层3的厚度，从而提高了磁性调控能力。

本实施例中，磁性薄膜层31的总厚度为1微米，磁性薄膜层31有10层，每层磁性薄膜层31的厚度为100nm。

本实施例中，磁性薄膜层31和非磁性薄膜层32采用磁控溅射制备，并且在磁控溅射的设备中，同时具有磁性薄膜层31和非磁性薄膜层32的靶材，使得磁性薄膜层31和非磁性薄膜层32在交替制备过程中不用从真空条件中取出从而避免导致污染。

对比例1

本对比例的厚膜磁性可调结构与实施例1大致相同，不同之处在于，本申请只有磁性膜层3只有一层磁性薄膜层31，磁性薄膜层31的厚度为1微米。

图2为实施例1和对比例1的磁性可调结构的调控能力对比图（磁性薄膜层31总厚度均为1微米）。可明显看出，相比于只具有一层磁性薄膜层31的厚膜磁性可调结构（对比例1），具有多层磁性薄膜层31的增强型薄膜磁性可调结构（实施例1）的调控量得到明显增强。

实施例2

如图3所示，本实施例的一种增强型薄膜磁性可调结构与实施例1大致相同，不同之处在于：

1、本实施例的增强型薄膜磁性可调结构还包括硅基底层4，硅基底层4位于底电极2下方。本实施例的硅基底层4能够进一步提高增强型薄膜磁性可调结构的磁性调控能力。

2、硅基底层4包括基底层41和固定锚点42，基底层41靠近底电极2一侧设置，固定锚点42设置于基底层41下方两侧。

3、压电层1为具有压电效应的压电膜。具体的压电材料根据实际需要确定，优选的，压电层可选用AlN膜、PZT膜，但不限于此。由于压电效应的作用，压电层1受到电场的作用时会产生相应的应变，从而驱动整个结构谐振运动。本实施例中，压电膜优选的采用化学气相沉积等工艺制备，但不限于此。

4、固定锚42采用硅材料制备而成，固定锚点42与基底层41是固定在一起的，固定锚点42可胶粘、金属键合等方式固定，但不限于此。在其他实施例中，固定锚点42可以是基底层41的一部分。

5、基底层41采用硅材料制备而成，可选用单晶硅或者多晶硅。在压电层1的驱动下，基底层41为主振动结构带动以上结构谐振运动。并且硅作为基底材料，其成分占了实施例2结构的绝大部分。由于硅材料具有机械损耗小的优点，工作在谐振状态时其机械品质因数更大。此时，同样驱动电压下磁性材料产生的应变更大，从而有利于提高磁性材料在交流工作状态下的磁性调控能力。压电层1和硅基底层4的基底层41、固定锚点42共同组成应变驱动层。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (9)

1.一种增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：自下而上依次设置的底电极（2）、压电层（1）、磁性膜层（3），所述磁性膜层（3）包括多个交替层叠设置的磁性薄膜层（31）和非磁性薄膜层（32），所述非磁性薄膜层（32）用于阻断相邻磁性薄膜层（31）之间的磁交换作用，当进行磁场调控时，对压电层（1）加载电压，压电层（1）会产生应力应变，该应力应变传递至磁性膜层（3），实现磁性电调控。

2.根据权利要求1所述的增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：所述增强型薄膜磁性可调结构还包括硅基底（4），所述硅基底（4）位于底电极（2）下方。

3.根据权利要求2所述的增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：所述硅基底（4）包括基底层（41）和固定锚点（42），所述基底层（41）靠近底电极（2）一侧设置，所述固定锚点（42）设置于基底层（41）下方两侧。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：所述压电层（1）为采用PZT、PMN-PT、AlN、ZnO中的一种制备而成的单层；或

所述压电层（1）采用AlN和Si制备而成的复合结构层。

5.根据权利要求1至3中任一项所述增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：所述底电极（2）为金属材料层。

6.根据权利要求5所述增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：所述金属材料层为采用Ti、Cr、Cu中的一种制备而成的单层；或

所述金属材料层为采用Ti或Cr和Cu或Al或Au制备而成的复合结构层。

7.根据权利要求1至3中任一项所述增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：所述磁性薄膜层（31）采用具有磁致伸缩系数的铁磁材料制备而成。

8.根据权利要求7所述增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：所述铁磁材料为Ni、FeSiB、FeGaB、FeGa中的一种或多种。

9.根据权利要求1至3中任一项所述增强型薄膜磁性可调结构，其特征在于：所述非磁性薄膜层（32）采用非铁磁材料制备而成；所述非铁磁材料为Cu、Au、SiO₂、Al₂O₃中的一种或多种。

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