一种基于PMN-PT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件及其制备方法技术

一种基于PMN

【技术实现步骤摘要】
一种基于PMN
‑
PT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件及其制备方法


[0001]本专利技术特别涉及一种基于PMN
‑
PT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着当今社会信息技术的飞快发展，要求存储技术提供更大容量、更快速度、更小体积、更长使用寿命、更低功耗的存储器。传统的信息存储方式有铁电随机存取存储器(FeRAM)和磁存储器(MRAM)。铁电随机存取存储器利用铁电体的自发极化存储信息，具有耐久性高、读写速度快、功耗低、可靠的多级极化状态等优点，是一种成熟而有前途的非易失性存储器。但是它有两个缺点：读取过程是破坏性的、存储密度是有限的。磁存储器在访问时间和耐久性方面有很大优势，但它们在高写入能量方面存在很大缺陷。这两种存储方式很大程度的限制了其作为存储器的应用。为此，相关领域的研究者不断探索信息功能相关的新器件、新结构和新材料，与此相关的新概念存储器也在不断被设计；而其中一个可行的途径，就是通过磁电耦合效应(magnetoelectric coupling,ME coupling)及多铁性材料。
[0003]多铁性磁电材料具有铁磁性和铁电性两种性质，这样的多功能材料使设计开发新器件的新功能成为可能。磁和电有序之间具有磁电耦合效应，这种耦合可以通过施加磁场控制极化和施加电场控制磁化，因此多铁性磁电材料存在着很大的应用价值发掘空间。基于磁电耦合效应的磁电随机存取存储器(Magnetoelectric Memory,MERAM)可利用电场实现信息写入过程，利用磁头实现读出过程。基本操作是将磁电耦合与多铁材料和铁磁体之间的界面交换耦合结合起来，利用电场强弱来控制铁磁层的磁化，同样也可以利用磁场的变化控制多铁材料极化。这种新型的多能级非易失磁电存储器的优点包括：首先，存储单元结构较为简单，易于制造。其次，通过在两个电极之间施加电压脉冲，可以更加快速有效的写入操作，读写速度大大提升。第三，读取操作比传统铁电随机存储器更为容易，减小了破坏性读取。
[0004]弛豫铁电单晶Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3‑
PbTiO3(PMN
‑
PT)(W Zhou,et al.,ACS APPL MATER INTER.,2021)表现出极大的压电效应(d
33
＞2000pC/N),并因其优异的拉伸应变能力而被广泛研究，还具有电场可控、可逆和非挥发性应变等特性。Fe
65
Co
35
合金薄膜具有高饱和磁化强度，较大磁晶各向异性和饱和磁致伸缩，高磁导率，良好的热稳定性。
[0005]本专利技术涉及的基于磁电效应的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件，选用具有高磁致伸缩常数的Fe
65
Co
35
合金作为铁磁层，具有大压电系数的0.7PMN
‑
0.3PT单晶作为铁电层，使铁电层在电场下能产生足够大的应变并且能够转移到与其相邻的铁磁层。制备一种具有大电致电阻转变效应的环境友好型磁电存储器件。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对上述存在问题，提供一种基于PMN
‑
PT的铁电/铁磁复合薄膜
的磁电存储元件的制备方法，本专利技术以0.7[Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3]‑
0.3[PbTiO3]单晶衬底和Fe
65
Co
35
合金靶材为原料，采用离子束溅射的方法制备磁电复合薄膜器件，该存储元件在外加电压时能够保持极化和磁化的状态，由于电阻状态的改变可以通过在上下电极之间的电压翻转，不需要大电流大磁场的产生，具有低功耗的优点。
[0007]本专利技术的技术方案：
[0008]一种基于PMN
‑
PT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件，在PMN
‑
PT单晶衬底上沉积铁磁薄膜制成叠层结构，具有压电效应的铁电层化学结构式为0.7[Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3]‑
0.3[PbTiO3](PMN
‑
PT)，厚度为0.5mm，具有磁致伸缩效应的Fe
65
Co
35
薄膜，厚度为20
‑
40nm，
[0009]一种所述基于PMN
‑
PT的铁电/铁磁薄膜结构的磁电存储元件的制备方法：
[0010]小尺寸FeCo铁磁薄膜的制备是利用离子束沉积结合光刻工艺在PMN
‑
PT单晶衬底上掩模特定的图形，这里图形为200μm
×
200μm，100μm
×
100μm，50μm
×
50μm的正方形。具体步骤如下：
[0011]1.底膜处理
[0012](1)清洗，采用湿法和去离子水去掉杂物；
[0013](2)烘干，烘烤使衬底表面干燥，避免水分衰减光刻胶的附着力。
[0014]2.甩胶
[0015](1)将PMN
‑
PT单晶衬底放在金属托盘上，托盘表面有一个可以连接真空管的小孔，将基片吸附托盘上；
[0016](2)在基片表面喷洒光刻胶溶液；
[0017](3)设定第一阶段将旋转托盘加速至800r/min保持10s；然后第二阶段将旋转托盘加速至3800r/min并持续60s。
[0018]3.前烘
[0019]在热板上将过量的水分蒸发至干燥，为了使滞留在光刻胶内的溶剂充分地逸出来免受污染。
[0020]4.曝光
[0021]将掩膜板与光刻机对准，然后调节合适的紫外光强度，并设定曝光时间为6s等参数进行光刻。
[0022]5.显影
[0023]将显影液与水按1:10的配比混合。然后将曝光过的PMN
‑
PT单晶衬底放入显影液中，设定15s的显影时间，接着放入清水中清洗、烘干。使用的光刻胶是正胶，受到曝光的正胶在显影液中逐渐溶解，其他区域的光刻胶则不会溶于显影剂溶液。这样，通过曝光使得PMN
‑
PT单晶衬底显影出图形。
[0024]6.坚膜
[0025]为去除光刻胶中残存的有机溶剂增强光刻胶和基板的粘附性，在100℃的温度下烘焙衬底。
[0026]7.显影检验
[0027]检查掩膜：图形的质量；光刻胶层的质量；掩膜板是否选用正确。
[0028]8.检验
[0029]先在白光下对薄膜进行目测，观察是否有较大的污染物。再通过显微镜观察薄膜
的完整性和光刻后图形的清晰度。
[0030]铁磁薄膜由Fe
65
Co
35
合金靶材利用离子束溅射制备，步骤如下：
[0031]将PMN
‑
PT单晶压电衬底和Fe...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于PMN
‑
PT的铁电/铁磁复合薄膜的磁电存储元件，其特征是：在PMN
‑
PT单晶衬底上沉积铁磁薄膜制成叠层结构，具有压电效应的铁电层化学结构式为0.7[Pb(Mg
1/3
Nb
2/3
)O3]
‑
0.3[PbTiO3]，厚度为0.5mm，具有磁致伸缩效应的Fe
65
Co
35
薄膜，厚度为20
‑
40nm。2.一种权利要求1所述的基于PMN
‑
PT的铁电/铁磁薄膜结构的磁电存储元件的制备方法：小尺寸FeCo铁磁薄膜的制备是利用离子束沉积结合光刻工艺在PMN
‑
PT单晶衬底上掩模特定的图形；将PMN
‑
PT单晶压电衬底和Fe
65
Co
35
合金靶材置入溅射室，对溅射室抽真空至1
×
10
‑4～2
×
10
‑4Pa，调节氩气流量为9.4sccm，设置3cm考夫曼离子枪电源，将放电电压调到70V，放电灯丝电流调整为5A，预热五分钟的时间，然后缓慢地调节电流直至产生放电，再接将加速电压设置到200V，加速电流显示6～10mA，最后调整束流，调整束流电压至500V，确保束流在15mA，常温下溅射30
‑
60min，取出样品后用丙酮将光刻胶全部去掉，且利用异丙醇和超纯水进行清洗，获得纯净的PMN
‑
PT/FeCo复合薄膜。3.根据权利要求2所述的基于PMN
‑
PT的铁电/铁磁薄膜结构的磁电存储...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩叶梅，马美冰，尹鑫，曹海兴，孙正，王芳，张楷亮，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：