基于阻变效应的电调控交换偏置的研究

论文摘要

自旋电子学是一门最新发展起来的涉及磁学、电子学以及信息学的交叉学科,其核心内容是通过主动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可实现的机会。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（或电场）调控的自旋电子器件具有能耗低、处理速度快、集成度高和功能多等优势,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效应,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。完全通过电来调控交换偏置可以为电调控磁提供新的思路,从而为实现高能效的自旋电子器件提供可能实现的途径。尽管在过去的十年中,人们已经尝试利用多种方法在多种材料和器件中研究电调控交换偏置效应,但每种方法都存在一定程度的制约,目前在室温下人们还不能完全实现可逆、非易失、可重复的电调控交换偏置。本论文工作利用磁控溅射的方法生长多层薄膜器件样品,基于阻变效应（电阻开关效应）借助于外加电场来调控铁磁和反铁磁界面的交换耦合作用,具体表现为利用导电细丝型（体效应）和类肖特基势垒型（界面效应）两种阻变效应来调控交换偏置。本文较为系统地研究了室温下Pt/Co/NiO/Pt和Pt/FeOx/Co/ITO多层膜器件的电调控交换偏置,主要研究内容如下:1.Pt/C o/NiO/Pt多层膜器件电调控交换偏置的研究我们提出了一种结合单极性阻变效应的方法,室温下在Si/SiO2/Pt/Co/NiO/Pt多层薄膜器件中实现了可逆的、非易失的电控交换偏置。在器件设计时我们选择制备两层NiO薄膜,其中NiO（1）是在无氧的纯氩气中生长,确保在Co-NiO界面建立稳定的交换偏置,而NiO（2）在部分通氧的氩气氛中生长,以增强绝缘性从而确保器件具有稳定的阻变效应。如果施加适当的电压,器件处于高阻态并表现出明显的交换偏置,其交换偏置场约为20 Oe,而器件处于低阻态时交换偏置效应明显减弱甚至消失。通过非常细致的微结构表征,我们发现在NiO层中形成的大量的导电细丝及它们在Co-NiO界面附近的形成和断裂应该是导致器件电阻在高、低阻态间转换和交换偏置效应发生相应变化的本质原因。与前人研究的电调控交换偏置器件相比,本器件在许多方面具有明显的优点。首先,由于NiO具有相对较高的奈尔温度（≈525 K）,因此电调控的交换偏置可以在室温或更高的温度下稳定地实现;其次,NiO是一种教科书式的阻变材料,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普通的磁控溅射镀膜技术手段获得,并不需要后期的磁场和/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,与目前的硅基平面技术具有良好的兼容性;最后,此器件的电调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。2.Pt/FeOx/Co/ITO多层膜器件电调控交换偏置的研究以上基于体效应机制的阻变效应的电调控交换偏置是利用导电细丝通道调控反铁磁态来实现的,而利用界面势垒型阻变效应能否调控交换偏置还不得而知。由于α-Fe2O3既具有很高的奈尔温度（～955 K）,又是一种典型的阻变材料。为此,我们选择Co/FeOx体系试图利用阻变效应来调控器件的交换偏置。我们通过在不同氧分压气氛中沉积FeOx薄膜,并制备Pt/FeOx/Co/ITO多层膜器件。在该类器件中我们观察到了两种类型的阻变效应:一类是导电细丝型,另一类是界面势垒型。在高氧分压下（Po2:PAr=2:3）沉积的FeOx薄膜器件中,我们观察到了单极性阻变效应,但它对Co/FeOx的交换偏置基本无调控作用。在低阻态下我们通过非常细致的TEM进行微结构表征,认为这可能由于形成的氧空位导电通道细丝的数量较少,不足以引起Co/FeOx界面处反铁磁结构的变化从而难以调控交换偏置效应。此外,对于在低氧分压下（P02:PAr=1:2）沉积的FeOx薄膜器件中,我们观察到界面势垒型的双极性阻变效应,器件高低阻态的开关比可达103,且在原始态时交换偏置场和矫顽力分别约为115 Oe和71 Oe。与原始态相比,如果施加适当的电压,在高阻态下器件表现出矫顽力有明显的增强效应,其变化量可高达70.4%,但交换偏置场基本不变;如果施加电压将器件设置成低阻态,器件的矫顽力和交换偏置场均无明显变化。我们初步认为在不同电压下该类器件中氧空位的迁移改变了界面类肖特基势垒的高度,从而引起高、低阻态阻值相差显著的双极性阻变效应;与阻态相对应的界面交换耦合效应的变化则是由于氧空位的迁移导致Co/FeOx界面处反铁磁结构的变化而引起的。该类现象的物理机制目前还不能被完全理解,需要借助更精细的结构表征和理论模拟计算等手段进一步研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 交换偏置
•   1.2 电调控交换偏置
•     1.2.1 磁电耦合调控交换偏置
•     1.2.2 应变调控交换偏置
•     1.2.3 电化学调控交换偏置
•   1.3 阻变效应
•     1.3.1 阻变效应的特性
•     1.3.2 阻变效应的机制
•   1.4 本论文的研究内容
•   参考文献
• 第二章 基本实验方法及测试原理
•   2.1 多层膜样品的制备
•     2.1.1 磁控溅射仪器
•     2.1.2 磁控溅射沉积薄膜的原理
•   2.2 薄膜样品结构的表征
•     2.2.1 X射线衍射仪器（X-ray diffraction,XRD）
•     2.2.2 X光电子能谱仪（X photoelectron spectroscopy, XPS）
•     2.2.3 透射电子显微镜（Transmission electron microscopy, TEM）
•   2.3 薄膜样品的电磁特性表征
•     2.3.1 薄膜样品阻变效应测量系统
•     2.3.2 薄膜样品的磁性的表征
•   参考文献
• 第三章 Pt/Co/NiO/Pt多层膜器件电调控交换偏置的研究
•   3.1 引言
•   3.2 多层薄膜样品的制备与表征
•     3.2.1 多层膜Pt/Co/NiO（1）/NiO（2）/Pt的制备
•     3.2.2 样品的结构表征
•   3.3 电和磁特性的表征
•     3.3.1 阻变特性的测量
•     3.3.2 电调控交换偏置的测量
•   3.4 机制的解释
•     3.4.1 阻变效应的机制
•     3.4.2 电调控交换偏置的机制
•     3.4.3 蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）
•     3.4.4 在低阻态（LRS）的高分辨透射电子显微镜
•     3.4.5 排除界面氧化
•   3.5 本章小结
•   参考文献
• x/Co/ITO多层膜器件电调控交换偏置的研究'>第四章 Pt/FeO_x/Co/ITO多层膜器件电调控交换偏置的研究
•   4.1 引言
•   4.2 样品的制备、结构和磁性的表征
•     4.2.1 样品的制备
•     4.2.2 样品成分及结构的表征
•     4.2.3 样品磁性的表征
•   4.3 阻变特性的测量
•   4.4 电调控交换偏置的测量
•   4.5 机制的解释
•   4.6 本章小结
•   参考文献
• 第五章 总结和展望
•   5.1 论文总结
•   5.2 论文的主要创新点
•   5.3 论文的不足之处
•   5.4 展望
• 攻读博士期间发表的论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 魏陆军

导师: 杜军

关键词: 阻变效应,电调控交换偏置,导电细丝,界面势垒,自旋电子学,磁电随机存储器

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 南京大学

分类号: TN0;O441.2

总页数: 115

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