一种可实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法

摘要

本发明提出了一种多铁异质结及基于该多铁异质结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法，属于电子材料技术领域。本发明多铁异质结采用廉价的含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷作为压电基片，在其一面涂覆银胶作为电极，另一面抛光后镀或者粘接具有磁致伸缩特性的磁性薄膜，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过对多晶PZT陶瓷基片进行受主掺杂后，再经过极化和老化处理后得到的。通过对该多铁异质结施加特定的电压脉冲，在去掉外加电压后，可在磁性薄膜中产生三种非易失性的转变状态，达到了稳定的非易失性磁矩调控效果。该调控方法操作简便，易实现，调控效果良好，在非易失性电场脉冲调制磁性器件领域有广泛的应用空间。

说明书

技术领域

本发明属于电子材料技术领域，具体涉及一种多铁异质结及基于该多铁异质 结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法。

背景技术

调控磁性薄膜中磁矩的取向，进而改变相应磁性器件的性能具有十分重要的 研究和技术应用价值。传统调节磁性材料中磁矩取向的方法是施加一个外加磁场 来使磁矩转向，但外加磁场需要采用电磁铁来实现，不仅体积大、质量重，而且 需要通电流来产生磁场，能耗较高。

近年来，多铁异质结的出现，实现了电压对磁性薄膜磁矩的电压调控。多铁 异质结是在具有压电效应的单晶PMN-PT/PZN-PT基片或多晶的PZT基片上， 通过镀膜或粘接的方式附上磁性薄膜材料得到。多铁异质结对磁性薄膜的磁矩取 向的调制主要是利用压电基片的逆压电效应(给压电基片施加电压，会在基片面 内产生应变和应力)和磁性薄膜的逆磁致伸缩效应(当磁性薄膜受到应力的作用 时，会产生一个应力各向异性能，该能量会使得磁性薄膜中的磁矩偏向应力各向 异性能所决定的易磁化方向)。多铁异质结对磁性薄膜磁矩取向的调控只需施加 电压，能耗较低；其体积和质量也较小，便于实现小型化和集成化电压调控的磁 性器件。基于多铁异质结的上述优势，近年来，国内外很多学者和研究机构都对 多铁异质结展开了深入的研究，研究发现，多铁异质结对磁矩进行调制时，当外 加电压去掉后，压电基片中的应变趋于零，对磁矩取向的调制也随之消失，因此 是一种挥发性(又称易失性)的调控方法。为了实现非易失性的磁矩调控，即去 掉外加电压后，仍然能保持对磁矩的调控效果，国内外的学者近年来开展了大量 研究。目前，主要有两种方式可实现磁矩取向的非易失性调控：一是Ming liu (Voltage-impulse-induced non-valatile ferroelastic switching of ferromagnetic  resonance for reconfigurable magnetoelectric microwave devices,Advanced Materials, 2013,25,4886)等人报道的在单晶的PMN-PT或PZN-PT基片上施加某一特定的 电压脉冲，可以在这两种单晶体中产生可逆的两种晶型结构的转变，进而产生了 非易失的形变，该非易失的形变就可实现单晶基片上磁性薄膜磁矩的非易失性调 控。然而，这种调控方式只能产生两种不同状态的非易失性转变；同时，单晶的 PMN-PT或PZN-PT基片价格非常昂贵，不利于该非易失性电压调控磁矩技术的 推广使用。二是T.X.Nan(Voltage impulse induced bistable magnetization switching  in multiferroic heterostructures,Applied Physics Letter,2012,100,132409)等人报道 的一种磁矩取向的非易失性调控方式，研究发现当施加在多晶PZT陶瓷基片上 的电压不超过其矫顽电场时，会出现一个类似电滞回线的应变回线，该应变回线 在外加电场去掉后会出现两种不同状态的残余应变，该两种不同状态的残余应变 会使PZT上镀的磁性薄膜产生两种不同的磁矩调控效果，从而实现两种非易失 性存储效果。而当施加的电压超过PZT基片的矫顽电场后，PZT基片则呈现出 典型的应变“蝴蝶”曲线，非易失性则会消失。上述调控方式一方面只能实现两 种不同状态的非易失性转变；另一方面当外加电场低于PZT陶瓷的矫顽电场时， PZT产生的应变较小，退掉外电场后残余的应变就更小，因此两种残余应变状态 的差异并不是太大，影响了对多铁异质结中磁性薄膜磁矩的调控效果。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种多铁异质结及基于该多铁异质 结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法，所述多铁异质结采用廉价的具有 缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷作为压电基片，在其一面涂覆银胶作为电极，另一 面抛光后镀或者粘接具有磁致伸缩特性的磁性薄膜；通过对所述多铁异质结施加 特定的电压脉冲，在去掉外加电压后，可在磁性薄膜中产生三种非易失性的磁矩 转变状态，达到了稳定的非易失性磁矩调控的效果。该调控方法操作简便，易实 现，调控效果良好，在非易失性电场脉冲调制磁性器件领域有广泛的应用空间。

本发明的技术方案如下：

一种多铁异质结，包括多晶PZT陶瓷基片，所述多晶PZT陶瓷基片的一面 涂覆导电银胶并固化后作为电极，另一面抛光后镀或者粘接具有磁致伸缩特性的 磁性薄膜，其特征在于，所述多晶PZT陶瓷基片为含有缺陷偶极子的多晶PZT 陶瓷基片，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过对多晶PZT陶瓷基 片进行受主掺杂后，再经过极化和老化处理得到。

进一步地，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片是通过在制备PZT陶 瓷过程中进行受主掺杂，在陶瓷内部产生氧空位，氧空位与掺杂离子形成缺陷偶 极子，然后经过极化和老化处理得到的。

具体地，当所述具有磁致伸缩特性的磁性薄膜具有导电性时，可采用溅射、 蒸镀等方法直接将磁性薄膜沉积于含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片抛 光后的一面上，当施加电压脉冲时，所述导电的磁性薄膜和银胶分别为两个电极。

具体地，当所述具有磁致伸缩特性的磁性薄膜不导电或者采用粘接的方式制 备异质结时，其具体过程为：首先在含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片 抛光后的一面上先镀一层厚度为20nm～500nm的金属电极作为上电极，然后在金 属电极上直接沉积磁性薄膜，或者粘接磁性薄膜，所述粘接的磁性薄膜是用胶水 将沉积有磁性薄膜的基片的磁性薄膜一面粘接于金属电极表面，所述磁性薄膜不 能完全覆盖所述金属电极，以便于施加电压脉冲，当施加电压脉冲时，金属电极 和银胶为多铁异质结的两个电极。

进一步地，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片的厚度为 0.25mm～1mm。

进一步地，所述导电银胶为市售的低温固化银胶，要求固化后有良好的导电 性和粘结性，可实现常温固化或100℃以下的低温固化，以防止在高温固化银胶 时影响基片的极化效果。

一种基于上述多铁异质结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法，其特 征在于，所述含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的矫顽电场为Ec，当在所述 多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的正向电压(当外加电压与PZT极 化方向一致时，为正向电压)，持续10秒钟以上，去掉外加电压，此时多铁异质 结得到一种状态；当在所述多铁异质结的两电极间施加大于或等于2Ec的反向电 压(当外加电压与PZT极化方向相反时，为反向电压)，持续10秒钟以上，去 掉外加电压，此时多铁异质结得到另一种状态；当在所述多铁异质结的两电极间 先施加大于或等于2Ec的反向电压，持续10秒钟以上，去掉外加电压，然后再 施加90％～95％Ec的正向电压，持续10秒钟以上，去掉外加电压，此时多铁异 质结得到第三种状态。这样，含有缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片中会产 生三种不同的残余应变状态，通过逆磁致伸缩效应，可对其上沉积或粘接的磁性 薄膜的磁矩产生三种不同的磁矩调控效果。

进一步地，基于上述多铁异质结得到的磁性器件，如滤波器、移相器等也会 由于磁性薄膜的磁矩产生非易失性的电压脉冲调控，对相应磁性器件的性能起到 非易失性调控的效果。

需要说明的是：

1)基于多铁异质结实现磁性薄膜磁矩非易失性取向的调制方法具体为：在 多铁异质结的两电极间施加正的2Ec以上的电压(当外加电压与PZT极化方向 一致时，为正向电压)并持续10秒以上，再退到零，即得到多铁异质结的A状 态；在多铁异质结的两电极间施加负的2Ec(当外加电压与PZT极化方向相反时， 为反向电压)以上的电压并持续10秒以上，再退到零，即得到多铁异质结的B 状态；在多铁异质结的两电极间先施加负的2Ec以上的电压并持续10秒以上， 并退到零，然后再施加一个90％～95％Ec的正向电压，持续10秒以上后，再退 回到零，得到多铁异质结的C状态。多铁异质结的A、B、C三种状态会使含有 缺陷偶极子的多晶PZT压电陶瓷基片中产生三种不同的残余应变状态，通过逆 磁致伸缩效应，可对其上沉积或粘接的磁性薄膜的磁矩产生三种不同的磁矩调控 效果。

2)所述多铁异质结中的磁性薄膜最好具有尽量大的磁致伸缩系数，这样得 到的应变对磁矩的调控效果更好。

3)由于多晶PZT陶瓷基片面内的压电系数d31＝d32＜0，d33＞0，因此如果 是调控异质结面内的磁矩(X和Y方向)取向，则基片X和Y方向的尺寸不一 样，最好能有3倍以上的差异，以防止在X和Y方向应变对磁矩的调控效果相 互抵消。如果是调控异质结面外的磁矩(Z方向)取向，则勿需限制基片X和Y 方向的尺寸。

4)多晶PZT陶瓷基片中缺陷偶极子数量越多，残余应变越大，对磁矩的非 易失调控效果更好。但引入缺陷过多，会使多晶PZT陶瓷基片整体的压电性能 降低，矫顽电场和损耗增大，因此引入的缺陷偶极子的数量应酌情优化。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过施加三种不同的电压脉冲在多铁异质结中产生了三种不同状 态的非易失磁矩调控效果，且三种状态的差异性非常明显，进而可有效地非易失 性调控基于磁性膜层所加工的各种磁性器件的性能。

2、本发明多铁异质结中采用多晶PZT陶瓷基片作为压电基片，成本低廉； 且多铁异质结的结构简单、体积小、重量轻，能有效适应可调磁性器件小型化和 集成化发展的需求。

附图说明

图1为本发明提出的多铁异质结的结构示意图。其中(a)是将磁性薄膜直 接沉积到PZT基片上得到的多铁异质结的结构；(b)是先将磁性薄膜沉积到其 它基片上，然后再通过树脂胶粘接在沉积有金属电极(上电极)的PZT基片上 得到的多铁异质结的结构。

图2为本发明提供的多铁异质结中多晶PZT陶瓷基片产生的应变“蝴蝶曲 线”，其中，电压正负循环两次。

图3为常规多铁异质结中PZT陶瓷基片产生的“蝴蝶曲线”。

图4为本发明的三种残余应变状态产生的示意图。

图5为本发明所述多铁异质结在三种非易失的残余应变状态下，对磁性薄膜 磁滞回线的调控效果。

具体实施方式

一种可实现三态非易失性磁矩调控的多铁异质结，由含有缺陷偶极子的多晶 PZT陶瓷基片，FeSiBC磁性薄膜以及银胶构成。所述含有缺陷偶极子的多晶PZT 陶瓷基片是通过在制备PZT陶瓷过程中进行受主掺杂，在陶瓷内部产生氧空位， 氧空位与掺杂离子形成缺陷偶极子，然后经过极化和老化处理得到的。

上述多铁异质结的制备方法及基于该多铁异质结实现磁性薄膜磁矩非易失 性取向的调制方法如下：

步骤1：含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片采用从上海硅酸盐研究所定制 的压电陶瓷，其矫顽电场约为4kV/cm，所述陶瓷基片经抛光切割后外形尺寸为 10mm×2mm×0.5mm，用丙酮清洗后备用；

步骤2：在步骤1所述的含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的一面涂覆导 电银胶，然后置于烘箱中80℃保温90min固化银胶，作为多铁异质结的一个电 极，所述导电银胶采用购自尤特新材料公司的TY01-80Y型低温固化银胶，所述 导电银胶涂覆的厚度约为20μm；

步骤3：采用丙酮清洗上步得到的涂覆有银胶的含有缺陷偶极子的多晶PZT 陶瓷基片，将含有缺陷偶极子的多晶PZT陶瓷基片的另一面抛光，并采用定制 的合金靶通过磁控溅射法沉积一层FeSiBC磁性薄膜，作为多铁异质结的另一个 电极，所述FeSiBC磁性薄膜的厚度约为100nm，磁致伸缩系数约为30ppm，即 得到所述多铁异质结；

步骤4：在上步得到的多铁异质结的两个电极间加+12kV/cm(当外加电压与 PZT极化方向一致时，为正向电压)的电压，持续20秒后退到零，得到A状态， 可测得在A状态时PZT基片上仍保留有约-410ppm的残余应变，如图2和图4 中的A点；然后，在上步得到的多铁异质结的两个电极间施加-12kV/cm(当外 加电压与PZT极化方向相反时，为反向电压)的电压，持续20秒后退到零，得 到B状态，可测得在B状态时PZT基片上仍保留有约-80ppm的残余应变，如图 2和图4中的B点；最后，在上步得到的多铁异质结的两个电极间先施加-12kV/cm (当外加电压与PZT极化方向相反时，为反向电压)的电压，持续20秒后退到 零，再施加+3.8kV/cm(当外加电压与PZT极化方向一致时，为正向电压)的电 压，持续20秒后退到零，得到C状态，可测得在C状态时PZT基片上仍保留 有约90ppm的残余应变，如图4中的C点。PZT基片上产生的三种不同的残余 应变状态可对其上沉积或粘接的磁性薄膜的磁矩产生三种不同的磁矩调控效果。 且所述三种非易失性的残余应变状态可以稳定的重复。

将上述多铁异质结在VSM(振动样品磁强计)上测试上述三种残余应变状 态下薄膜磁性能的变化。如图5所示，在三种状态下异质结的磁滞回线出现明显 的差异：A状态最容易被磁化饱和，B状态次之，C状态最不易磁化饱和。这是 因为FeSiBC磁性薄膜的磁致伸缩系数为正，我们在制备磁性薄膜时施加了一个 外磁场，让其易磁化轴趋向于短边方向。而VSM测试时则是沿着其长边方向(难 磁化方向。当残余应变为负时，会使得磁性薄膜中的磁矩向与原磁化方向垂直的 方向偏转，即偏向于长边方向，因此更容易磁化饱和；而正的残余应变则使磁性 薄膜中磁矩更倾向于向原来的磁化方向偏转，即偏向短边方向，导致不易磁化饱 和。通过VSM的测试，可很好的证明该异质结中产生了非易失性的电压脉冲调 制磁矩取向的效果。如果在该磁性薄膜上设计加工性能与磁矩取向相关的器件， 则对相应磁性器件的性能也能起到非易失性的调制效果。

图2为本发明多铁异质结中含有缺陷偶极子的多晶PZT压电基片产生的应 变-电压曲线(俗称“蝴蝶曲线”)，图3为常规多铁异质结中PZT压电基片产生 的应变-电压曲线。由图2和图3可知，本发明含有缺陷偶极子的多晶PZT基片 的蝴蝶曲线发生了一定的偏移，左右不再对称，这主要是由于缺陷偶极子沿极化 方向取向，在基片中产生了内偏场所致。图4为本发明PZT基片产生的三种不 同残余应变(或异质结产生三种不同非易失磁矩调控)。图5为三种不同状态下 在VSM上测得的磁滞回线的对比。由图5可知，A状态最容易被磁化饱和，B 状态次之，C状态最不易磁化饱和。