一种多铁异质结及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种多铁异质结，从下至上依次包括钛酸锶衬底、钌酸锶底电极层、钛酸钡铁电层和四氧化三铁磁性纳米柱阵列。本发明专利技术以钛酸钡为铁电层，四氧化三铁为磁性纳米柱阵列，形成的多铁异质结具有优异的铁电、铁磁性能。其中，四氧化三铁不仅可以通过离子运动调控磁性能，并且可以作为翻转铁电极化时的电极，能够实现室温下稳定、可逆且非易失地利用电场控制磁化取向，有利于未来存储器和自旋电子器件的发展，为实现高密度和低功耗的超快数据存储及处理奠定基础。

【技术实现步骤摘要】
一种多铁异质结及其制备方法
本专利技术涉及多铁性复合薄膜
，尤其涉及一种多铁异质结及其制备方法。
技术介绍
目前广泛使用的磁随机存储器最大的缺点是需要大的电流来写入数据，消耗很高的能量。而直接利用外加电压写入数据，然后用磁头进行数据读取的方式可以极大地降低写入能耗，并且实现非接触、非破坏性地读出，这种存储方式称为“电写磁读”存储。要想实现“电写磁读”存储，最关键的部分是在材料中实现电场翻转磁矩取向功能。而在单相多铁性材料中实现的电控磁效应受限于其反铁磁有序和低温条件，使其在实际器件中的应用面临巨大挑战。近年来，人们对磁电耦合理论有了更深入地理解，并且对样品制备技术也有了更娴熟地掌握，因此人们更多地选择磁电复合材料代替单相材料来探究电场翻转磁化。其中，出现了很多关于复合多铁性异质结中通过应变或界面磁电耦合实现电场控制磁性相关的报道，不过这些报道通常是电场控制磁化强度而不是控制磁化取向。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种多铁异质结及其制备方法。本专利技术所提供的多铁异质结具有优异的铁电、铁磁性能，能够实现室温下稳定、可逆且非易失地利用电场控制磁化取向。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种多铁异质结，从下至上依次包括钛酸锶衬底、钌酸锶底电极层、钛酸钡铁电层和四氧化三铁磁性纳米柱阵列。优选地，所述钌酸锶底电极层的厚度为10～40nm。优选地，所述钛酸钡铁电层为四方相，厚度为30～80nm。优选地，所述四氧化三铁磁性纳米柱阵列中单个纳米柱的直径为50～150μm，高度为10～30nm，相邻纳米柱之间的距离为50～150μm。本专利技术提供了上述技术方案所述多铁异质结的制备方法，包括以下步骤：以钌酸锶为靶材，采用脉冲激光沉积法在钛酸锶衬底的上表面进行第一沉积，形成钌酸锶底电极层；以钛酸钡为靶材，采用脉冲激光沉积法在所述钌酸锶底电极层的上表面进行第二沉积，形成钛酸钡铁电层；在所述钛酸钡铁电层的上表面放置掩膜板，以四氧化三铁为靶材，采用脉冲激光沉积法在放置有掩膜板的钛酸钡铁电层的表面进行第三沉积，形成四氧化三铁磁性纳米柱阵列，移除掩膜板，获得多铁异质结。优选地，所述第一沉积过程中钛酸锶衬底的温度为650～750℃，沉积氧压为80～120mTorr。优选地，所述第二沉积过程中沉积温度为700～800℃；沉积氧压为2×10-3～8×10-3Torr。优选地，所述第三沉积过程中沉积温度为300～500℃；沉积氧压为1×10-6～6×10-6Torr。优选地，所述第一沉积、第二沉积和第三沉积过程中激光能量独立为250～350mJ，频率独立为5～15Hz。优选地，所述第二沉积后包括降温处理，所述降温处理在氧压为150～250Torr的条件下进行。本专利技术提供了一种多铁异质结，从下至上依次包括钛酸锶衬底、钌酸锶底电极层、钛酸钡(BaTiO3)铁电层和四氧化三铁(Fe3O4)磁性纳米柱阵列。本专利技术以BaTiO3为铁电层，Fe3O4为磁性纳米柱阵列，形成的多铁异质结具有优异的铁电、铁磁性能。其中，Fe3O4不仅可以通过离子运动调控磁性能，并且可以作为翻转铁电极化时的电极，这样的Fe3O4磁性纳米柱阵列结构相比于双层的多铁异质结节省了镀顶电极层的繁琐工序，为简易且准确地实现BaTiO3极化翻转提供了可能。在本专利技术中，通过施加不同电压，会引起BaTiO3极化方向翻转，使得BaTiO3的正极化电荷迁移至两相界面处，而这些正极化电荷将会排斥处于界面处带正电的氧离子空位，导致Fe3O4中的氧离子运动至表面，从而造成Fe3O4表面晶胞内磁交互作用从Fe(Td)-O-Fe(Oh)超交互作用转变为Fe(Td)-Fe(Oh)双交互作用，自旋反平行排列的氧八面体和氧四面体Fe离子转变为了自旋平行排列，磁交互作用从反铁磁耦合转变为铁磁耦合状态，从而实现室温下稳定、可逆且非易失地利用电场控制磁化取向，有利于未来存储器和自旋电子器件的发展，为实现高密度和低功耗的超快数据存储及处理奠定基础。此外，本专利技术提供了所述多铁异质结的制备方法，以钌酸锶为靶材，采用脉冲激光沉积法在钛酸锶衬底的上表面进行第一沉积，形成钌酸锶底电极层；以BaTiO3为靶材，采用脉冲激光沉积法在所述钌酸锶底电极层的上表面进行第二沉积，形成BaTiO3铁电层；在所述BaTiO3铁电层的上表面放置掩膜板，以Fe3O4为靶材，采用脉冲激光沉积法在放置有掩膜板的BaTiO3铁电层的表面进行第三沉积，形成Fe3O4磁性纳米柱阵列，移除掩膜板，获得多铁异质结。本专利技术采用脉冲激光沉积法制备多铁异质结，简单易行、工艺稳定，制备得到的多铁异质结没有出现相成分扩散现象，具有很高的重复性。进一步地，本专利技术利用脉冲激光沉积法，通过精确控制氧压，以BaTiO3为铁电层，Fe3O4为磁性纳米柱阵列，解决了原本生长环境有较大差别的四方相BaTiO3与Fe3O4难以共存的问题，从而制备出具有Fe3O4磁性纳米柱的多铁异质结。附图说明图1为本专利技术提供的多铁异质结的结构示意图；图2为实施例1制备的多铁异质结的X射线衍射图；图3为实施例1制备的多铁异质结的扫描电镜图；图4为实施例1～3制备的多铁异质结中Fe3O4磁性纳米柱的原子力显微镜图；图5为实施例1制备的多铁异质结的扫描透射电镜图；图6为实施例1制备的多铁异质结的电滞回线图；图7为实施例1制备的多铁异质结的磁滞回线图；图8为实施例1制备的多铁异质结的磁力显微镜相位图。具体实施方式本专利技术提供了一种多铁异质结，从下至上依次包括钛酸锶(SrTiO3，简称为STO)衬底、钌酸锶(SrRuO3，简称为SRO)底电极层、BaTiO3(简称为BTO)铁电层和Fe3O4磁性纳米柱阵列。图1为本专利技术提供的多铁异质结的结构示意图，如图1所示，从下至上依次为STO衬底、SRO底电极层、BTO铁电层和Fe3O4磁性纳米柱阵列。在本专利技术中，所述STO衬底晶面取向优选为(100)方向，以确保获得的多铁异质结具有良好的相结构。在本专利技术中，所述SRO底电极层的厚度优选为10～40nm，更优选为15～35nm，最优选为20～30nm。在本专利技术中，如果SRO底电极层太薄，一方面会造成导电性不好，另一方面，生长BTO铁电层后会导致BTO铁电层半导体化，使其绝缘性大大降低，从而影响其性能；如果SRO底电极层太厚，会使其粗糙度增大，从而使得后续生长的BTO铁电层与Fe3O4磁性纳米柱阵列难以实现外延生长，粗糙度也会增大，导致BTO铁电层和Fe3O4磁性纳米柱阵列的异质结界面遭到破坏。在本专利技术中，所述BTO铁电层优选为四方相。在本专利技术中，四方相的BTO只存在180°和90°畴结构，因此可控性更强。在本专利技术中，所述BTO铁电层的厚度优选为30～80nm，更优选为40～70nm，最优选为50～60nm。在本专利技术中，厚度在30～80nm范围内，可以使BTO铁电层具有较好的极化翻转特性：当厚度小于30nm时，BTO铁电层易击穿，疲劳特性差，不利于实现电控磁畴的反复调控；当厚度大于80nm时，BTO铁电层需要在大电压作用下实现翻转，不利于实际应用。在本专利技术中，所述Fe3O4磁性纳米柱阵列中单个纳米柱的直径优选为50～150μm，更优选为70～130μm，最优选为90～110μm；高度优选为10～本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多铁异质结，从下至上依次包括钛酸锶衬底、钌酸锶底电极层、钛酸钡铁电层和四氧化三铁磁性纳米柱阵列。

【技术特征摘要】
1.一种多铁异质结，从下至上依次包括钛酸锶衬底、钌酸锶底电极层、钛酸钡铁电层和四氧化三铁磁性纳米柱阵列。2.根据权利要求1所述的多铁异质结，其特征在于，所述钌酸锶底电极层的厚度为10～40nm。3.根据权利要求1所述的多铁异质结，其特征在于，所述钛酸钡铁电层为四方相，厚度为30～80nm。4.根据权利要求1所述的多铁异质结，其特征在于，所述四氧化三铁磁性纳米柱阵列中单个纳米柱的直径为50～150μm，高度为10～30nm，相邻纳米柱之间的距离为50～150μm。5.权利要求1～4任一项所述多铁异质结的制备方法，包括以下步骤：以钌酸锶为靶材，采用脉冲激光沉积法在钛酸锶衬底的上表面进行第一沉积，形成钌酸锶底电极层；以钛酸钡为靶材，采用脉冲激光沉积法在所述钌酸锶底电极层的上表面进行第二沉积，形成钛酸钡铁电层；在所述钛酸钡铁电层的上表面放置掩膜板，以四氧化三铁为靶材，采用脉冲激光沉积法在放置有...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟高阔，安峰，李奥林，谭锐，谢淑红，钟向丽，王金斌，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43