CN112614935B - 一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁相变材料技术领域，尤其涉及一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，通过对一级磁相变材料进行温度调控或电场调控，调节其输运性能和磁电阻效应，模拟人工突触的信息传递功能；电场调控包括离子液体电压调控和铁电衬底的电场调控。本发明通过多种方法进行调节一级磁相变薄膜材料的输运特性与磁电阻效应，可以实现电阻值随着连续的温度变化而逐渐变化的忆阻行为；此外磁相变材料在磁场中磁矩的翻转可模拟突触的记忆信息传递，有效扩展了应用前景，有望代替氧化物、二维材料制作人工突触器件。
Description
技术领域
本发明涉及磁相变材料技术领域，尤其涉及一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法。
背景技术
当前，人类社会正由信息化向智能化演进。智能化社会需要高效智能的信息处理系统对数据信息进行有效的甄别，处理和决策。随着数据信息的迅速膨胀，基于冯诺依曼架构的传统数字计算机，其数据处理与存储分离结构限制了其工作效率，同时带来巨大功耗，无法满足当今大数据时代计算的复杂性的需求，正面临着严峻的挑战。同时，也阻碍了深度学习神经网络的进一步发展。未来计算机的发展方向和目标是能够像人脑一样实现对信息进行学习，保存和灵活处理的智能计算机。我们知道人脑控制着人类所有复杂活动，大脑神经元间的信息传递依赖于突触结构。借鉴人脑神经突触结构，构造结构简单、低功耗、高阻态连续可调的非易失性存储器并模拟人工神经突出，是实现类脑神经形态计算中至关重要的一步。
在自然模态数据的处理和交互上，人工突触模式已经被证明比传统计算机更适用，并且可以有效进行多种模态间的信息传递。未来我们期待的听觉、视觉等多模态交互计算机，很可能就产生于人工突触的研究中。
目前，模仿生物神经系统中突触间神经递质释放过程与电信号传递处理调控构建的多栅极人造神经元晶体管常常表现出高低阻态的突变，而基于二维材料的两端电阻开关器件通常表现为从高电阻状态到低电阻状态的突变，在开发高密度电子电路的复杂应用时，二维材料的主要限制点是成品率低且器件间差异大。二维器件制作工艺与半导体加工技术的兼容性问题突出。而基于氧化物材料体系的突触器件，其工作机理主要依赖离子、氧空位在电场作用下迁移和聚集，常常存在操作电压击穿、高低阻态分布离散的问题，使得阻态稳定性较差，随机性较大，限制了其在信息存储、人工智能等领域的应用和发展。
发明内容
本发明为了克服现有突触器件成品率低，器件差异大，阻态随机性大的问题，提供了一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，该方法通过外场（温度场，电场，磁场等）来调控，实现可控的输运特性和磁电阻的调节，有利于在人工突触领域应用。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，通过对一级磁相变材料进行温度调控或电场调控，调节其输运性能和磁电阻效应，模拟人工突触的信息传递功能；电场调控包括离子液体电压调控和铁电衬底的电场调控。
本发明通过调控一级磁相变材料的电阻变化范围，可以实现电阻值随着连续的温度变化而逐渐变化的忆阻行为；除了磁相变材料在磁场中磁矩的翻转来模拟突触的记忆信息传递，还可以通过控制离子在离子液栅和相变材料间的分布和迁移来模拟突触间的竞争与协作行为。该一级磁相变薄膜对模拟人工突触以及低功耗的类脑认知学习方面有重要的应用价值，有望推动人工智能电子器件研究的进一步发展。通过不同电压调节方式实现不同程度输运性能与磁电阻的调控。
本发明通过对一级磁相变薄膜，进行电压调控（离子液体的电压调控、铁电衬底的电场调控），应用外加栅电压调控离子的迁移和分布情况，导致Fe原子氧化还原改变Fe离子价态，以致磁性结构尤其是Fe原子占据位置的方向，铁自旋耦合的平衡会被氧离子破环，从而影响相变过程，进而模拟突触间的竞争与协作行为；或通过对铁电衬底施加电场，由于逆压电效应使衬底内产生面内应变，控制从反铁磁至铁磁的磁相变，其中铁磁的电阻率较低，使得电阻在从反铁磁至铁磁相变时呈现电阻突然下降的趋势，除此之外，改变电场的方向和大小，可以在薄膜中获得稳定的高/低两种磁化状态，实现输运性能的调控。由于相变过程中的热滞行为和可逆性，形成“记忆窗口”，也可用于模拟人工突触的学习记忆行为。
作为优选，离子液体电压调控的方法为：
（1）在一级磁相变材料薄膜上表面覆盖由电子束蒸发制备的氧化物栅薄膜；氧化物栅薄膜的作用是分离离子液体和磁相变薄膜，阻止薄膜与离子液体之间的直接化学反应；
（2）在氧化物栅薄膜覆盖层顶部的滴5~10μL离子液体作为电解质；
（3）通过控制外加栅电压调控离子的迁移和分布情况来模拟人工突触间的竞争与协作行为。
作为优选，步骤（1）中，所述氧化物栅薄膜的层厚为1.5~3nm；所述氧化物栅薄膜为的GdOx或HfO2；
步骤（2）中，所述离子液体选自羟基基团的离子液体、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体、1-丙基（三甲氧基）硅烷-1-甲基哌啶鑰氯化物（PPCl）离子液体、N，N-二乙基1-N-（2-甲氧基乙基1）-N-甲基铵(DEME+)和双（三氟甲基磺基1）-酰亚胺(TFSI-)离子液体中的一种；
步骤（3）中，外加栅电压的范围为0~10V。
作为优选，铁电衬底的电场调控的方法为：
（a）将一级磁相变材料沉积于铁电衬底上，形成一级磁相变材料薄膜，在其表面镀3~5nm的防氧化层；
（b）在铁电衬底背部溅射底电极，将一级磁相变材料薄膜作为顶电极；
（c）在铁电衬底的厚度方向施加0~500V的电场，利用逆压电效应使铁电衬底内产生面内应变，控制磁相变过程中磁矩的翻转，实现输运性能的调控。
作为优选，步骤（a）中，所述防氧化层选自钽、铝、钛、银和金中的一种；
作为优选，步骤（b）中，所述底电极的材料选自钽、铝、钛、银和金中的一种。
作为优选，步骤（c）中，通过改变电场的方向和大小，在一级磁相变材料薄膜中获得稳定的高/低两种阻态，控制磁相变过程中磁矩的翻转，模拟人工突触的记忆信息传递，热滞现象的产生用于模拟人工突触的学习记忆行为。
作为优选，温度调控方法为：
将一级磁相变材料沉积于衬底上，形成一级磁相变材料薄膜，对一级磁相变材料薄膜进行原位退火，原位退火温度为450~800℃，原位退火时间为30~180min；利用不同原位退火温度引起的衬底与沉积薄膜间的晶格失配，产生不同强度的应变，调节一级磁相变材料薄膜的磁相变、输运性能和磁电阻效应，模拟人工突触的信息传递功能。对同一衬底的磁相变薄膜进行不同温度的原位退火，可以观测到相变性能的改变。
作为优选，所述一级磁相变材料的化学式为Fe55-xRh45+x或Ni50-aMn50-bGaa+b，其中0≤x≤12，0≤a≤8，15≤b≤25。上述一级磁相变材料具有磁学性质多样等特点，该材料的相变过程可被温度、磁场、应力等外场诱导，并且常伴随着巨磁熵变，磁电阻，等多种物理效应，有望通过对一级磁相变薄膜进行输运性能和磁电阻的调节，有望应用于人工突触记忆行为的模拟。
本发明选用一级磁相变材料实现人工突触行为的模拟。磁相变材料拥有较丰富的物理行为，例如磁驱形状记忆、磁驱超弹性、大磁电阻、大磁熵变、以及霍尔效应、交换偏置等效应，成为当今凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。
Fe55-xRh45+x（FeRh，0≤x≤12）是一种重要的磁性功能材料，它在电子学器件中有着非常广泛的应用。除此之外，NiMn基磁相变合金材料是磁相变材料最重要的成员之一，它展现出许多的功能性，比如磁致电阻，能量转换，输运性能等，广泛应用于磁性致动器，传感器，磁性制冷等领域。初步研究表明，NiMn基磁相变合金材料的原料廉价、电子导电性优异，结构稳定，循环稳定佳，具有良好的电阻调控性。作为优选，一级磁相变材料的制备方法为：
（S.1）按照上述化学式计量配比称取原料，电弧熔炼得到Fe55-xRh45+x或Ni50-aMn50- bGaa+b合金熔锭，切割后待用；
（S.2）将衬底进行分阶段保温，保温温度为350~750℃，保温时间为30~60min；所述衬底选自（100）取向的单晶衬底或铁电衬底；在不同的衬底下外延生长一级磁相变薄膜，由于衬底与沉积薄膜间的晶格常数不同，导致薄膜的磁性能受衬底不同程度的应力，进而可以对其输运性能和磁电阻进行大范围调控；在溅射前对衬底基材进行分阶段保温，缓解温度过冲以及减少基材与靶位间的温度梯度；
（S.3）以步骤（S.1）得到的合金熔锭为靶材，在经过步骤（S.2）处理后的衬底上进行磁控溅射，得一级磁相变材料薄膜；
（S.4）对一级磁相变材料薄膜进行原位退火，随腔体降温至室温，即制得一级磁相变异质结。
本发明利用磁控溅射方法将Fe55-xRh45+x或Ni50-aMn50-bGaa+b薄膜外延生长在不同单晶衬底或铁电衬底上，研究Fe55-xRh45+x薄膜在外延应变作用下输运性质和磁电阻的变化规律；通过对铁电衬底施加电场，利用其逆压电效应来对FeRh薄膜样品施加可定量调控的应力应变和采用离子液体(IL)作为介质栅极对FeRh相变的电场控制，利用氧离子的迁移与分布，影响耦合强度，从而影响相变；在上述相变过程中的热滞行为和可逆性，形成“记忆窗口”，可用于模拟人工突触。
作为优选，步骤（S.1）中，电弧熔炼真空度小于3×10-3Pa；
步骤（S.2）中，所述（100）取向的单晶衬底选自MgO、SrTiO3(STO)、LaAlO3 (LAO)中的一种；所述铁电衬底为0.72PbMg1/3Nb2/3O3-0.28PbTiO3(PMN-PT)；
步骤（S.3）中，磁控溅射腔内真空度小于5×10-5Pa；溅射工作压强为0.2~3Pa，工作功率为10~200W，先进行5~20min预溅射，再进行10~120min的后续镀膜溅射；所述一级磁相变材料薄膜的厚度为5nm~200nm；该步骤在进行正式靶材溅射前，进行预溅射清洗，利用离子轰击溅射作用，对材料表面进行清洁处理。
步骤（S.4）中，退火温度为450~800℃，退火时间为30~180min。
因此，本发明具有如下有益效果：
（1）本发明提供了一种一级磁相变磁性材料，该材料可被温度、磁场、应力等外场诱导，并且常伴随着巨磁熵变，磁电阻等多种物理效应，可通过对输运性能和磁电阻的调节，模拟人工突触的功能性。该材料的相变过程，有望应用于人工突触记忆行为的模拟；
（2）本发明通过多种方法调节一级磁相变薄膜材料的输运特性与磁电阻效应，通过磁相变材料沉积在不同衬底，或进行不同温度的原位退火，由于衬底与沉积薄膜间的晶格失配，产生不同强度的面内压应力，调节薄膜的输运性能和磁电阻，可以实现电阻值随着连续的温度变化而逐渐变化的忆阻行为；磁相变材料在磁场中磁矩的翻转可模拟突触的记忆信息传递，有效扩展了应用前景，有望代替氧化物、二维材料制作人工突触器件；
（3）由于相变过程中的热滞行为和可逆性，形成“记忆窗口”，可用于模拟人工突触的学习记忆行为；本发明构建了基于磁相变材料的人工突触，其工作机理新颖，对于研究人工突触特性及电子电路设计提供多种可能。
附图说明
图1是实施例1中的STO/FeRh在500℃,0.01T退火的MT曲线。
图2是实施例1中的PMN-PT/FeRh在500℃,0.01T退火的MT曲线。
图3是实施例1中的MgO/FeRh在500℃,0.01T退火的MT曲线。
图4是实施例2中的MgO/FeRh在750℃,0.01T退火的MT曲线。
图5是实施例3中的MgO/FeRh在500℃,0.01T退火,外加0V、2V离子液体栅电压的MT曲线。
图6是实施例4中的PMN-PT/FeRh在500℃,0.01T退火,对PMN-PT外加0V、400V电压的RT曲线。
图7是实施例5中的MgO/Ni-Mn-Ga在600℃,0.01T退火的MT曲线。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
本发明中所需要制备调控输运性能及磁电阻的磁相变材料均为一级相变薄膜材料样品，使用电弧熔炼和磁控溅射的方法制备。
合金的原材料是按化学计量比配备的金属单质，所用的过渡金属和主族元素的纯度均超过99.99%，熔炼成合金铸锭，后续将锭子切割成圆柱状靶材。
实施例1
一种一级磁相变材料，其化学式为Fe49Rh51（FeRh），所述材料制备方法包括以下步骤：
配料：按照化学式中的配比称取高纯度原料Fe、Rh，配料前需仔细打磨掉所需金属元素表面的氧化层。
（2）熔炼：熔炼采用水冷式铜坩埚电弧炉进行熔炼，电弧炉用循环水冷系统冷却，将配好的原料一起分别放在铜坩埚的底部中心位置，并记好不同样品的位置，然后关上炉盖。熔炼前，先要将炉内抽真空。抽真空过程分两个阶段：首先用机械泵抽到10 Pa以下，然后用分子泵将气压抽至小于3x10-3Pa的高真空，最后向炉腔内充入0.05MPa的高纯Ar气，开始熔炼。
进行样品熔炼时，利用电弧炉顶端的旋钮将钨电极下降到比较贴近需要熔炼的样品块，尽量让电极靠近样品块的尖角处，运用尖端效应协助起弧，电极与样品的距离要仔细地调，大了不易起弧，小了电极容易碰触样品。按下起弧按钮，利用电弧产生的高温熔融样品。熔炼过程中，为了保证样品充分熔融均匀，要注意运用电磁搅拌器搅拌熔融后的液态合金。对于含有容易挥发的原料金属，熔炼时还得严格控制熔炼电流的大小和熔炼时间。熔炼结束后先把电弧电压逐渐调低，然后关闭电源，为了进一步获得均匀的合金样品，还要将铸锭翻转，反复熔炼3-4次。
（3）磁控溅射：将原料电弧熔炼得到Fe49Rh51（FeRh）合金块体制得的熔锭切割成直径为50mm、厚度5mm的靶材进行磁控溅射，首先分别对MgO、STO、PMN-PT三类衬底进行分阶段保温，先以20℃/min的升温速率升温至200℃，后续分别以15℃/min升温至300℃，以10℃/min升温至400℃，以8℃/min升温至450℃，保温温度为450℃，保温时间为30min，调节溅射工作压强为0.6Pa，工作频率为20W，然后用靶材进行10min预溅射，获取较干净的靶源，再进行薄膜沉积溅射时间为30min，然后在FeRh层上端沉积一层Ta，然后对沉积薄膜进行原位退火，退火温度为500℃，退火时间范围为60min，后续随腔体降温至室温；由于STO在高温下有较高的氧扩散系数，因此制作过程保持较低的保温温度，避免界面氧化。
将不同衬底的薄膜分别进行M-T测试，其测试结果分别如图1、2、3所示，该材料能够随温度的变化，磁化强度发生改变，在相变中磁矩的翻转发生在反铁磁到铁磁态的相变过程中，由于铁磁态电阻率较低，因此在相变过程，电阻值下降，电阻值变化与相变过程变化趋势一致，出现高阻态到低阻态的转变，由于不同衬底与FeRh薄膜间的晶格失配，导致产生不同程度的面内应变，使得磁相变材料产生不同的输运性能和磁电阻效应，可用于模拟人工突触的信息传递功能；
除此之外，从相变过程可以明显的看到热滞行为，可以确定反铁磁到铁磁的转变为典型的一级相变，由于热滞后的存在暗示着磁相变材料在磁场中的磁滞行为，可用于非易失性存储，可用来模拟突触的学习记忆行为。
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于原位退火温度不同，步骤（3）不同，其余工艺完全相同。
步骤（3）：将原料电弧熔炼得到等FeRh合金块体制得的熔锭切割成直径为50mm、厚度5mm的靶材进行磁控溅射，首先对MgO衬底进行分阶段保温，先以20℃/min的升温速率升温至200℃，后续分别以15℃/min升温至300℃，以10℃/min升温至400℃，以8℃/min升温至450℃，保温温度为450℃，保温时间为30min，调节溅射工作压强为0.6Pa，工作频率为20W，然后用靶材进行10min预溅射，获取较干净的靶源，薄膜沉积溅射时间为30min，然后在FeRh层上端沉积一层Ta，然后对沉积薄膜进行原位退火，退火温度为750℃，退火时间范围为60min，后续随腔体降温至室温。
将MgO衬底的FeRh-750℃薄膜进行M-T测试，其测试结果分别如图4所示，与实施例1中图3相比，磁化强度获得大幅度提高，相应电阻值得到大幅度调整，表明随着退火温度的升高，反铁磁到铁磁的转变温度升高，而热滞宽度减小,在MgO(100)基底上可以更好的生长外延的FeRh薄膜，可以表现出更好的输运性能和磁电阻效应。其余测试结果与实施例1相当，在此不再赘述。
实施例3
实施例3与实施例1的区别在于进行离子液体栅电压调控，步骤（3）不同，其余工艺完全相同。
步骤（3）：将原料电弧熔炼得到FeRh合金块体制得的熔锭切割成直径为50mm、厚度5mm的靶材进行磁控溅射，首先对MgO衬底进行分阶段保温，先以20℃/min的升温速率升温至200℃，后续分别以15℃/min升温至300℃，以10℃/min升温至400℃，以8℃/min升温至450℃，保温温度为450℃，保温时间为30min，调节溅射工作压强为0.6Pa，工作频率为20W，然后用靶材进行10min预溅射，获取较干净的靶源，薄膜沉积溅射时间为30min，然后对沉积薄膜进行原位退火，退火温度为500℃，退火时间范围为60min，随腔体降温至室温。后续在FeRh层上端被电子束蒸发制备的氧化物栅HfO2薄膜覆盖，分离离子液体和磁相变薄膜，阻止薄膜与离子液体之间的直接化学反应，然后在氧化物栅薄膜顶部的一滴（5μL）1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体作为电解质，并分别施加0V与2V栅电压。
将MgO衬底通过离子液体栅电压调控的FeRh-500℃薄膜进行M-T测试，其测试结果如图5所示，随着栅电压的增加，氧离子在离子液体与磁性薄膜间迁移，使得Fe磁矩改变，改变反铁磁的耦合强度，使得在较弱的热扰动下可以实现反铁磁到铁磁的转变，改变了相变温度，相应电阻值得到调节，可以表现出较好的输运性能和磁电阻效应的可控性，离子在离子液体与相变材料间分布和迁移来模拟突触间的竞争与协作行为。其余测试结果与实施例1相当，在此不再赘述。
实施例4
实施例4与实施例1的区别在于进行电场电压调控，步骤（3）不同，其余工艺完全相同。
步骤（3）：将原料电弧熔炼得到FeRh合金块体制得的熔锭切割成直径为50mm、厚度5mm的靶材进行磁控溅射，首先对PMN-PT衬底进行分阶段保温，先以20℃/min的升温速率升温至200℃，后续分别以15℃/min升温至300℃，以10℃/min升温至400℃，以8℃/min升温至450℃，保温温度为450℃，保温时间为30min，调节溅射工作压强为0.6Pa，工作频率为20W，然后用靶材进行10min预溅射，获取较干净的靶源，薄膜沉积溅射时间为30min，然后对沉积薄膜进行原位退火，退火温度为500℃，退火时间范围为60min，随后续在FeRh层上端镀一层Ta膜，腔体降温至室温。在衬底背部沉积Au底电极，磁相变薄膜上表面做为顶电极；在衬底的厚度方向分别施加0V与400V电场电压；
将PMN-PT衬底的FeRh-500℃薄膜进行R-T测试，其测试结果分别如图6所示，与加0V电场相比，随着电场电压的增加，电场引起的面内压应变增加，伴随着阻值由低到高的转变，与此同时改变了相变温度，有望应用于人工突触的模拟。其余测试结果与实施例1相当，在此不再赘述。
实施例5
实施例5与实施例1的区别在于一级磁相变材料的化学式不同，其化学式为Ni44Mn29Ga21，步骤（1）（3）不同，其余工艺完全相同。
（1）配料：按照化学式中的配比称取高纯度原料Ni、Mn、Ga，配料前需仔细打磨掉所需过渡金属元素表面的氧化层。
以Mn元素为例，配料前还要经过清洗和熔炼以保证原料的纯度，具体步骤如下：1）在烧杯中放入一定量的Mn单质，然后倒入体积比大约1:1水稀释后的稀盐酸溶液使其发生化学反应，反应过程中用玻璃棒快速搅动；2）等看到氧化物消失，Mn表面显现出明亮的金属光泽后迅速倒掉烧杯中反应后的废溶液：3）用去离子水冲洗反应后的金属Mn，冲洗两遍后用工业酒精漂洗两遍；4）把清洗后的Mn放入熔炼炉中熔炼三遍，每次熔炼完后都要小心打磨表面的氧化层，并要认真擦洗铜坩埚；5）用金属钳把熔炼后的Mn铸锭切开，如果断面显示很均匀的金属光泽，看不见明显的氧化物杂质，证明Mn的提纯已完成。
把准备好的各种金属单质按化学配比配料，并混合均匀，对于易挥发的元素，比如说Mn，配料时还要考虑适当增加用量以补偿熔炼过程中的损耗，保证样品成分。
步骤（3）：将原料电弧熔炼得到合金块体制得的熔锭切割成直径为50mm、厚度5mm的靶材进行磁控溅射，首先对MgO衬底上进行分阶段保温，保温温度为450℃，保温时间为30min，调节溅射工作压强为0.6Pa，工作频率为20W，然后用靶材进行15min预溅射，获取较干净的靶源，薄膜沉积溅射时间为30min，然后对沉积薄膜进行原位退火，退火温度为600℃，退火时间范围为60min，腔体降温至室温。
将该Ni-Mn-Ga薄膜进行M-T测试，其测试结果如图7所示，该薄膜表现出较大的磁化强度，与典型的一级相变，暗示其具有良好的电阻性能和磁电阻效应，有望用于模拟人工突触学习记忆行为。其余测试结果与实施例1相当，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (8)
1.一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，其特征在于，通过对一级磁相变材料进行温度调控或电场调控，调节其输运性能和磁电阻效应，模拟人工突触的信息传递功能；电场调控包括离子液体电压调控和铁电衬底的电场调控；
所述一级磁相变材料的制备方法为：
（S.1）按照Fe55-xRh45+x或Ni50-aMn50-bGaa+b化学式计量配比称取原料，电弧熔炼得到Fe55- xRh45+x或Ni50-aMn50-bGaa+b合金熔锭，切割后待用，其中0﹤x≤12，0≤a≤8，15≤b≤25；
（S.2）将衬底进行分阶段保温，保温温度为350~750℃，保温时间为30~60min；所述衬底选自（100）取向的单晶衬底；
（S.3）以步骤（S.1）得到的合金熔锭为靶材，在经过步骤（S.2）处理后的衬底上进行磁控溅射，得一级磁相变材料薄膜；
（S.4）对一级磁相变材料薄膜进行原位退火，随腔体降温至室温，即制得一级磁相变材料；
步骤（S.2）中，所述（100）取向的单晶衬底选自MgO、SrTiO3、LaAlO3和铁电衬底中的一种；所述铁电衬底为0.72PbMg1/3Nb2/3O3-0.28PbTiO3。
2.根据权利要求1所述的一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，其特征在于，离子液体电压调控的方法为：
（1）在一级磁相变材料薄膜上表面覆盖由电子束蒸发制备的氧化物栅薄膜；
（2）在氧化物栅薄膜覆盖层顶部的滴5~10μL离子液体作为电解质；
（3）通过控制外加栅电压调控离子的迁移和分布情况来模拟人工突触间的竞争与协作行为。
3.根据权利要求2所述的一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，其特征在于，
步骤（1）中，所述氧化物栅薄膜的层厚为1.5~3nm；所述氧化物栅薄膜为的GdOx或HfO2；
步骤（2）中，所述离子液体选自羟基基团的离子液体、1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐离子液体、1-丙基（三甲氧基）硅烷-1-甲基哌啶鑰氯化物离子液体、N，N-二乙基1-N-（2-甲氧基乙基1）-N-甲基铵和双（三氟甲基磺基1）-酰亚胺离子液体中的一种；
步骤（3）中，外加栅电压的范围为0~10V。
4.根据权利要求1所述的一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，其特征在于，铁电衬底的电场调控的方法为：
（a）将一级磁相变材料沉积于铁电衬底上，形成一级磁相变材料薄膜，在其表面镀3~5nm的防氧化层；
（b）在铁电衬底背部溅射底电极，将一级磁相变材料薄膜作为顶电极；
（c）在铁电衬底的厚度方向施加0~500V的电场，利用逆压电效应使铁电衬底内产生面内应变，控制磁相变过程中磁矩的翻转，实现输运性能的调控。
5.根据权利要求4所述的一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，其特征在于，
步骤（a）中，所述防氧化层选自钽、铝、钛、银和金中的一种；
步骤（b）中，所述底电极的材料选自钽、铝、钛、银和金中的一种。
6.根据权利要求4所述的一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，其特征在于，步骤（c）中，通过改变电场的方向和大小，在一级磁相变材料薄膜中获得稳定的高/低两种阻态，控制磁相变过程中磁矩的翻转，模拟人工突触的记忆信息传递，热滞现象的产生用于模拟人工突触的学习记忆行为。
7.根据权利要求1所述的一种基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，其特征在于，温度调控方法为：
将一级磁相变材料沉积于衬底上，形成一级磁相变材料薄膜，对一级磁相变材料薄膜进行原位退火，原位退火温度为450~800℃，原位退火时间为30~180min；利用不同原位退火温度引起的衬底与沉积薄膜间的晶格失配，产生不同强度的应变，调节一级磁相变材料薄膜的磁相变、输运性能和磁电阻效应，模拟人工突触的信息传递功能。
8.一种如权利要求1所述的基于一级磁相变材料的电阻效应模拟人工突触的方法，其特征在于，
步骤（S.1）中，电弧熔炼真空度小于3×10-3Pa；
步骤（S.3）中，磁控溅射腔内真空度小于5×10-5Pa；溅射工作压强为0.2~3Pa，工作功率为10~200W，先进行5~20min预溅射，再进行10~120min的后续镀膜溅射；所述一级磁相变材料薄膜的厚度为5nm~200nm；
步骤（S.4）中，退火温度为450~800℃，退火时间为30~180min。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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