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电驱动自旋电子原型器件研究取得新进展

发布时间:2019-11-24 15:24编辑:产品评测浏览(87)

    自旋电子学是一门交叉学科,其核心内容是通过调控固态系统中电子的自旋自由度,将标准的微电子技术与自旋相关效应有机结合在一起,为研制新一代高性能电子器件提供机会。值得一提的是,与当今已广泛应用的金属-氧化物-半导体电子器件相比,电压调控的自旋电子器件具有能耗低、处理速度快、集成度高及功能多等优势,近年来在信息技术领域引起了人们的普遍关注。然而,由于在一般材料中磁化强度和电场之间缺乏足够强的直接耦合作用,因此电调控自旋电子学一直未能取得重要进展。交换偏置是由于铁磁-反铁磁体系界面处存在直接耦合作用而产生的特性,虽然迄今为止其内在机制尚未被彻底揭示,但是目前该效应已广泛应用于多种磁电子器件,如计算机的读出磁头和各种磁传感器等。而完全通过电来控制交换偏置可以在电控磁方面提供新的思路,为实现高能效的自旋电子器件提供极有可能实现的途径。尽管在过去的近十年中,人们尝试利用多种方法在多种材料和器件中研究电控交换偏置效应,但每种方法都存在一定程度的制约,因此目前室温下还不能完全实现直接的电控交换偏置。

    物理学院物理系博士生杨盛玮在多铁性异质结逆磁电耦合方面取得有意义的进展,在室温下实现了电场调控的非易失180º磁翻转。近日,该工作成果以“Non-volatile 180º Magnetization Reversal by an Electric Field in Multiferroic Heterostructures”为题发表在材料类重要期刊《Advanced Materials》(DOI: 10.1002/adma.201402774)。该论文为李晓光教授课题组与清华大学南策文院士以及美国宾州州立大学陈龙庆教授的合作研究成果,博士生杨盛玮为文章的第一作者。 传统的磁随机存储需要用磁场驱动磁矩转动,使得存储单元的体积和能耗相对较大。随着对器件小型化、多功能化以及低能耗的要求越来越高,需要发展同时具有两种或两种以上功能的新材料,研制能实现多种功能的新型器件。多铁材料同时具有铁磁和铁电等多种铁性有序以及独特的磁电耦合效应,可以通过电场调控磁矩转动,实现自旋状态的控制,突破自旋电子学的瓶颈,有助于器件小型化和多功能化,为后摩尔时代电子技术的发展提供了新的方向。然而普通的单相多铁材料的磁电耦合非常弱,且普遍仅存在于低温范围,无法实际应用。通过科学合理的设计,多铁异质结可以在室温下通过电场操控磁矩转动。 通常情况下电控磁一般表现为易失的效应,外加电场撤去后磁变化无法保持,不利于信息存储等。即使是非易失的电控磁矩转动,也还存在许多问题,比如操作复杂,非易失效应分布不均匀且仅存在于异质结的极少数区域。所以,如何在大范围内对磁矩取向实现非易失的电场调控仍然存在巨大的挑战。 杨盛玮针对该研究瓶颈,设计了一种Co/PMN-PT多铁性异质结结构,通过巧妙的设计电极化结构,有效排除了传统电极化结构中铁电场效应的影响,为电场控制的磁矩转动提供了可观的面内应变。通过控制电极化,使得压应变引起的磁弹各向异性与Co薄膜的界面磁各向异性竞争,即使无外加磁场,也可以在室温下通过电场调控实现90º甚至180º的非易失磁矩转动。在此基础上,设计了电场控制的三阻态自旋阀存储器原型,以及电场控制的单刀双掷开关和两输入端的三态门等逻辑器件。该项研究成果不仅揭示了多铁异质结中电场控制磁矩转动的机制,而且在较大范围内利用电场调控进行了180º磁翻转的操作,为无需外加磁场的磁矩翻转提供了新的研究思路。

    南京大学物理学院杜军教授课题组最近提出了一种结合电阻开关效应的新方法,室温下在Si/SiO2/Pt/Co/NiO/Pt器件中实现了可逆的、非易失的电控交换偏置。通过施加适当的电压,器件处于高电阻态并表现出明显的交换偏置,而器件处于低电阻态时交换偏置效应显著减弱甚至消失。通过非常细致的微结构表征,他们发现在NiO层中形成的导电细丝及其在Co-NiO界面附近的断裂是导致器件电阻在高、低阻态间可逆转换和交换偏置效应产生可逆变化的根本原因。与前人研究的电控交换偏置相比,本器件在许多方面具有明显的优点。首先,由于NiO材料具有较高的奈尔温度,因此电控交换偏置可以在室温或更高的温度下实现;其次,NiO是一种非常典型的、教科书式的单极性电阻开关材料,在金属/NiO/金属三明治结构中具有电阻值显著不同的高、低阻态,开关比能轻易达到甚至超过105,从而使器件具有很强的可靠性和稳定性;第三,构成该器件的多层膜可以在室温下通过工业界普通使用的磁控溅射镀膜手段获得,且不需要后期的磁场或电场冷却处理;第四,构成该器件的多层膜可以直接生长在硅衬底上,与目前的硅基平面工艺具有良好的兼容性;最后,此器件的电控交换偏置在室温下是可逆的、可重复的和非易失性的。总之,该工作为设计新型非易失磁电随机存储器提供了一个新的思路。

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    图 1. 电性、磁光测量示意图和XPS谱线。 Si/SiO2/Pt/Co/NiO/Pt器件的I-V 曲线和移除Pt顶电极后FMOKE测量的结构示意图; 两层NiO薄膜即NiO 和 NiO的XPS 测量结果。

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