基于阻變效應(yīng)的電調(diào)控交換偏置的研究

發(fā)布時(shí)間：2020-05-08 23:21

【摘要】：自旋電子學(xué)是一門最新發(fā)展起來(lái)的涉及磁學(xué)、電子學(xué)以及信息學(xué)的交叉學(xué)科,其核心內(nèi)容是通過(guò)主動(dòng)調(diào)控固態(tài)系統(tǒng)中電子的自旋自由度,將標(biāo)準(zhǔn)的微電子技術(shù)與自旋相關(guān)效應(yīng)有機(jī)結(jié)合在一起,為研制新一代高性能電子器件提供可實(shí)現(xiàn)的機(jī)會(huì)。值得一提的是,與當(dāng)今已廣泛應(yīng)用的金屬-氧化物-半導(dǎo)體電子器件相比,電壓(或電場(chǎng))調(diào)控的自旋電子器件具有能耗低、處理速度快、集成度高和功能多等優(yōu)勢(shì),近年來(lái)在信息技術(shù)領(lǐng)域引起了人們的普遍關(guān)注。然而在一般材料中磁化強(qiáng)度和電場(chǎng)之間缺乏足夠強(qiáng)的直接耦合作用,因此電調(diào)控自旋電子學(xué)一直未能取得重要進(jìn)展。交換偏置是由于鐵磁-反鐵磁體系界面處存在直接耦合作用而產(chǎn)生的效應(yīng),雖然迄今為止其內(nèi)在機(jī)制尚未被徹底揭示,但是目前該效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于多種磁電子器件,如計(jì)算機(jī)的讀出磁頭和各種磁傳感器等。完全通過(guò)電來(lái)調(diào)控交換偏置可以為電調(diào)控磁提供新的思路,從而為實(shí)現(xiàn)高能效的自旋電子器件提供可能實(shí)現(xiàn)的途徑。盡管在過(guò)去的十年中,人們已經(jīng)嘗試?yán)枚喾N方法在多種材料和器件中研究電調(diào)控交換偏置效應(yīng),但每種方法都存在一定程度的制約,目前在室溫下人們還不能完全實(shí)現(xiàn)可逆、非易失、可重復(fù)的電調(diào)控交換偏置。本論文工作利用磁控濺射的方法生長(zhǎng)多層薄膜器件樣品,基于阻變效應(yīng)(電阻開(kāi)關(guān)效應(yīng))借助于外加電場(chǎng)來(lái)調(diào)控鐵磁和反鐵磁界面的交換耦合作用,具體表現(xiàn)為利用導(dǎo)電細(xì)絲型(體效應(yīng))和類肖特基勢(shì)壘型(界面效應(yīng))兩種阻變效應(yīng)來(lái)調(diào)控交換偏置。本文較為系統(tǒng)地研究了室溫下Pt/Co/NiO/Pt和Pt/FeOx/Co/ITO多層膜器件的電調(diào)控交換偏置,主要研究?jī)?nèi)容如下:1.Pt/C o/NiO/Pt多層膜器件電調(diào)控交換偏置的研究我們提出了一種結(jié)合單極性阻變效應(yīng)的方法,室溫下在Si/SiO2/Pt/Co/NiO/Pt多層薄膜器件中實(shí)現(xiàn)了可逆的、非易失的電控交換偏置。在器件設(shè)計(jì)時(shí)我們選擇制備兩層NiO薄膜,其中NiO(1)是在無(wú)氧的純氬氣中生長(zhǎng),確保在Co-NiO界面建立穩(wěn)定的交換偏置,而NiO(2)在部分通氧的氬氣氛中生長(zhǎng),以增強(qiáng)絕緣性從而確保器件具有穩(wěn)定的阻變效應(yīng)。如果施加適當(dāng)?shù)碾妷?器件處于高阻態(tài)并表現(xiàn)出明顯的交換偏置,其交換偏置場(chǎng)約為20 Oe,而器件處于低阻態(tài)時(shí)交換偏置效應(yīng)明顯減弱甚至消失。通過(guò)非常細(xì)致的微結(jié)構(gòu)表征,我們發(fā)現(xiàn)在NiO層中形成的大量的導(dǎo)電細(xì)絲及它們?cè)贑o-NiO界面附近的形成和斷裂應(yīng)該是導(dǎo)致器件電阻在高、低阻態(tài)間轉(zhuǎn)換和交換偏置效應(yīng)發(fā)生相應(yīng)變化的本質(zhì)原因。與前人研究的電調(diào)控交換偏置器件相比,本器件在許多方面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。首先,由于NiO具有相對(duì)較高的奈爾溫度(≈525 K),因此電調(diào)控的交換偏置可以在室溫或更高的溫度下穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn);其次,NiO是一種教科書式的阻變材料,在金屬/NiO/金屬三明治結(jié)構(gòu)中具有電阻值顯著不同的高、低阻態(tài),開(kāi)關(guān)比能輕易達(dá)到甚至超過(guò)105,從而使器件具有很強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性;第三,構(gòu)成該器件的多層膜可以在室溫下通過(guò)普通的磁控濺射鍍膜技術(shù)手段獲得,并不需要后期的磁場(chǎng)和/或電場(chǎng)冷卻處理;第四,構(gòu)成該器件的多層膜可以直接生長(zhǎng)在硅襯底上,與目前的硅基平面技術(shù)具有良好的兼容性;最后,此器件的電調(diào)控交換偏置在室溫下是可逆的、可重復(fù)的和非易失性的。總之,該工作為設(shè)計(jì)新型非易失磁電隨機(jī)存儲(chǔ)器提供了一個(gè)新的思路。2.Pt/FeOx/Co/ITO多層膜器件電調(diào)控交換偏置的研究以上基于體效應(yīng)機(jī)制的阻變效應(yīng)的電調(diào)控交換偏置是利用導(dǎo)電細(xì)絲通道調(diào)控反鐵磁態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而利用界面勢(shì)壘型阻變效應(yīng)能否調(diào)控交換偏置還不得而知。由于α-Fe2O3既具有很高的奈爾溫度(～955 K),又是一種典型的阻變材料。為此,我們選擇Co/FeOx體系試圖利用阻變效應(yīng)來(lái)調(diào)控器件的交換偏置。我們通過(guò)在不同氧分壓氣氛中沉積FeOx薄膜,并制備Pt/FeOx/Co/ITO多層膜器件。在該類器件中我們觀察到了兩種類型的阻變效應(yīng):一類是導(dǎo)電細(xì)絲型,另一類是界面勢(shì)壘型。在高氧分壓下(Po2:PAr=2:3)沉積的FeOx薄膜器件中,我們觀察到了單極性阻變效應(yīng),但它對(duì)Co/FeOx的交換偏置基本無(wú)調(diào)控作用。在低阻態(tài)下我們通過(guò)非常細(xì)致的TEM進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表征,認(rèn)為這可能由于形成的氧空位導(dǎo)電通道細(xì)絲的數(shù)量較少,不足以引起Co/FeOx界面處反鐵磁結(jié)構(gòu)的變化從而難以調(diào)控交換偏置效應(yīng)。此外,對(duì)于在低氧分壓下(P02:PAr=1:2)沉積的FeOx薄膜器件中,我們觀察到界面勢(shì)壘型的雙極性阻變效應(yīng),器件高低阻態(tài)的開(kāi)關(guān)比可達(dá)103,且在原始態(tài)時(shí)交換偏置場(chǎng)和矯頑力分別約為115 Oe和71 Oe。與原始態(tài)相比,如果施加適當(dāng)?shù)碾妷?在高阻態(tài)下器件表現(xiàn)出矯頑力有明顯的增強(qiáng)效應(yīng),其變化量可高達(dá)70.4%,但交換偏置場(chǎng)基本不變;如果施加電壓將器件設(shè)置成低阻態(tài),器件的矯頑力和交換偏置場(chǎng)均無(wú)明顯變化。我們初步認(rèn)為在不同電壓下該類器件中氧空位的遷移改變了界面類肖特基勢(shì)壘的高度,從而引起高、低阻態(tài)阻值相差顯著的雙極性阻變效應(yīng);與阻態(tài)相對(duì)應(yīng)的界面交換耦合效應(yīng)的變化則是由于氧空位的遷移導(dǎo)致Co/FeOx界面處反鐵磁結(jié)構(gòu)的變化而引起的。該類現(xiàn)象的物理機(jī)制目前還不能被完全理解,需要借助更精細(xì)的結(jié)構(gòu)表征和理論模擬計(jì)算等手段進(jìn)一步研究。
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