[发明专利]一种新型氧化铪基电场调控磁性异质结构及其制备方法

说明书

本发明属于磁电耦合材料制备技术领域，具体涉及一种新型氧化铪基电场调控磁性异质结构及其制备方法。该异质结构包括依次层叠设置的衬底、氧化铪层、铁磁层和铂电极；氧化铪层为具有铁电性的掺杂氧化铪；铁磁层为CoFe₂O₄层、Fe₃O₄层、Co层、NiFe合金层或CoFe合金层。该电场调控磁性异质结构中掺杂氧化铪为正交相结构，与硅基半导体工艺的兼容性良好，且掺杂氧化铪中不含有毒重金属铅，同时掺杂氧化铪可以和CoFe₂O₄、Fe₃O₄、Co、NiFe合金或CoFe合金的铁磁层间传递应力、实现电荷积累，从而产生磁电耦合，实现室温电场调控磁性，有效克服了传统铁电材料对硅基工艺的不兼容性以及磁矩调控幅度小的问题。

技术领域

本发明属于磁电耦合材料制备技术领域，具体涉及一种新型氧化铪基电场调控磁性异质结构及其制备方法。

背景技术

近几年随着信息技术的不断发展，特别是人工智能、物联网、云计算、自动驾驶等新一代技术和产业的快速崛起，微电子器件要求具有更高的存储密度、更低的驱动功耗以及更快的响应速度。人们对具有高密度、高速度和低能耗等优点的非易失随机存储器进行了广泛而深入的探索，目前已经可以利用自旋转移力矩和自旋-轨道转矩效应等进行自旋流驱动磁化翻转，实现信息的存储和读出，但其对应的临界翻转电流密度仍然较大，导致器件的能耗较高。

利用电场调控磁性的方法来实现磁化翻转可显著降低器件的热效应，有利于实现超低功耗和超高密度信息存储器件。电场调控磁性的研究主要集中在同时具有铁电性、铁磁性或铁弹性的单相多铁或复合铁磁/铁电异质结构。然而，单相多铁材料(如BiFeO₃、EuTiO₃)中反铁磁有序和较低的居里温度等问题成为其器件应用的障碍；同时，铁磁/铁电异质结构中铁电材料主要为BaTiO₃、Pb(Zr_xTi_1-x)O₃等，其磁电耦合效应和磁矩调控力度严重依赖于衬底参数，这严重制约了其室温电场调控磁性的器件化进程。

具有室温铁电性的掺杂氧化铪(HfO₂)薄膜由于其与Si基半导体工艺的良好兼容性以及不含铅(Pb)元素等引起人们广泛关注，目前人们已经实验证明了掺杂HfO₂薄膜在纳米尺寸具有显著室温铁电性，其铁电性来源于部分HfO₂形成了非中心对称的正交相结构。但目前未见关于HfO₂/铁磁异质结构中电场调控磁性的实验报道。因此，实验设计并制备出可实现室温电场调控磁性、与硅基半导体工艺兼容以及磁矩调控幅度大的HfO₂/铁磁异质结构具有重要意义。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的磁电耦合效应与硅基半导体工艺不兼容以及磁矩调控幅度较小的问题，从而提供一种新型氧化铪基电场调控磁性异质结构及其制备方法。

为此，本发明提供了以下技术方案。

本发明提供了一种新型氧化铪基电场调控磁性异质结构，包括依次层叠设置的衬底、氧化铪层、铁磁层和铂电极；

所述氧化铪层为具有铁电性的掺杂氧化铪层；

所述铁磁层为CoFe₂O₄层、Fe₃O₄层、Co层、NiFe合金层或CoFe合金层。

所述掺杂氧化铪层为掺杂Si、Zr、Y、Al、Gd、Sr、La或Tm的氧化铪。优选的，所述掺杂氧化铪为掺杂La或Tm的氧化铪。

所述氧化铪层的厚度为20-100nm；

所述铁磁层的厚度为20-130nm。