[发明专利]基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种具有面内磁各向异性和磁电耦合性质的异质结结构及其制备方法和应用，所述异质结结构依次包括：(011)取向的单晶衬底、非晶SmCo膜层和Cr覆盖层。由(011)取向的单晶衬底所提供的面内各向异性应力场可诱导非晶SmCo薄膜产生面各向异性。其中，当衬底为PMN‑PT时，异质结结构具体来说是一种磁电耦合异质结结构，本发明的磁电耦合异质结结构是一种全新的以非晶永磁SmCo合金做为铁磁层的多铁复合物异质结。由于兼具良好面各向异性和非易失性各向异性磁记忆效应，该异质结在磁存储、磁记录、高灵敏磁电弱信号探测器、磁能积可调的微型永磁材料，传感器、逻辑器件和电控磁记录等方面都有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及基于非晶SmCo的磁电耦合异质结结构及其制备方法和应用，具体涉及一种具有面各向异性和非易失性磁记忆效应的非晶SmCo薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

非晶SmCo薄膜在信息存储方面具有非常大的应用潜能，其高矫顽力对于高存储密度的实现至关重要，而非晶态中较少的晶界又保证了较高的信噪比，与此同时，光滑的薄膜表面使得接触式磁记录成为可能，除此之外，具有面各向异性的非晶SmCo薄膜使得磁记录的发展更加迅猛。人们对非晶SmCo薄膜的畴结构、磁各向异性以及磁致伸缩等性质进行了广泛的研究。但到目前为止，非晶SmCo薄膜的面各向异性都是由生长过程中平行于膜面的外加磁场诱导产生的，易磁化轴沿着外磁场方向，而且这些薄膜大多生长在多晶或者非晶衬底上，尚没有报道由各向异性的单晶衬底提供的应力场诱导产生的非晶SmCo薄膜的面各向异性，而此种材料对信息存储器的发展来说，无疑是非常重要的。

磁电耦合或者逆磁电耦合效应是指在某一种材料中加磁场导致物质的电极化状态发生变化或者加电场导致物质的磁化状态发生变化，也即在同一种材料中实现磁性和电性的耦合。由于从传统的铁电性和铁磁性的实现机理来说，两者在同一种材料中同时实现以及产生耦合效果是非常困难的。现有的具有磁电耦合的单相材料包括BiFeO₃、Cr₂O₃、TbMnO₃、YMnO₃和MnWO₄等。这类材料种类比较少，铁电性和铁磁性都比较弱，并且其耦合作用也比较弱。

近些年来，一类研究比较广泛的磁电耦合复合材料体系引起人们的极大关注，这类材料简单的将铁电性和铁磁性的材料复合在一起，其形式包括0-3型颗粒复合结构，1-3型柱状复合结构以及2-2型层状复合结构等。但是这些复合形式都有各自的缺点，比如，0-3型颗粒复合时，由于界面之间的相互渗透作用，铁电材料的绝缘性下降，从而导致电荷泄露问题。

一种比较广泛的复合方式，即薄膜的生长，这种复合方式的优点在于，通过一些日趋成熟的薄膜生长技术，比如磁控溅射、分子束外延以及脉冲激光沉积技术将不同的相(铁电相和铁磁相)直接以原子级别的结合方式结合起来，从而将铁电材料和铁磁材料复合起来。在已有的报道中，具有代表性的压电材料包括PbTiO₃、BaTiO₃、PMN-PT等，而铁磁性材料则包括具有相分离效应的锰氧化物LaCaMnO₃和LaSrMnO₃，以及软磁金属单质和合金，包括Fe、Ni、Co、FeCoB等，以及Fe₃O₄、CoFe₂O₄等铁酸盐。通过将这两类材料用各种不同的手段结合起来，可以实现在不同温度区域对于铁磁性材料的矫顽力，饱和磁化强度，以及剩磁等各种磁性参数的调控。

在已有的报道中，电场对于磁性的调控多数属于线性调控，是“易失的”，不具有记忆效应，即当施加在样品上的电场撤回到零时，由于应变随电场的撤销而消失，从而导致磁性薄膜对电场的响应不能够稳定在电场作用下的状态，而是很快回到了未加电场时的初始状态，这对应用是很不利的。磁存储需要具有非易失性，也就是具有记忆效应，写入或者读取数据后能够继续保留数据，即撤掉电场后仍能保持在调控后的状态，所以具有非易失性磁记忆效应的材料是才能够更好地被应用于磁存储领域。