DE102006040277A1 - Piezoelektrisches Bauelement mit magnetischer Schicht - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft ein piezoelektrisches Bauelement mit magnetischer Schicht, welches beispielsweise als Widerstandsbauelement, als Schalt- oder Regel- oder Speicherelement oder als Sensor eingesetzt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein piezoelektrisches Bauelement mit magnetischer Schicht anzugeben, mit welchem die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der darauf befindlichen Dünnschicht(en) durch mechanische Dehnung modifiziert werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein piezoelektrisches Bauelement mit magnetischer Schicht, welches aus der piezoelektrischen Verbindung (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,2 bis 0,5 oder der piezoelektrischen Verbindung (1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-(y)PbTiO3 mit y = 0 bis 0,2 als Substrat mit mindestens einer darauf aufgebrachten magnetischen Dünnschicht besteht.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft ein piezoelektrisches Bauelement mit magnetischer Schicht, welches beispielsweise als Widerstandsbauelement, als Schalt- oder Regel- oder Speicherelement oder als Sensor eingesetzt werden kann.
  • Es ist bekannt, dass das Einbringen von biaxialen Spannungen in das Kristallgitter von Seltenerdmanganat-Schichten zu einer Änderung ihrer elektrischen Transporteigenschaften und ihrer magnetischen Eigenschaften [A. J. Millis, T. Darling and A. Migliori, J. Appl. Phys. 83 1588 (1998)] führt.
  • Es sind weiterhin bereits Bauelemente bekannt, bei denen der inverse piezoelektrische Effekt einer dünnen Pb(Zr,Ti)O3-Schicht dazu genutzt wird, mechanische Spannungen in eine Seltenerdmanganat-Schicht einzubringen. Hierbei wurde La0,82Sr0,18MnO3 und Pb(Zr,Ti)O3 nacheinander epitaktisch auf ein SrTiO3-Substrat abgeschieden [H. Tabata and T. Kawai, IEICE Trans. Electron., E80-C 918 (1997)]. In diesen Bauelementen konnte der elektrische Widerstand des Manganatkanals (typische Dicke 10 nm) über die an der piezoelektrischen Schicht (typische Dicke 500 nm) angelegte Spannung eingestellt werden. Der Nachteil dieser Ausführung ist die Klemmung der mechanisch zu deformierenden Schichten an das vergleichsweise dicke und steife Substrat (typische Dicke 500 μm), welche das effektive Einbringen großer mechanischer Spannungen in die dünnen Manganatschichten verhindert.
  • Dieses Problem lösen Bauelemente, bei denen der mechanisch aktive Teil mit dem Substrat identisch ist und auf dem nur noch die zu deformierende Schicht aufgebracht wird.
  • So wurden dünne Seltenerdmanganatschichten (La0,5Sr0,5MnO3 bei [D. Dale, A. Fleet, J. D. Brock and Y. Suzuki, Appl. Phys. Lett. 82 3725 (2003)] und La0,67Sr0,33MnO3, SrRuO3 bei [M. K. Lee, T. K. Nath, C. B. Eom, M. C. Smoak and F. Tsui, Appl. Phys. Lett. 77 3547 (2000)]) direkt auf einem ferroelektrischen Einkristallsubstrat (BaTiO3) aufgebracht. Durch Temperaturänderung hervorgerufene Phasenübergänge und damit veränderte Gitterparameter des Substrats änderten den elektrischen Widerstand, die Magnetisierung und den Magnetowiderstand der Seltenerdmanganatschichten. Dale et al. nutzen auch den inversen piezoelektrischen Effekt des Substrates, um den elektrischen Widerstand der Seltenerdmanganat-Schicht zu beeinflussen. Nachteile dieser Ausführung sind die vergleichsweise kleinen erreichbaren mechanischen Dehnungen des Substratmaterials, zeitabhängiges Kriechen des Zustands und die Einstellung der Gitterdeformation über die Temperatur. Außerdem ist die Deformierung über die temperaturabhängigen strukturellen Phasenübergänge nur in diskreten Schritten möglich und nicht stufenlos einstellbar.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoelektrisches Bauelement mit magnetischer Schicht anzugeben, mit welchem die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der darauf befindlichen Dünnschicht(en) durch mechanische Dehnung modifiziert werden können.
  • Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße piezoelektrische Bauelement mit magnetischer Schicht besteht aus einer piezoelektrischen Verbindung (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,2 bis 0,5 oder einer piezoelektrischen Verbindung (1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-(y)PbTiO3 mit y = 0 bis 0,2 als Substrat mit mindestens einer darauf aufgebrachten magnetischen Dünnschicht.
  • Von Vorteil ist es, wenn die Verbindungen ein Einkristall sind oder ein polykristallines Gefüge aufweisen.
  • Vorteilhafterweise ist die Verbindung (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,25 bis 0,29 ein Einkristall, noch vorteilhafterweise x = 0,28, oder die Verbindung (1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-(y)PbTiO3 mit y = 0,04 bis 0,07 ist ein Einkristall.
  • Weiterhin vorteilhafterweise ist die magnetische Dünnschicht eine ferromagnetische Seltenerdmanganat-Dünnschicht, noch vorteilhafterweise aus einem Material der allgemeinen Formel R1-xAxMnO3+d, worin R für La, ein Seltenerdelement, Y oder eine Mischung aus mehreren dieser Elemente steht, A für Sr, Ca, Ba, Pb, Ce oder ein nicht dreiwertiges Metall steht und d = –0,1 bis 0,05 beträgt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die ferromagnetische Seltenerdmanganat-Dünnschicht aus La0,7Sr0,3MnO3 oder La0,8Sr0,2MnO3 besteht.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn mehrere magnetische Dünnschichten übereinander vorhanden sind, wobei über einer magnetischen Dünnschicht eine magnetische Dünnschicht mit einer anderen Zusammensetzung vorhanden ist, und/oder zwei oder mehr unterschiedliche magnetische Dünnschichten abwechselnd übereinander vorhanden sind, und/oder die magnetischen Dünnschichten durch eine Isolatorschicht getrennt sind. Dabei sind vorteilhafterweise mindestens die magnetischen Dünnschichten epitaktisch. Ebenfalls vorteilhafterweise sind die Isolatorschichten epitaktisch.
  • Unter dem Begriff „epitaktisch" ist im Rahmen der Erfindung ein geordnetes Kristallwachstum mit fester Beziehung zwischen den Kristallorientierungen von Schicht und Substrat zu verstehen.
  • Dies tritt in der Regel auf, wenn die Gitterkonstanten von Schicht und Substrat innerhalb eines Toleranzbereiches übereinstimmen oder in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen und wenn außerdem ein hinsichtlich der Wachstumstemperatur, der Wachstumsrate und weiterer Parameter ausgewähltes Herstellungsverfahren für die Schicht angewendet wird.
  • Auch von Vorteil ist es, wenn zwischen Substrat und magnetischer Dünnschicht eine Zwischenschicht vorhanden ist, wobei vorteilhafterweise die Zwischenschicht eine leitfähige Schicht oder eine Pufferschicht ist und die Zwischenschicht epitaktisch ist.
  • Von Vorteil ist auch, wenn die magnetische Dünnschicht das Substrat nur teilweise bedeckt.
  • Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die magnetische Dünnschicht eine Dicke von 3 nm bis 50 nm aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Bauelement besteht aus der Verbindung Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PMN-PT) oder Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3 (PZN-PT), auf dem eine magnetische, vorteilhafterweise eine ferromagnetische Seltenerdmanganat-Dünnschicht, abgeschieden ist. Dabei können die Verbindungen PMN-PT oder PZN-PT als Einkristall vorliegen oder ein polykristallines Gefüge aufweisen. Die piezoelektrischen Einkristalle zeigen ultragroße Dehnungswerte von bis zu 1.7 % [S.E. Park and T. R. Shrout, J. Appl. Phys. 82 1804 (1997)] und sind daher besonders zweckmäßig. Die magnetische Dünnschicht ist vorteilhafterweise epitaktisch aufgewachsen. Die magnetische Dünnschicht ist mit Kontakten zur Zuführung eines Konstantstromes sowie Spannungsabgriffanschlüssen versehen. Des Weiteren ist auf der der magnetischen Dünnschicht abgewandten Seite des piezoelektrischen Substrates eine Elektrodenschicht aufgebracht. Somit kann über einen weiteren Kontakt auf der magnetischen Dünnschicht und über einen Kontakt auf der Elektrodenschicht eine Spannung und damit ein elektrisches Feld an das piezoelektrische Substrat angelegt werden.
  • In vorteilhafter Weise besteht das piezoelektrische Substrat aus einem Material der Formel (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,2 bis 0,5 oder (1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-(y)PbTiO3 mit y = 0 bis 0,2. Ein bevorzugter Werkstoff innerhalb dieser Bereiche ist (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,25 bis 0,29, noch vorteilhafterweise mit x = 0,28, und/oder (1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-(y)PbTiO3 mit y = 0,04 bis 0,07.
  • Durch das Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Substrat ändert dieses durch den inversen piezoelektrischen Effekt seine Gitterkonstante. In der Regel dehnt sich das Substrat parallel zur Richtung des elektrischen Feldes aus und schrumpft in den Richtungen senkrecht dazu. Durch die Variation der angelegten piezoelektrischen Spannung kann die Größe der Deformation stufenlos und reversibel eingestellt werden. Dabei kann ein hysteretisches Verhalten auftreten.
  • In dem erfindungsgemäßen Bauelement ist auf dem piezoelektrischen Einkristallsubstrat eine dünne magnetische Schicht vorhanden. Diese wird ebenso wie das Kristallgitter des Einkristallsubstrates deformiert. Durch die dadurch erzeugte biaxiale Kristallgitterverzerrung ändern sich der elektrische Widerstand, die Größe der Magnetisierung und die ferromagnetische Ordnungstemperatur der Schicht. Diese Größen können durch die kontinuierlich einstellbare Gitterverzerrung des piezoelektrischen Substrates daher im Gegensatz zu den bekannten Bauelementen stufenlos und in weiten Bereichen eingestellt werden.
  • In vorteilhafter Weise ist die magnetische und insbesondere die Seltenerdmanganat-Dünnschicht epitaktisch auf dem piezoelektrischen Substrat aufgewachsen.
  • Die konkrete Dicke der magnetischen Dünnschicht ist bei der praktischen Umsetzung von dem für die Schicht verwendeten Werkstoff und von der angestrebten Anwendung abhängig. Dabei ist davon auszugehen, dass sich mit einer Dicke der magnetischen Dünnschicht im Bereich von 3 nm bis 50 nm besonders günstige Eigenschaftsänderungen erzielen lassen und dass die Eigenschaftsänderungen mit abnehmender Dicke der Dünnschicht größer werden.
  • In vorteilhafter Weise besteht die magnetische Dünnschicht aus einem Material der allgemeinen Formel R1-xAxMnO3+d, worin R für La, ein Seltenerdelement, Y, Bi oder einer Mischung aus mehreren dieser Elemente steht, A ein nicht dreiwertiges Metall wie z.B. Sr, Ca, Ba, Pb oder Ce ist und d = –0,1 bis 0,05 beträgt. Bevorzugte Werkstoffe sind darin La0,7Sr0,3MnO3 oder La0,8Sr0,2MnO3.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement ist auch festgestellt worden, dass sich auch das Verhalten des Widerstandes der magnetischen Dünnschicht im Magnetfeld, der Magnetowiderstand, mit angelegter piezoelektrischer Spannung ändert.
  • Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird der inverse piezoelektrische Effekt eines Einkristalls oder eines polykristallinen Gefüges aus den erfindungsgemäßen Verbindungen dazu genutzt, das Kristallgitter einer darauf vorhandenen magnetischen Dünnschicht, vorteilhafterweise einer epitaktisch aufgewachsenen ferromagnetischen Seltenerdmanganat-Dünnschicht, zu deformieren. Dadurch lassen sich elektrischer Widerstand und magnetische Eigenschaften der magnetischen Dünnschicht beeinflussen. Das erfindungsgemäße Bauelement ist dadurch insbesondere zum Regeln eines elektrischen Stromes, zum Schalten einer Magnetisierung und als Sensor verwendbar. Ebenso ist die Verwendung als Speicherelement möglich.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es möglich, stufenlos steuerbar große biaxiale Zug- oder Druckspannungen in eine magnetische Dünnschicht einzubringen. Dadurch wird das Kristallgitter der magnetischen Dünnschicht deformiert, wodurch sich die elektrischen und magnetischen Eigenschaften der magnetischen Dünnschicht ändern. Zur weiteren Verbesserung dieser Eigenschaftsänderungen wird eine epitaktisch gewachsene magnetische Dünnschicht eingesetzt. Dann ist das Bauelement zum Regeln elektrischer Ströme, zum Schalten von Magnetisierungen und als Sensor verwendbar.
    •
  • Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Dabei zeigt:
  • 1: das erfindungsgemäße Bauelement in schematischer Darstellungsweise.
  • Beispiel 1
  • Bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen Bauelement ist auf einem 400 μm dicken einkristallinen piezoelektrischen Substrat 1 aus (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,28 eine Seltenerdmanganat-Schicht 2 epitaktisch aufgewachsen. Die Seltenerdmanganatschicht 2 besteht aus La0,7Sr0,3MnO3 und weist eine Dicke von 30 nm auf. Sie ist unter Verwendung eines stöchiometrischen Targets mittels gepulster Laserdeposition in einer Atmosphäre mit 45 Pa Sauerstoff hergestellt worden. Die untere Elektrodenschicht 3 besteht aus NiCr/Au. Die Seltenerdmanganatschicht 2 ist mit jeweils zwei Strom- und Spannungsanschlüssen 4 und 5 kontaktiert. Die Seltenerdmanganatschicht 2 und die untere Elektrodenschicht 3 sind mittels der Anschlüsse 6 kontaktiert.
  • Beim Anlegen eines elektrischen Feldes an das piezoelektrische Substrat 1 mittels einer elektrischen Spannung 6 ändert sich der Widerstand der Seltenerdmanganatschicht 2. Die Widerstandswerte wurden dabei aus den an den Spannungsabgriffanschlüssen 5 gemessenen Spannungswerten bei einem über die Stromabgriffanschlüsse 4 fließenden konstanten Strom ermittelt. Der Widerstandswert von R = 227 Ω verringert sich bei dem Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Substrat 1 von 500 V um 9 %. Der Rückgang des Widerstandes R ist näherungsweise proportional zur angelegten Spannung 6. Die Widerstandsänderung ist reversibel und ergibt sich auch beim Anlegen einer Spannung 6 mit umgekehrtem Vorzeichen. Bei niedrigen Spannungen ist ein hysteretisches Verhalten erkennbar.
  • Außerdem ändert sich die Magnetisierung der Seltenerdmanganatschicht 2 beim Anlegen einer Spannung 6. Bei einer Messtemperatur von T = 330 K und in einem Magnetfeld von μ0H = 0,01 T steigt die Magnetisierung M = 4,3 × 10–14 V s m (M = 3,4 × 10–5 emu) bei einer an das piezoelektrische Substrat 1 angelegten Spannung 6 von 400 V um etwa 20 % an. Die Zunahme ist annähernd proportional zur Spannung 6, sie ist reversibel und ergibt sich auch beim Anlegen einer Spannung 6 mit umgekehrtem Vorzeichen. Bei niedrigen Spannungen ist ein hysteretisches Verhalten erkennbar.
  • Auch die ferromagnetische Ordnungstemperatur TC der Seltenerdmanganatschicht 2 ändert sich beim Anlegen einer Spannung 6. In einem Magnetfeld von μ0H = 0,3 T steigt die Ordnungstemperatur von 341 K bei 0 V auf 348 K bei einer Spannung 6 von 400 V an. Auch dieses Verhalten ist reversibel, bei umgekehrtem Vorzeichen der Spannung 6 steigt die Ordnungstemperatur auch an und auch hier ist bei niedrigen Spannungen ein hysteretisches Verhalten erkennbar.
    • 1
    piezoelektrisches Substrat
    2
    magnetische Schicht
    3
    Elektrode
    4
    Stromabgriffanschlüsse
    5
    Spannungsabgriffanschlüsse
    6
    Spannung

Claims (18)

  1. Piezoelektrisches Bauelement mit magnetischer Schicht, bestehend aus der piezoelektrischen Verbindung (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,2 bis 0,5 oder der piezoelektrischen Verbindung (1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-(y)PbTiO3 mit y = 0 bis 0,2 als Substrat mit mindestens einer darauf aufgebrachten magnetischen Dünnschicht.
  2. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Verbindungen ein Einkristall sind oder ein polykristallines Gefüge aufweisen.
  3. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die Verbindung (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,25 bis 0,29 ein Einkristall ist oder bei dem die Verbindung (1-y)Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-(y)PbTiO3 mit y = 0,04 bis 0,07 ein Einkristall ist.
  4. Bauelement nach Anspruch 3, bei dem die Verbindung (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-(x)PbTiO3 mit x = 0,28 ist.
  5. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die magnetische Dünnschicht eine ferromagnetische Seltenerdmanganat-Dünnschicht ist.
  6. Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die ferromagnetische Seltenerdmanganat-Dünnschicht aus einem Material der allgemeinen Formel R1-xAxMnO3+d besteht, worin R für La, ein Seltenerdelement, Y oder eine Mischung aus mehreren dieser Elemente steht, A für Sr, Ca, Ba, Pb, Ce oder ein nicht dreiwertiges Metall steht und d = –0,1 bis 0,05 beträgt.
  7. Bauelement nach Anspruch 6, bei dem die ferromagnetische Seltenerdmanganat-Dünnschicht aus La0,7Sr0,3MnO3 oder La0,8Sr0,2MnO3 besteht.
  8. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem mehrere magnetische Dünnschichten übereinander vorhanden sind.
  9. Bauelement nach Anspruch 8, bei dem über einer magnetischen Dünnschicht eine magnetische Dünnschicht mit einer anderen Zusammensetzung vorhanden ist.
  10. Bauelement nach Anspruch 8, bei dem zwei oder mehr unterschiedliche magnetische Dünnschichten abwechselnd übereinander vorhanden sind.
  11. Bauelement nach Anspruch 8, bei dem die magnetischen Dünnschichten durch eine Isolatorschicht getrennt sind.
  12. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die magnetischen Dünnschichten epitaktisch sind.
  13. Bauelement nach Anspruch 11, bei dem die Isolatorschichten epitaktisch sind.
  14. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem zwischen dem Substrat und der magnetischen Dünnschicht eine Zwischenschicht vorhanden ist.
  15. Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die Zwischenschicht eine leitfähige Schicht oder eine Pufferschicht ist.
  16. Bauelement nach Anspruch 14, bei dem die Zwischenschicht epitaktisch ist.
  17. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die magnetische Dünnschicht das Substrat nur teilweise bedeckt.
  18. Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die magnetische Dünnschicht eine Dicke von 3 nm bis 50 nm aufweist.
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