一種電場(chǎng)調(diào)控的反鐵磁基霍爾器件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電場(chǎng)調(diào)控的反鐵磁基霍爾器件及其制備方法，屬于電子學(xué)器件領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]反鐵磁基自旋電子學(xué)器件由于其在超快和超高密度自旋電子學(xué)器件方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值而逐步發(fā)展成為一個(gè)新的研宄方向，并激起了人們廣泛的研宄興趣。自1957年發(fā)現(xiàn)交換偏置以來(lái)，反鐵磁材料一直作為一種重要的靜態(tài)支撐材料來(lái)釘扎鐵磁層，在自旋閥和隧道結(jié)器件中獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著近幾年反鐵磁材料的功能化，人們開(kāi)始嘗試通過(guò)操控反鐵磁的磁矩來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)，并發(fā)展出了新的器件構(gòu)型如反鐵磁憶阻器和反鐵磁隧道結(jié)等，然而這些器件的應(yīng)用都面臨著高能耗的缺點(diǎn)。目前，通過(guò)電場(chǎng)已經(jīng)可以成功的調(diào)控鐵磁材料的磁性，尤其在新一代的自旋轉(zhuǎn)移扭矩磁隧道結(jié)中，通過(guò)電場(chǎng)輔助磁化翻轉(zhuǎn)可以極大的降低所需的電流密度，實(shí)現(xiàn)了低功耗的器件應(yīng)用。由于反鐵磁材料磁矩反平行排列、凈磁矩為零，對(duì)它的操控非常困難，限制了實(shí)用化進(jìn)程。尤其對(duì)于反鐵磁金屬，因?yàn)槠潆妶?chǎng)屏蔽作用，要實(shí)現(xiàn)電調(diào)控反鐵磁的磁結(jié)構(gòu)一直是個(gè)亟待解決的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種電場(chǎng)調(diào)控的反鐵磁基霍爾器件及其制備方法，本發(fā)明霍爾器件的多層膜結(jié)構(gòu)的界面清晰、平整且附著力好，具有良好的磁化特性，且制備方法簡(jiǎn)單、成本低。
[0004]本發(fā)明提供的電場(chǎng)調(diào)控的反鐵磁基霍爾器件，包括依次沉積在導(dǎo)電基片上的底層、反鐵磁耦合層和頂層，在所述頂層上依次設(shè)有側(cè)電極和門電極；
[0005]所述底層為磁性絕緣體層或無(wú)磁性絕緣體層；所述反鐵磁耦合層為反鐵磁層或反鐵磁層和鐵磁層組成的復(fù)合層；所述頂層為二氧化鉿層、三氧化二鋁層或二氧化硅層；所述側(cè)電極為Ti層和Au層的雙層膜或Ti層和Pt層的雙層膜，在所述頂層上依次是所述Ti層、所述Au層或所述Ti層、所述Pt層；所述門電極為離子液體。
[0006]上述的霍爾器件，所述底層的厚度可為20?lOOnm，具體可為50nm、10nm ；
[0007]所述反鐵磁層的厚度可為3?20nm，具體可為3nm、5nm、6nm、20nm、3?5nm、5?6nm、6?20nm或5?20nm，所述鐵磁層的厚度可為3?20nm，具體可為8、1nm或8?1nm ；
[0008]所述頂層的厚度可為1.5?2nm，具體可為2nm ；
[0009]所述側(cè)電極的Ti層的厚度可為5?30nm，具體可為20nm，Au層的厚度可為60?10nm,具體可為80nm，Pt層的厚度可為60?lOOnm。
[0010]上述的霍爾器件，所述導(dǎo)電基片可為Si (100) /Pt基片、SrRuO3S片或Nb摻雜SrT13 基片。
[0011]上述的霍爾器件，所述Si (100) /Pt基片中Pt的厚度可為80?200nm，具體可為10nm ；
[0012]Nb摻雜SrT13基片中Nb摻雜含量可為0.005?0.05wt%，具體可為0.0Iwt%。
[0013]上述的霍爾器件，所述磁性絕緣體層采用釔鐵石榴石或鐵酸鉍(BiFeO3)材料制成，所述無(wú)磁性絕緣體層采用鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛、鈦酸鋇(BaT13)或鋯鈦酸鉛(PZT)。
[0014]上述的霍爾器件，所述反鐵磁層和所述鐵磁層均采用金屬制成；
[0015]所述反鐵磁層采用的金屬可為IrMn、FeMruMnPt或FeRh ；
[0016]所述鐵磁層可為垂直磁化的[Co/Pt]n多層膜或垂直磁化的[Co/Ni] n多層膜，其中η為3?6的整數(shù)；
[0017]當(dāng)所述鐵磁層可為垂直磁化的[Co/Pt]n多層膜時(shí)，Co層和Pt層周期重復(fù)沉積，各Co層的厚度均可為0.3?0.8nm，具體可為0.6nm，各Pt層的厚度均為0.8?1.5nm，具體可為Inm ；
[0018]當(dāng)所述鐵磁層可為垂直磁化膜采用[Co/Ni]n多層膜時(shí)，Co層和Ni層周期重復(fù)沉積，各Co層的厚度均為0.3?0.8nm，各Ni層的厚度均可為0.8?1.5nm ；
[0019]所述尚子液體由陽(yáng)尚子和陰尚子組成，所述陽(yáng)尚子可為N, N- 二乙基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)陽(yáng)離子或1-乙基-3-甲基咪唑陽(yáng)離子，所述陰離子可為季銨磺酸亞胺陰離子、氟磺酰亞胺陰離子、四氟硼酸陰離子或二氰胺陰離子；具體可為DEME+TFSI_、EMI+TFSI'、EMI+FSI'、EMI+BF4-或 EMI+DCA-，N, N- 二乙基-N-甲基-N-(2-甲基乙酯基)陽(yáng)離子簡(jiǎn)寫(xiě)為DEME+，1-乙基-3-甲基咪唑陽(yáng)離子簡(jiǎn)寫(xiě)為EMI+，季銨磺酸亞胺陰離子簡(jiǎn)寫(xiě)為TFS1-，氟磺酰亞胺陰離子簡(jiǎn)寫(xiě)為FSI_，四氟硼酸陰離子簡(jiǎn)寫(xiě)為BF4_，二氰胺陰離子簡(jiǎn)寫(xiě)為DCA'；
[0020]所述頂層上設(shè)以同一中心點(diǎn)的兩個(gè)十字結(jié)構(gòu)的8個(gè)頂點(diǎn)上的8個(gè)方塊電極，其中2個(gè)為所述側(cè)電極，6個(gè)為測(cè)試電極，使用時(shí)6個(gè)測(cè)試電極用來(lái)接線和測(cè)試，通過(guò)超聲電焊機(jī)接線與外部電表連接，通電流、測(cè)電阻，進(jìn)行霍爾電阻的測(cè)試。
[0021]本發(fā)明中，在所述底層上沉積的所述反鐵磁耦合層有如下結(jié)構(gòu)分布:1)在所述底層上沉積單層所述反鐵磁層；2)在所述底層上依次沉積所述鐵磁層和所述反鐵磁層組成的所述反鐵磁耦合層；3)在所述底層上依次沉積所述反鐵磁層和所述鐵磁層組成的所述反鐵磁親合層。
[0022]本發(fā)明中，所述側(cè)電極為Ti和Au的雙層膜，其中Ti層的厚度可為20nm，Au層的厚度可為80nmo
[0023]本發(fā)明還提供了上述的霍爾器件的制備方法，包括如下步驟:
[0024]I)采用掩膜的方式在所述導(dǎo)電基片上沉積所述底層，并將所述導(dǎo)電基片上留出一條側(cè)邊；
[0025]2)在所述底層上刻蝕出所述霍爾器件的圖形，然后在所述霍爾器件的圖形上依次沉積所述反鐵磁耦合層和所述頂層；
[0026]3)在所述頂層上刻蝕出若干個(gè)方塊電極圖形，在所述方塊電極圖形上依次鍍上Ti層和Au層，即得到所述側(cè)電極；
[0027]4)在所述兩個(gè)十字結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)處滴上所述離子液體作為所述門電極，即得到所述電場(chǎng)調(diào)控的反鐵磁基霍爾器件。
[0028]本發(fā)明中，制備所述門電極過(guò)程具體是在顯微鏡下用探針滴加所述離子液體2?5滴，通過(guò)滴加的位置和滴數(shù)控制形狀大小。
[0029]上述的制備方法，步驟I)中所述導(dǎo)電基片上留出的側(cè)邊的寬度為100?800 μπι ;
[0030]所述刻蝕采用光刻或金屬剝離的方法，所述光刻為紫外曝光或氬離子刻蝕；
[0031]所述方塊電極采用磁控濺射或電子束蒸鍍的方法沉積在所述頂層上。
[0032]上述的制備方法，所述頂層上以同一中心點(diǎn)的兩個(gè)十字結(jié)構(gòu)的8個(gè)頂點(diǎn)上均刻蝕出8個(gè)所述方塊電極圖形，得到8個(gè)所述方塊電極，其中平行于所述側(cè)邊且相對(duì)分布的方塊電極即為所述側(cè)電極。
[0033]上述的制備方法，8個(gè)所述方塊電極呈均勻分布于正方形的邊上；
[0034]所述離子液體覆蓋所述兩個(gè)十字結(jié)構(gòu)的中心點(diǎn)處和部分所述側(cè)電極上。
[0035]本發(fā)明中所述的霍爾器件的制備方法中，步驟2)和3)中紫外曝光之前均涂覆光刻膠；在沉積所述反鐵磁耦合層和所述頂層之后和沉積所述側(cè)電極之后，均用丙酮浸泡，除去光刻膠。
[0036]使用本發(fā)明電場(chǎng)調(diào)控的反鐵磁基霍爾器件的機(jī)理如下:一方面利用離子液體施加門電壓Vei，形成雙電層，從而在金屬的反鐵磁層上產(chǎn)生強(qiáng)的電場(chǎng)效應(yīng)，操控反鐵磁體層部分的自旋彈簧結(jié)構(gòu)及反鐵磁層/鐵磁層界面的自旋結(jié)構(gòu)，通過(guò)測(cè)試霍爾效應(yīng)中交換偏置的改變論證門電壓對(duì)金屬反鐵磁層的調(diào)控，結(jié)果表明，負(fù)電壓可以增強(qiáng)反鐵磁層的磁各向異性，增強(qiáng)交換彈簧的穩(wěn)定性，增加界面未補(bǔ)償自旋的釘扎能力，正電壓會(huì)削弱反鐵磁的磁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；另一方面，通過(guò)施加電壓Ve2極化底層的鐵電材料，將產(chǎn)生的應(yīng)變傳遞給近鄰的反鐵磁層，調(diào)控反鐵磁的自旋結(jié)構(gòu)，并通過(guò)霍爾效應(yīng)和徑向電阻進(jìn)行探測(cè)。其調(diào)控機(jī)理可以通過(guò)采用不同厚度的反鐵磁層得到驗(yàn)證。
[0037]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0038]1、本發(fā)明由于采用磁控濺射或電子束蒸鍍方法，結(jié)合紫外曝光和剝離等微加工工藝，在導(dǎo)電基片上依次沉積底層、反鐵磁耦合層、頂層、電極，得到霍爾器件，因此本發(fā)明的霍爾器件結(jié)構(gòu)和制備方法簡(jiǎn)單、成本低，所制備的多層膜結(jié)構(gòu)的界面清晰