一种室温反铁磁记忆器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及非易失性磁性存储器件领域，更具体地说，涉及一种室温反铁磁记忆器件及其制备方法，尤其涉及一种基于氧化物的电场调控的室温反铁磁记忆器件及其制备方法。

背景技术

随着人类已经进入数字化时代，全球数字化信息存储量呈现爆发式增长，大数据、云计算、互联网等信息技术也得到了飞速发展，对信息存储的速度、能耗、密度、稳定等性能提出了更高的要求。至今，超过90%的信息通过磁性记录的方式作为数字化的数据记录在硬盘和数据中心，磁性存储的信息写入过程是由磁头完成的，而磁头常常采用铁磁材料，在小型的导电线圈中通入电流以产生磁场来改变铁磁材料的磁化强度从而实现磁性存储，但是这种铁磁材料的存储器件存在着能耗高、响应速度慢、集成密度低等诸多缺点，因此，寻找和研发一种能耗低、响应速度快、集成密度高的磁性存储器件对信息技术的发展和降低能源消耗具有重要的意义。

发明内容

有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种室温反铁磁记忆器件及其制备方法，技术方案如下：

一种室温反铁磁记忆器件，所述室温反铁磁记忆器件包括：

基底；

位于所述基底一侧的反铁磁氧化物功能层；

其中，所述反铁磁氧化物功能层的材料为反铁磁氧化物材料，所述基底基于外加电场产生压电应力，所述反铁磁氧化物功能层基于所述压电应力改变反铁磁自旋轴的取向，以使得所述反铁磁氧化物功能层中的电阻产生不同的非易失电阻态。

优选的，在上述室温反铁磁记忆器件中，所述反铁磁氧化物功能层中的电阻产生不同的非易失电阻态，包括：高电阻态和低电阻态；

所述高电阻态用于存储二进制数据中的“1”，所述低电阻态用于存储二进制数据中的“0”。

优选的，在上述室温反铁磁记忆器件中，所述基底的材料为铁电氧化物材料。

优选的，在上述室温反铁磁记忆器件中，所述铁电氧化物材料为BaTiO

优选的，在上述室温反铁磁记忆器件中，所述反铁磁氧化物材料为RuO

一种室温反铁磁记忆器件的制备方法，所述制备方法用于制备上述任一项所述的室温反铁磁记忆器件，所述制备方法包括：

提供一基底；

在所述基底的一侧形成反铁磁氧化物功能层；

其中，所述反铁磁氧化物功能层的材料为反铁磁氧化物材料，所述基底基于外加电场产生压电应力，所述反铁磁氧化物功能层基于所述压电应力改变反铁磁自旋轴的取向，以使得所述反铁磁氧化物功能层中的电阻产生不同的非易失电阻态。

优选的，在上述室温反铁磁记忆器件的制备方法中，所述在所述基底的一侧形成反铁磁氧化物功能层，包括：

采用薄膜沉积工艺在所述基底的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层。

优选的，在上述室温反铁磁记忆器件的制备方法中，所述采用薄膜沉积工艺在所述基底的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层，包括：

采用激光脉冲沉积工艺或磁控溅射沉积工艺或电子束蒸镀工艺在所述基底的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层。

优选的，在上述室温反铁磁记忆器件的制备方法中，当采用所述激光脉冲沉积工艺在所述基底的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层时，所述激光脉冲沉积工艺基于激光脉冲沉积系统，所述激光脉冲沉积系统的沉积腔背底的真空度为1.5×10

优选的，在上述室温反铁磁记忆器件的制备方法中，当采用所述激光脉冲沉积工艺在所述基底的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层时，所述激光脉冲沉积工艺的工艺参数包括：

形成所述反铁磁氧化物功能层时的温度为550℃，氧气的气压为10

相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：

本发明提供的一种室温反铁磁记忆器件及其制备方法，所述室温反铁磁记忆器件包括：基底；位于所述基底一侧的反铁磁氧化物功能层；其中，所述反铁磁氧化物功能层的材料为反铁磁氧化物材料，所述基底基于外加电场产生压电应力，所述反铁磁氧化物功能层基于所述压电应力改变反铁磁自旋轴的取向，以使得所述反铁磁氧化物功能层中的电阻产生不同的非易失电阻态。本发明提供的这种室温反铁磁记忆器件中的反铁磁氧化物功能层利用了反铁磁氧化物材料自旋动力学特征频率为THz和对外界磁场不敏感等特点，使得该室温反铁磁记忆器件具有响应速度快、抗强磁场干扰的优点；其次本发明利用外加电场代替磁场或电流施加在所述基底上产生压电应力，所述反铁磁氧化物功能层基于所述压电应力改变反铁磁自旋轴的取向，进而影响反铁磁氧化物材料的各向异性磁电阻效应，从而使得所述反铁磁氧化物功能层中的电阻产生不同的非易失电阻态，基于不同的非易失电阻态可以有效避免焦耳热，实现低能耗信息存储。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件的结构示意图之一；

图2为本发明实施例提供的另一种室温反铁磁记忆器件的结构示意图之二；

图3为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件的制备方法的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件的X射线衍射结果图；

图5为本发明实施例提供的一种基于室温反铁磁记忆器件构成的多膜层结构的交换耦合场测量结果图；

图6为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件在-200V~+200V电压范围内的漏电流和电阻的测量结果图；

图7为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件在-200V~+65V电压范围内的漏电流和电阻的测量结果图；

图8为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件通过不同外加电场激发后撤去外加电场的电阻测量结果图。

具体实施方式

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做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。

基于背景技术记载的内容而言，发明人在本发明的发明创造过程中发现，采用铁磁材料的存储器件存在着能耗高、响应速度慢、集成密度低等诸多缺点，因此本发明实施例提供了一种室温反铁磁记忆器件及其制备方法，可以使得存储器件具有能耗低、响应速度快、集成密度高等优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件，参见图1，图1为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件的结构示意图之一，结合图1，所述室温反铁磁记忆器件包括：基底1；位于所述基底1一侧的反铁磁氧化物功能层2；其中，所述反铁磁氧化物功能层2的材料为反铁磁氧化物材料，所述基底1基于外加电场产生压电应力，所述反铁磁氧化物功能层2基于所述压电应力改变反铁磁自旋轴的取向，以使得所述反铁磁氧化物功能层2中的电阻产生不同的非易失电阻态。

具体地，在本发明实施例中，所述反铁磁氧化物功能层2包括但不限定为反铁磁氧化物材料的薄膜，所述室温反铁磁记忆器件是由基底1和反铁磁氧化物材料的薄膜组成的异质结构，所述室温反铁磁记忆器件可以是一种室温磁电阻达到100%的全反铁磁隧道结器件；另外，如图1所示，所述室温反铁磁记忆器件的结构组成的具体顺序可以是自下而上依次为基底1和反铁磁氧化物功能层2，或如图2所示，图2为本发明实施例提供的另一种室温反铁磁记忆器件的结构示意图之二，所述室温反铁磁记忆器件的结构组成的具体顺序还可以是自下而上依次为反铁磁氧化物功能层2和基底1。

通过上述描述可知，本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件，所述室温反铁磁记忆器件包括：基底1；位于所述基底1一侧的反铁磁氧化物功能层2；其中，所述反铁磁氧化物功能层2的材料为反铁磁氧化物材料，所述基底1基于外加电场产生压电应力，所述反铁磁氧化物功能层2基于所述压电应力改变反铁磁自旋轴的取向，以使得所述反铁磁氧化物功能层2中的电阻产生不同的非易失电阻态。本发明实施例提供的这种室温反铁磁记忆器件中的反铁磁氧化物功能层2利用了反铁磁氧化物材料自旋动力学特征频率为THz和对外界磁场不敏感等特点，使得该室温反铁磁记忆器件具有响应速度快、抗强磁场干扰的优点；其次本发明实施例利用外加电场代替磁场或电流施加在所述基底1上产生压电应力，所述反铁磁氧化物功能层2基于所述压电应力改变反铁磁自旋轴的取向，进而影响反铁磁氧化物材料的各向异性磁电阻效应，从而使得所述反铁磁氧化物功能层2中的电阻产生不同的非易失电阻态，基于不同的非易失电阻态可以有效避免焦耳热，实现低能耗信息存储；另外，本发明实施例提供的这种室温反铁磁记忆器件可以与多种半导体器件、自旋电子器件相结合，从而对具有快速响应、高可靠性、低功耗等优点的信息器件的应用产生推动作用。

可选的，在本发明的另一实施例中，对上述一种室温反铁磁记忆器件的结构进行进一步说明，详细介绍如下：

所述反铁磁氧化物功能层2中的电阻产生不同的非易失电阻态，包括：高电阻态和低电阻态；所述高电阻态用于存储二进制数据中的“1”，所述低电阻态用于存储二进制数据中的“0”。

具体地，在本发明实施例中，利用外加电场代替磁场或电流对反铁磁氧化物功能层2的电阻进行调控，从而实现非易失电阻态的改变，当所述非易失电阻态呈高电阻态时写入“1”，当所述非易失电阻态呈低电阻态时写入“0”，通过改变所述非易失电阻态可以得到不同种二进制数据的组合，从而实现非易失信息存储。

所述基底1的材料为铁电氧化物材料；所述铁电氧化物材料为BaTiO

具体地，在本发明实施例中，所述铁电氧化物材料包括但不限定为BaTiO

所述反铁磁氧化物材料为RuO

具体地，在本发明实施例中，所述反铁磁氧化物材料包括但不限定为RuO

可选的，基于本发明上述实施例，在本发明另一实施例中还提供了一种室温反铁磁记忆器件的制备方法，用于制备上述实施例所述的室温反铁磁记忆器件，本发明实施例以自下而上的顺序依次为基底1和反铁磁氧化物功能层2的室温反铁磁记忆器件为例进行说明，参见图3，图3为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件的制备方法的流程示意图，结合图3，所述制备方法包括：

S100，提供一基底1。

具体地，在该步骤S100中，所述基底1的材料包括但不限定为BaTiO

S200，在所述基底1的一侧形成反铁磁氧化物功能层2；其中，所述反铁磁氧化物功能层2的材料为反铁磁氧化物材料，所述基底1基于外加电场产生压电应力，所述反铁磁氧化物功能层2基于所述压电应力改变反铁磁自旋轴的取向，以使得所述反铁磁氧化物功能层2中的电阻产生不同的非易失电阻态。

具体地，在该步骤S200中，所述反铁磁氧化物功能层2包括但不限定为反铁磁氧化物材料的薄膜，所述反铁磁氧化物材料包括但不限定为RuO

所述在所述基底1的一侧形成反铁磁氧化物功能层2，包括：采用薄膜沉积工艺在所述基底1的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层2；所述采用薄膜沉积工艺在所述基底1的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层2，包括：采用激光脉冲沉积工艺或磁控溅射沉积工艺或电子束蒸镀工艺在所述基底1的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层2。

具体地，在该步骤S200中，包括但不限定为采用激光脉冲沉积工艺或磁控溅射沉积工艺或电子束蒸镀工艺在所述基底1的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层2，在本发明实施例中以采用激光脉冲沉积工艺在所述基底1的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层2为优选实施例进行说明。

当采用所述激光脉冲沉积工艺在所述基底1的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层2时，所述激光脉冲沉积工艺基于激光脉冲沉积系统，所述激光脉冲沉积系统的沉积腔背底的真空度为1.5×10

当采用所述激光脉冲沉积工艺在所述基底1的一侧形成所述反铁磁氧化物功能层2时，所述激光脉冲沉积工艺的工艺参数包括：形成所述反铁磁氧化物功能层2时的温度为550℃，氧气的气压为10

基于上述实施例所述的一种室温反铁磁记忆器件及其制备方法，本发明实施例选用由（100）取向的0.7PbMg

为了证明采用激光脉冲沉积工艺在所述基底1的一侧形成反铁磁氧化物功能层2的高质量和有效性，首先通过单晶X射线衍射仪对上述室温反铁磁记忆器件进行测量，如图4所示，图4为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件的X射线衍射结果图，其中纵坐标表示为X射线衍射的强度，横坐标表示为X射线的入射角度，PMN-PT表示为0.7PbMg

另外，将上述室温反铁磁记忆器件的基底1和反铁磁氧化物功能层2的表面利用超声波引线键合机以标准四线法连线的方式连出4根导线，在所述反铁磁氧化物功能层2背离所述基底1一侧的表面涂覆银胶作为底电极，并利用超声波引线键合机在底电极连出1根导线作为门电压的正极，其中导线的材质是直径为30μm的铝线，连接好导线后在室温下进行门电压调控反铁磁氧化物功能层2中电阻的实验测试；如图6所示，图6为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件在-200V~+200V电压范围内的漏电流和电阻的测量结果图，图6中上半部分表示为漏电流随门电压变化的图像，该图像中的漏电流的两个尖峰可以证明门电压的施加使基底1发生了极化反转，产生了压电应力；图6中下半部分表示为电阻随门电压变化的图像，由于反铁磁氧化物功能层2中的电阻对于门电压非常敏感，电阻随门电压的变化呈现出一个非对称的蝴蝶状的滞回曲线，门电压调控电阻的大小变化最大为0.1%，当门电压变为零时，反铁磁氧化物功能层2中高电阻态和低电阻态仍然存在；之后，采取单极电阻反转的调控方式，使得门电压从-200V~+65V循环变化，这样可以有效避免薄膜裂开，如图7所示，图7为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件在-200V~+65V电压范围内的漏电流和电阻的测量结果图，其测试结果图显示这种单极电阻反转的调控方式可以得到与图6中类似的非易失的高电阻态和低电阻态，从而进一步说明电场调控反铁磁氧化物功能层2中电阻的有效性和可行性。

最后为了检测非易失电阻态的稳定性，对上述室温反铁磁记忆器件施加不同的外加电场激发后撤去外加电场，利用标准四线法进行电阻测量，从而得到所述室温反铁磁记忆器件的结电阻信号；如图8所示，图8为本发明实施例提供的一种室温反铁磁记忆器件通过不同外加电场激发后撤去外加电场的电阻测量结果图，图8为所述室温反铁磁记忆器件在0~154s时间范围内通过不同外加电场激发后撤去外加电场的电阻测量结果图，由图8所示的电阻测量结果图可知，通过不同外加电场激发后再撤去外加电场后的电阻态非常稳定，并且随时间的变化没有发生明显变化，由此可以得出这种室温反铁磁记忆器件可以作为稳定可靠的非易失性存储器件。

以上对本发明所提供的一种室温反铁磁记忆器件及其制备方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。