專利名稱：納米多層膜、場效應管、傳感器、隨機存儲器及制備方法
技術領域：
本發明屬于鐵電或多鐵性材料領域，具體地說，涉及一種由電場驅動的有可逆電致電阻效應(Electroresistance effect, ER)的多層膜及其制備方法和用途。
背景技術：
電致電阻效應是材料的電阻在外加電場下產生明顯的變化，表現為特有的電阻-電場曲線。利用這一效應可以通過調節外加電場來對材料的電阻進行調控。當外加電場為正或負向時，材料的電阻表現為高或低阻態。電致電阻效應的高、低電阻態正好對應電子信息中的“O”和“ I ”兩個狀態。為此利用該種電致電阻效應可以發展許多電子器件，如電場調制型場效應管、開關型電場傳感器、電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switchingRandom Access Memory, ERAM)(簡稱電隨機存儲器)等電子器件。(參考文獻S. Rizwan and X. F. Han*et al.,CPL Vol. 28, No. 10(2011) 107504)。一般而言將這種效應歸因于非完全屏蔽的電荷在界面處產生的非對稱的電勢分布影響了電子的電導或隧穿電導。因此，基于該種電致電阻效應的電場驅動型隨機存儲器不同于基于相變理論的隨機存儲器(相變隨機存儲器，Phase-change Random Access Memory, PCRAM);不同于基于以鐵電薄膜電容效應為基礎的鐵電存儲器(Ferroelectric Random Access Memory,FeRAM);也不同于基于各種金屬氧化物薄膜為存儲介質單元及其導電通道(conductance filament channel)機制調控的電阻型隨機存儲器(Resistance Random Access Memory, RRAM)。目前鐵電材料由于可電場調控的自發電極化以及其它獨特的物理性質，逐漸地成為非易失性隨機存儲材料的一個重要的研究方向。然而其中最重要的一個方面是在鐵電隧穿結中電極化反轉造成的電阻的翻轉。鈣鈦礦結構的鐵電材料由于特有的電極化特性在非易失性存儲器、焦熱電探測器、開關型傳感器等微電器件中的應用，逐漸重新引起大家的關注。如何在室溫下獲得較大的電致電阻效應是實現電致電阻效應在實際自旋電子學器件應用中重要關鍵技術。
發明內容
本發明的目的在于提出一種電場調控型納米多層膜、電場調制型場效應管、開關型電場傳感器及電場驅動型隨機存儲器及其制備方法。該電場調控型納米多層膜具有顯著的可逆電致電阻效應及其不同的電阻態。本發明的上述目的是通過以下技術方案實現的為實現上述目的，本發明提出一種電場調控型納米多層膜，由下至上依次包括底層；基片襯底；緩沖層絕緣勢壘層導電層；
頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；基片襯底為鐵電或多鐵性材料，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；緩沖層作為上電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；中間的絕緣勢壘層為氧化物；頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化；通過在所述的底層和緩沖層(上下電極)之間施加電場，由于基片襯底(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。其中，所述納米多層膜中，所述的底層包括導電金屬材料。其中，所述納米多層膜中，所述的導電層包括非磁金屬層、磁性金屬層、反鐵磁性層、導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等。其中，所述納米多層膜中，所述的非磁金屬層由非磁金屬或其合金組成，厚度為2-100nm ;所述的磁性金屬層由磁性金屬或其合金制成，厚度為2_100nm或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2-100nm ;所述的磁性金屬層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非
磁性金屬層/第二鐵磁性層。其中反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。其中，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 IOOnm0其中，所述納米多層膜中，所述頂部覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。而且，本發明提供一種電場調制型納米多層膜，由下至上依次包括基片襯底；底層；功能層；緩沖層；絕緣勢壘層；導電層；頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；所述功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；所述緩沖層作為上電極用于在鐵電或多鐵性薄膜材料上施加電場；所述中間的絕緣勢壘層為氧化物；所述頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化，通過在所述的底層和緩沖層(上下電極)之間施加電場，由于功能層(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。
其中，所述納米多層膜中，所述的基片包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。其中，所述納米多層膜中，所述的底層包括導電金屬材料。其中，所述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜，可根據實際需要預先沉積種子層，用于優化與基片襯底的界面，改善鐵電或多鐵性納米薄膜的晶體結構。其中，所述納米多層膜中，所述導電層生長在 所述絕緣勢壘層材料上面，其電導能夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。其中，所述納米多層膜中，所述的導電層包括非磁金屬層、磁性金屬層、反鐵磁性層、導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等。其中，所述納米多層膜中，所述的非磁金屬層由非磁金屬或其合金組成，厚度為2-100nm ;所述的磁性金屬層由磁性金屬或其合金制成，厚度為2_100nm或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2-100nm ;所述磁性金屬層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁
性金屬層/第二鐵磁性層。其中，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。其中，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 IOOnm0其中，所述納米多層膜中，所述頂部覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。而且，本發明再提出一種電場調控型納米多層膜，由下至上依次包括底層；基片襯底；磁性層；頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；基片襯底為鐵電或多鐵性材料，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化，通過在所述的底層和頂部覆蓋層(上下電極)之間施加電場，由于基片襯底(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。其中，所述納米多層膜中，所述的基片包括鐵電或多鐵性材料襯底。其中，所述磁性層能夠完美地生長在基片襯底材料上面，并能夠通過磁電耦合與基片襯底發生相互作用。其中，所述納米多層膜中，所述的磁性層由鐵磁金屬或其合金制成，厚度為2-100nm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2-100nm。其中，所述納米多層膜中，所述的磁性層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層)/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁性金屬層/第二鐵磁性層。其中，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。其中，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2 IOOnm0其中，所述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。而且，本發明再提出一種電場調控型納米多層膜，由下至上依次包括
基片襯底；底層；功能層磁性層；頂部覆蓋層；其中所述的基片襯底為非鐵電或多鐵性材料；所述底層為導電材料，作為下電極用于在功能層上施加電場；功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化；通過在所述的底層和頂部覆蓋層(上下電極)之間施加電場，由于功能層(鐵電或多鐵性薄膜材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰金屬和磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。其中，所述納米多層膜中，所述的底層包括導電金屬材料。其中，所述納米多層膜中，所述的基片包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。其中，所述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜。其中，所述納米多層膜中，所述磁性層生長在所述功能層的材料上面，并能夠通過磁電耦合與功能層發生相互作用。其中，所述納米多層膜中，所述的磁性層由鐵磁金屬或其合金制成，厚度為2-100nm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2_100nm。其中，所述納米多層膜中，所述的磁性層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁性金屬
層/第二鐵磁性層。其中，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。其中，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 IOOnm0其中，所述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。而且，本發明提供一種電場調制型納米多層膜，由下至上依次包括
基片襯底；功能層；緩沖層；絕緣勢壘層；導電層；頂部覆蓋層；所述功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；所述中間的絕緣勢壘層為氧化物；所述頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化；通過在所述的功能層兩側施加面內電場，由于功能層(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。其中，所述納米多層膜中，所述的基片包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。其中，所述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜，可根據實際需要預先沉積種子層，用于優化與基片襯底的界面，改善鐵電或多鐵性納米薄膜的晶體結構。其中，所述的緩沖層可以根據實際要求進行添加。其中，所述納米多層膜中，所述導電層生長在所述絕緣勢壘層材料上面，其電導能夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。其中，所述納米多層膜中，所述的導電層包括非磁金屬層、磁性金屬層、反鐵磁性層、導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等。其中，所述納米多層膜中，所述的非磁金屬層由非磁金屬或其合金組成，厚度為2-100nm ;所述的磁性金屬層由磁性金屬或其合金制成，厚度為2_100nm或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2-100nm ;所述磁性金屬層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁
性金屬層/第二鐵磁性層。其中，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。 其中，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 IOOnm0其中，所述納米多層膜中，所述頂部覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。而且，本發明再提出一種電場調控型納米多層膜，由下至上依次包括基片襯底；功能層；磁性層；頂部覆蓋層；
其中所述的基片襯底為非鐵電或多鐵性材料；功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化；通過在所述的功能層兩側施加面內電場，由于功能層(鐵電或多鐵性薄膜材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰金屬和磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。其中，所述納米多層膜中，所述的基片包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。其中，所述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜。其中，所述納米多層膜中，所述磁性層生長在所述功能層的材料上面，并能夠通過磁電耦合與功能層發生相互作用。其中，所述納米多層膜中，所述的磁性層由鐵磁金屬或其合金制成，厚度為2-100nm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2-100nm。其中，所述納米多層膜中，所述的磁性層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁性金屬
層/第二鐵磁性層。
其中，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。其中，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 IOOnm0其中，所述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。而且，本發明提出一種基于電致電阻效應的電場調制型場效應管，包括上述的電場調控型納米多層膜。其中，通過在柵極施加不同的電壓，在頂部覆蓋層(或緩沖層)和底層之間形成一定的電場，另在源極和漏極之間施加一定的電壓，由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下，多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同，既可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的電導或電阻值的大小。其中，也可以在功能層的兩側施加一定的電壓，在功能層的兩側形成面內電場。由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同。因此，可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的電導或電阻值的大小。而且，本發明還提出一種基于電致電阻效應的開關型電場傳感器、包括上述電場調控型納米多層膜。其中，也可以在功能層的兩側施加一定的電壓，在功能層的兩側形成面內電場。由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同。因此，可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的電導或電阻值的大小。而且，本發明還提出一種基于電致電阻效應的、即以電場調控的納米器件為存儲單兀的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory,ERAM)(簡稱電隨機存儲器)，包括上述電場調控型納米多層膜。其中，也可以在功能層的兩側施加一定的電壓，在功能層的兩側形成面內電場。由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同。因此，可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的電導或電阻值的大小。而且，本發明還提出上述的電場調控型納米多層膜的制備方法，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積(PLD)、分子束外延(MBE)、原子層沉積(ALD)或氣相化學反應沉積(MOCVD)等生長方法依次在基片襯底上沉積底層、緩沖層、絕緣勢壘層、導電層及頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；基片襯底為鐵電或多鐵性材料，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；緩沖層作為上電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；中間的絕緣勢壘層為氧化物；頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化；通過在所述的底層和緩沖層(上下電極)之間施加電場，由于基片襯底(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。
而且，本發明還提出上述另一種電場調控型納米多層膜的制備方法，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積(PLD)、分子束外延(MBE)、原子層沉積(ALD)或氣相化學反應沉積(MOCVD)等生長方法依次沉積底層、功能層、緩沖層、絕緣勢壘層、導電層及頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在功能層上施加電場；所述功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；所述緩沖層作為上電極用于在鐵電或多鐵性薄膜材料上施加電場；所述中間的絕緣勢壘層為氧化物；所述頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化。通過在所述的底層和緩沖層(上下電極)之間施加電場，或在功能層的兩側施加面內電場，由于功能層(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。而且，本發明再提出一種上述電場調控型納米多層膜的制備方法，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積(PLD)、分子束外延(MBE)、原子層沉積(ALD)或氣相化學反應沉積(MOCVD)等生長方法在基片襯底上依次沉積底層、磁性層及頂部覆蓋層；其中，所述底層為導電材料，作為下電極用于在基片襯底上施加電場，基片襯底為鐵電或多鐵性材料，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化。通過在所述的底層和頂部覆蓋層(上下電極)之間施加電場，由于基片襯底(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。而且，本發明又提出一種電場調控型納米多層膜的制備方法，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積(PLD)、分子束外延(MBE)、原子層沉積(ALD)或氣相化學反應沉積(MOCVD)等生長方法依次在基片襯底上沉積底層、功能層、磁性層及頂部覆蓋層；其中所述的基片襯底為非鐵電或多鐵性材料；所述底層為導電材料；作為下電極用于在功能層上施加電場；所述功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化。通過在所述的底層和頂部覆蓋層(上下電極)之間施加電場，或在功能層的兩側施加面內電場，由于功能層(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。
本發明通過變化的電場對鐵電或多鐵性材料的電極化特性進行調制，影響和改變導電層的電導，進一步調控器件電阻的變化(即通過電場調控電阻的變化)，從而獲得不同的電場對應不同的電阻態。
圖Ia為本發明的納米多層膜結構示意圖；圖 Ib 為結構 A B0L 1/SUB/B FL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP ；圖 Ic 為結構 B SUB/B0L 2/FCL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP ；圖 Id 為結構 C SUB/B0L 2/FCL/BFL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP ；圖 Ie 為結構 D SUB/B0L 2/FCL/FM1/NM/FM2/AFM/CAP ；
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圖 If 為結構 E SUB/B0L 2/FCL/FM/AFM/CAP ；圖 Ig 為結構 F SUB/B0L 2/FCL/FM1/NM/FM2/CAP ；圖 Ih 為結構 G SUB/B0L 2/FCL/FM/CAP ；圖 Ii 結構 H B0L 1/SUB/FM1/NM/FM2/AFM/CAP ；圖 Ij 為結構 I :B0L 1/SUB/FM/AFM/CAP ；圖 Ik 為結構 J B0L 1/SUB/FM1/NM/FM2/CAP ；圖11 為結構 K B0L1/SUB/FM/CAP ；圖2a為本發明實施例I的納米多層膜的結構示意圖；圖2b為器件電阻R隨外加電場E變化關系示意圖。圖3a本發明實施例2的納米多層膜的結構示意圖；圖3b為中間導電層為磁性金屬Co75Fe25的器件電阻R隨外加電場E變化關系示意圖；圖3c為中間導電層為Co75Fe25，外加變化的電場E與納米多層膜電阻R的測量結果示意圖，并在測量的同時施加IkOe的磁場；圖3d為中間導電層為5nm的Al膜，外加變化的電場E與納米多層膜電阻R的測
量結果示意圖；圖3e為中間導電層為5nm的IrMn反鐵磁合金薄膜，外加變化的電場E與納米多層膜電阻R的測量結果示意圖；圖4a為根據本發明實施例3中以圖Ia中的納米多層膜結構為基礎的電場調制型場效應管原理圖；圖4b為根據本發明實施例4中以圖Ia中的納米多層膜結構為基礎的電場調制型場效應管原理圖。圖4c為根據本發明實施例5中以圖Ia中的納米多層膜結構為基礎的電場調制型場效應管原理圖。圖4d為根據本發明實施例6中以圖Ia中的納米多層膜結構為基礎的電場調制型場效應管原理圖。圖4e為根據本發明實施例7中以圖Ia中的納米多層膜結構為基礎的電場調制型場效應管原理圖。圖4f為根據本發明實施例8中以圖Ia中的納米多層膜結構為基礎的電場調制型場效應管原理圖。圖4g為根據本發明實施例13中以圖Ia中的納米多層膜結構為基礎的電場調制型場效應管原理圖。圖4h為根據本發明實施例14中以圖Ia中的納米多層膜結構為基礎的電場調制型場效應管原理圖。圖5a為根據本發明實施示例3為設計原理以圖Ia中的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意圖；圖5b為根據本發明實施示例4為設計原理以圖Ia 中的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意圖；圖5c為根據本發明實施示例5為設計原理以圖Ia中的納米器件為存儲單元的電 場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意圖；圖5d為根據本發明實施示例6為設計原理以圖Ia中的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意圖；圖5e為根據本發明實施示例7為設計原理以圖Ia中的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意圖；圖5f為根據本發明實施示例8為設計原理以圖Ia中的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理不意圖。圖5g為根據本發明實施示例13為設計原理以圖Ia中的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理示意圖。圖5h為根據本發明實施示例14為設計原理以圖Ia中的納米器件為存儲單元的 電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random Access Memory, ERAM)原理示意圖。
具體實施例方式本發明的目的在于提出一種電場調控型納米多層膜、電場調制型場效應管、開關型電場傳感器及電場驅動型隨機存儲器，以用來在室溫下電場調控納米多層薄膜中獲得新型的可逆電致電阻效應，并實現可逆電致電阻效應在電子器件中的應用。該納米多層膜由下至上依次包括底層、基片、底層、功能層、緩沖層、絕緣勢壘層、中間導電層、覆蓋層，其中所述中間導電層為磁性金屬、磁性合金或者磁性金屬復合層時，緩沖層和絕緣層可以根據實際需要選擇性的添加。所述的中間導電層包括金屬層、導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等。所述金屬層包括非磁金屬層、磁性金屬層、反鐵磁性層等。當所述的中間導電層非磁金屬層或反鐵磁性層時，緩沖層和絕緣勢壘層必須添加，以便獲得較高的信噪比。
本發明的第一個方面，提供一種電場調控型納米多層膜，由下至上依次包括底層；基片襯底；緩沖層絕緣勢壘層導電層；頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在基片襯底上施加電場；基片襯底為 鐵電或多鐵性材料，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；緩沖層為作為上電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；中間絕緣層為氧化物；頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化。通過在所述的底層和緩沖層(上下電極)之間施加電場，由于基片襯底(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。在上述納米多層膜中，所述的底層包括導電金屬材料；在上述納米多層膜中，所述的基片包括鐵電或多鐵性材料襯底；在上述納米多層膜中，所述的緩沖層能夠改善基片襯底與多層膜的界面，可作為上電極用于在鐵電或多鐵性薄膜材料上施加電場；在上述納米多層膜中，所述導電層能夠完美地生長在絕緣勢壘層上面，其電導能夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。在上述納米多層膜中，所述的導電層包括非磁金屬層、磁性金屬層、反鐵磁性層、導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等；在上述納米多層膜中，所述的非磁金屬層由非磁金屬或其合金組成，厚度為2-100nm ；在上述納米多層膜中，所述的中間導電層是為導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料組成。在上述納米多層膜中，所述的磁性金屬層由磁性金屬或其合金制成，厚度為2-100nm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2_100nm。在上述納米多層膜中，所述的磁性金屬層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層(AFM)/鐵磁性層(FM);間接釘扎結構包括反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/第二鐵磁性層(FM2)。在上述納米多層膜中，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。在上述納米多層膜中，所述鐵磁性層(FM)、第一鐵磁性層(FMl)和第二鐵磁性層(FM2)由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 lOOnm。在上述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。本發明的第二個方面，提供一種電場調制型納米多層膜，由下至上依次包括基片襯底；
底層；功能層緩沖層絕緣勢壘層導電層；頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在功能層上施加電場；功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；緩沖層作為 上電極用于在鐵電或多鐵性薄膜材料上施加電場；中間絕緣層為氧化物；頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化。通過在所述的底層和緩沖層(上下電極)之間施加電場。由于功能層(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。在上述納米多層膜中，所述的基片包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。在上述納米多層膜中，所述的底層包括導電金屬材料。在上述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜，可根據實際需要預先沉積種子層，用于優化與基片襯底的界面，改善鐵電或多鐵性納米薄膜的晶體結構。在上述納米多層膜中，所述的緩沖層能夠改善絕緣勢壘層和功能層的界面，可作為上電極用于在鐵電或多鐵性薄膜材料上施加電場。在上述納米多層膜中，所述導電層能夠完美地生長在絕緣勢壘層上面，其電導(電阻)夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。在上述納米多層膜中，所述的導電層包括非磁金屬層、磁性金屬層、反鐵磁性層、導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等。在上述納米多層膜中，所述的非磁金屬層由非磁金屬或其合金組成，厚度為2_100nmo在上述納米多層膜中，所述的中間導電層是為導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料組成。在上述納米多層膜中，所述的磁性金屬層由磁性金屬或其合金制成，厚度為2-100nm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2_100nm。在上述納米多層膜中，所述的磁性金屬層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層(AFM)/鐵磁性層(FM);間接釘扎結構包括反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/第二鐵磁性層(FM2)。在上述納米多層膜中，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。在上述納米多層膜中，所述鐵磁性層(FM)、第一鐵磁性層(FMl)和第二鐵磁性層(FM2)由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 lOOnm。在上述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。
根據本發明的第三個方面，提供一種電場調控型納米多層膜，由下至上依次包括底層基片襯底；磁性層；頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；基片襯底為鐵電或多鐵性材料，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化。通過在所述的底層和頂部覆蓋層(上下電極)之間施加電場，由于基片襯底(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻的產生。在上述納米多層膜中，所述的基片包括鐵電或多鐵性材料襯底。在上述納米多層膜中，所述磁性層能夠完美地生長在基片襯底材料上面，其電導能夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。在上述納米多層膜中，所述的磁性層由鐵磁金屬或其合金制成，厚度為2-100nm;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2-100nm。
在上述納米多層膜中，所述的磁性層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層(AFM)/鐵磁性層(FM);間接釘扎結構包括反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/第二鐵磁性層(FM2)。在上述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料制成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。在上述納米多層膜中，所述鐵磁性層(FM)、第一鐵磁性層(FMl)和第二鐵磁性層(FM2)由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 lOOnm。在上述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。本發明的第四個方面，提供一種電場調控型納米多層膜，由下至上依次包括基片襯底；底層；功能層磁性層；頂部覆蓋層；其中所述的基片襯底為非鐵電或多鐵性材料；所述底層為導電材料；作為下電極用于在功能層上施加電場；功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化。通過在所述的底層和頂部覆蓋層(上下電極)之間施加電場，由于功能層(鐵電或多鐵性薄膜材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰金屬和磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。在上述納米多層膜中，所述的底層包括導電金屬材料。在上述納米多層膜中，所述的基片包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。在上述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜。在上述納米多層膜中，所述磁性層能夠完美地生長在功能層的材料上面，其電導能夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。在上述納米多層膜中，所述的磁性層由鐵磁金屬或其合金制成，厚度為2-100nm ；或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2-100nm。
·
在上述納米多層膜中，所述的磁性層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層(AFM)/鐵磁性層(FM);間接釘扎結構包括反鐵磁性層(AFM)/第一鐵磁性層(FMl)/非磁性金屬層(NM)/第二鐵磁性層(FM2)。在上述納米多層膜中，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。在上述納米多層膜中，所述鐵磁性層(FM)、第一鐵磁性層(FMl)和第二鐵磁性層(FM2)由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 lOOnm。在上述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。本發明的第五個方面，提供一種電場調制型納米多層膜，由下至上依次包括基片襯底；功能層；緩沖層絕緣勢壘層；導電層；頂部覆蓋層；所述功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；所述中間的絕緣勢壘層為氧化物；所述頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化；通過在所述的功能層兩側施加面內電場，由于功能層(鐵電或多鐵性材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。其中，所述納米多層膜中，所述的基片包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。其中，所述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜，可根據實際需要預先沉積種子層，用于優化與基片襯底的界面，改善鐵電或多鐵性納米薄膜的晶體結構。其中，所述的納米多層膜中，所述的緩沖層可根據實際需求進行添加或去除。其中，所述納米多層膜中，所述導電層生長在所述絕緣勢壘層材料上面，其電導能夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。其中，所述納米多層膜中，所述的導電層包括非磁金屬層、磁性金屬層、反鐵磁性層、導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等。其中，所述納米多層膜中，所述的非磁金屬層由非磁金屬或其合金組成，厚度為2-100nm ;所述的磁性金屬層由磁性金屬或其合金制成，厚度為2_100nm或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2-100nm ;所述磁性金屬層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁
性金屬層/第二鐵磁性層。
其中，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。其中，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 IOOnm0其中，所述納米多層膜中，所述頂部覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。本發明的第六個方面，提出一種電場調控型納米多層膜，由下至上依次包括基片襯底；功能層磁性層；頂部覆蓋層；其中所述的基片襯底為非鐵電或多鐵性材料；功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化；通過在所述的功能層兩側施加面內電場，由于功能層(鐵電或多鐵性薄膜材料)的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰金屬和磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。其中，所述納米多層膜中，所述的基片包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。其中，所述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜。其中，所述納米多層膜中，所述磁性層生長在所述功能層的材料上面，并能夠通過磁電耦合與功能層發生相互作用。其中，所述納米多層膜中，所述的磁性層由鐵磁金屬或其合金制成，厚度為2-100nm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2_100nm。 其中，所述納米多層膜中，所述的磁性層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁性金屬
層/第二鐵磁性層。其中，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。其中，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2 IOOnm0其中，所述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。本發明的第七個方面，提供一種基于電致電阻效應的電場調制型場效應管。根據本發明第一、二、三、四方面所述的電場調控型納米多層膜，通過在柵極施加不同的電壓，在頂部覆蓋層和底層之間形成一定的電場。另在源極和漏極之間施加一定的電壓，由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下，多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同。因此，可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的電導或電阻值的大小。本發明的第八個方面，提供一種基于電致電阻效應的電場調制型場效應管。根據本發明第五、六方面所述的電場調控型納米多層膜，可以在功能層的兩側施加一定的電壓，從而在功能層的兩側形成面內電場。由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同。因此，可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的 電導或電阻值的大小。本發明的第九個方面，提供一種基于電致電阻效應的開關型電場傳感器。根據本發明的第一、二、三、四方面所述的電場調控型納米多層膜，使得當在外電場作用下，納米多層膜的電致電阻會發生變化，從而對應的獲得高低電阻輸出特性。本發明的第十個方面，提供一種基于電致電阻效應的開關型電場傳感器。根據本發明的第五、六方面所述的電場調控型納米多層膜，使得當在外電場作用下，納米多層膜的電致電阻會發生變化，從而對應的獲得高低電阻輸出特性。其中，也可以在功能層的兩側施加一定的電壓，在功能層的兩側形成面內電場。由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同。因此，可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的電導或電阻值的大小。本發明的第十一個方面，提供一種基于電致電阻效應的、即以電場調控的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching Random AccessMemory，ERAM)(簡稱電隨機存儲器)。采用本發明的第一、二、三、四方面所述的電場調控型納米多層膜。其中，本發明的第十二方面其中，提供一種基于電致電阻效應的、即以電場調控的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器(Electric-field-switching RandomAccess Memory, ERAM)(簡稱電隨機存儲器)。采用本發明的第五、六方面所述的電場調控型納米多層膜。其中，也可以在功能層的兩側施加一定的電壓，在功能層的兩側形成面內電場。由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同。因此，可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的電導或電阻值的大小。本發明的第十三方面提出一種電場調控型納米多層膜的制備方法，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積、分子束外延、原子層沉積或氣相化學反應沉積生長方法依次沉積底層、緩沖層、絕緣勢壘層、導電層及頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；基片襯底為鐵電或多鐵性材料，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；緩沖層作為上電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；中間的絕緣勢壘層為氧化物；頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化；通過在所述的底層和緩沖層之間施加電場，由于基片襯底的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。本發明的第十四方面提出另一種一種電場調控型納米多層膜的制備方法，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積、分子束外延、原子層沉積或氣相化學反應沉積生長方法在基片襯底上依次沉積底層、功能層、緩沖層、絕緣勢壘層、導電層及頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在功能層上施加電場；所述功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；所述緩沖層作為上電極用于在鐵電或多鐵性薄膜材料上施加電場；所述中間的絕緣勢壘層為氧化物；所述頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化，通過在所述的底層和緩沖層之間施加電場，或在功能層的兩側施加面內電場，由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。本發明的第十五方面提出又一種電場調控型納米多層膜的制備方法，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積、分子束外延、原子層沉積或氣相化學反應沉積生長方法在基片襯底上依次沉積底層、磁性層及頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在鐵電或多鐵性材料上施加電場；基片襯底為鐵電或多鐵性材料，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化，通過在所述的底層和頂部覆蓋層之間施加電場，由于基片襯底的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰金屬層(磁性層)的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。本發明的第十六方面提出再一種電場調控型納米多層膜的制備方法，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積、分子束外延、原子層沉積或氣相化學反應沉積生長方法在基片襯底上依次沉積底層、功能層、磁性層及頂部覆蓋層；其中所述的基片襯底為非鐵電或多鐵性材料；所述底層為導電材料，作為下電極用于在功能層上施加電場；功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化；通過在所述的底層和頂部覆蓋層之間施加電場，或在功能層的兩側施加面內電場，由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰金屬層(磁性層)的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。圖Ia示出根據本發明實施例的納米多層膜，其由下至上依次包括底層102(簡稱為BOL I)、基片101 (簡稱為SUB)、底層103 (簡稱為BOL 2)、功能層104 (簡稱為FCL)、緩沖層105 (簡稱為BFL)、絕緣層106 (簡稱為ISO)、中間導電層107 (簡稱為ML)、覆蓋層108(簡稱為CAP)。以下對各個層進行詳細說明。基片101為鐵電或多鐵性襯底，或一般性襯底包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等。在上述的基片襯底中，基片101為鐵電或多鐵性襯底，包括Pb (Mgl73Nb273)O3-PbTiO3 (PMN-PT)、BiFeO3 (BFO)、BaTi03、Pb (Zn1/3Nb2/3) O3-PbTiO3 (PZN-PT) 、PbTiO3 (PTO)、SrTiO3(STO)、SrZrO3> SrTiZr03、Pr0 7Ca0 3MnO3^ BiMnO3 等鐵電或多鐵性襯底，厚度為 0. I Imm0在上述納米多層膜中，所述的基片為一般性襯底，包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底等，厚度為0. I 1mm。在上述納米多層膜中，底層102為導電金屬層。該導電金屬層一般米用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au 或其合金制作，厚度為 2. 0 IOOnm0在納米多層膜中，底層103為導電金屬層。該導電金屬層一般米用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au 或其合金制作，厚度為 2. 0 IOOnm功能層為104為鐵電或多鐵性薄膜。該鐵電或多鐵性薄膜材料優選Pb (Mgl73Nb273)O3-PbTiO3(PMN-PT)、BiFeO3(BFO)、BaTiO3(BTO)、PbTiO3(PTO)、SrTiO3(STO)、SrZrO3^SrTiZrO3^ Pr0.7Ca0.3Mn03> BiMnO3等，厚度為5_500nm ;為了保證功能層比較好且和基片襯底結合較緊密，可以預先沉積SrRuO3、TiO2等種子層。緩沖層105—般采用導電性比較好且和襯底結合較緊密的非磁性金屬層(包括單層或者多層)，其材料優選Ta、Ru、Cr、Au、Ag、Pt、Pd、Cu、CuN等,也可以是金屬合金或金屬 復合層，厚度可為2. 0 lOOnm。絕緣層106 —般為 AlOpMgCKMghZnxCKAlNJaA'MgAlOpZnCKMgSiOpSiOyHf^、Ti02、Alq3、LB 有機復合薄膜、GaAs> AlGaAs> InAs 等材料制作,優選 MgO、AlOx> MgZnO> AlN和Alq3、LB有機復合薄膜，厚度一般在為0. 5 10nm。中間導電層107是為鐵磁性金屬，或直接釘扎結構或間接釘扎結構。“直接釘扎”是指反鐵磁材料層AFM直接和鐵磁性層FM接觸(簡寫為AFM/FM)，“間接釘扎”是指在二者之間插入復合層NM/FM(簡寫為FM1/NM/FM2/AFM)。在上述磁性層107中，鐵磁金屬包括自旋極化率比較高的鐵磁性金屬，優選Co、Fe、Ni ;或者這些鐵磁性金屬的合金薄膜，優選Co-Fe、Co-Fe-B, NiFeCr或Ni-Fe (如Ni81Fe19, Co75Fe25)等鐵磁性合金，厚度為2. 0 IOOnm ;或者是諸如GaMnAs、Ga-Mn-N等稀磁半導體材料,或諸如 Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si、Co-Mn-Ge、Co-Mn-Ga, Co-Mn-Ge-Ga, LalxSrxMnO3^ La1^xCaxMnO3 (其中 0 < X < I)等半金屬材料，厚度為2. 0 IOOnm0在上述磁性層107中，反鐵磁性層AFM包括具有反鐵磁性的合金材料，優選Pt-Mn、Ir-Mn, Fe-Mn和Ni_Mn，厚度為5 50nm ;或具有反鐵磁性的氧化物，優選CoO、NiO,厚度為5 50nm。鐵磁性層FM采用自旋極化率比較高的鐵磁性金屬，優選Co、Fe、Ni ;或者這些鐵磁性金屬的合金薄膜，優選 Co-Fe、Co-Fe-B> NiFeCr 或 Ni-Fe (如Ni81Fe19、Co75Fe25)等鐵磁性合金，厚度為2. 0 IOOnm ;或者是諸如GaMnAs、Ga-Mn-N等稀磁半導體材料，或諸如 Co-Mn-Si、Co-Fe-Al、Co-Fe-Si、Co-Mn-Al、Co-Fe-Al-Si, Co-Mn-Ge, Co-Mn-Ga,Co-Mn-Ge-Ga、La1^xSrxMnO3> LahCaxMnO3(其中 0 < X < I)等半金屬材料，厚度為 2. 0 lOOnm。插在鐵磁性層FM和反鐵磁性層AFM之間的超薄非磁性金屬層匪一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au 或其合金制作，厚度為 0. I 5nm。在上述中間導電層是為導電性比較好的非磁性金屬層(包括單層或者多層復合金屬薄膜)。其材料優選 Ta、Cu、Ti、Ru、Au、Ag、Pt、Al、Cr、V、W、Nb 等，厚度為 2. 0 IOOnm0在上述中間導電層是為反鐵磁性金屬層。其材料優選IrMn、FeMn、PtMn、NiMn,厚度為5 50nm。或具有反鐵磁性的氧化物，優選CoO、NiO等，厚度為5 50nm。在上述中間導電層是為導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等。其材料優選Graphene、摻雜聚乙炔、Sb、Bi_Te、Bi_Se、Sb-Te等導電材料。
覆蓋層108為不易被氧化且導電性比較好的的金屬層(包括單層或者多層復合金屬薄膜)，其材料優選Ta、Cu、Ti、Ru、Au、Ag、Pt等，厚度為2. 0 200nm,用于保護核心結構不被氧化和腐蝕。因此，本發明的磁性納米多層膜結構包括但不限于結構A B0L 1/SUB/B FL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP (圖 lb);結構B SUB/B0L 2/FCL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP (圖 lc)；結構C SUB/B0L 2/FCL/BFL/IS0/NM(or FM, or AFM) /CAP (圖 Id)；
結構D SUB/B0L 2/FCL/FM1/NM/FM2/AFM/CAP (圖 le)；結構E SUB/B0L 2/FCL/FM/AFM/CAP (圖 If)；結構F SUB/B0L 2/FCL/FM1/NM/FM2/CAP (圖 lg)；結構G SUB/B0L 2/FCL/FM/CAP (圖 lh)；結構H B0L 1/SUB/FM1/NM/FM2/AFM/CAP (圖 li);結構I :B0L 1/SUB/FM/AFM/CAP (圖 lj)；結構J B0L 1/SUB/FM1/NM/FM2/CAP (圖 lk)；結構K B0L1/SUB/FM/CAP(圖 11);示例I :在磁控濺射設備上以真空優于2 X 10_6Pa，沉積速率為0. 06nm/s，氬氣壓為0. 07Pa的條件，直接在(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底上生長5nm Co75Fe25作為磁性層。接著在5nm Co75Fe25磁性層上直接沉積6nm Ta作為頂部覆蓋層，防止Co75Fe25磁性層的氧化。然后將得到的納米多層膜放入磁控濺射設備，真空優于2X10_5Pa，沉積速率為10nm/min，氬氣壓為0. IPa,在6nm Ta覆蓋層的頂部沉積IOOnm的Au膜，以備制備頂部電極。最后在
(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片的背部直接沉積IOnm Cr、IOOnmAu膜作為背部底層電極，以便施加電場。在接觸電極和(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片下表面的Au膜之間施加(_8kV/cm)至8kV/cm的電場，如圖2a所示；圖2b為在接觸電極和(001)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片下表面的Au膜之間施加外加變化的電場E與納米多層膜的電阻的測量結果示意圖。示例 2 在磁控濺射設備上以真空優于I X 10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s,沉積時氬氣壓為0. 07Pa的條件，在(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片上沉積Ta(5nm)緩沖層(BFL)。然后在磁控濺射設備上以真空優于2X 10_6Pa，沉積速率為0. 07nm/s，氬氣壓為0. 07Pa的條件，直接在緩沖層Ta上沉積厚度為I. Onm的AlOx作為絕緣勢壘層。接著在真空優于I X 10_6Pa，沉積速率為0. lnm/s，沉積氬氣壓為0. 07Pa的條件下，在I. Onm AlOx的絕緣勢壘層上直接沉積5nm的磁性金屬Co75Fe25 (或直接沉積5nm的非磁性金屬Al,或沉積5nm的反鐵磁性層IrMn)作為中間導電層。在(001)-PMN-PT鐵電氧化物襯底下表面濺射IOnm Cr、100nm左右的Au，便于施加電場。在接觸電極和(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片下表面的Au膜之間施加(_8kV/cm)至8kV/cm的電場。如圖3a所示；圖3b為中間導電層為Co75Fe25，外加變化的電場E與納米多層膜電阻R的測量結果示意圖；圖3c為中間導電層為Co75Fe25，外加變化的電場E與納米多層膜電阻R的測量結果示意圖，并在測量的同時施加IkOe的磁場，以便測量分析納米多層膜的電阻與外加變化的電場，以及外加固定磁場之間的關系。從圖中可以看出仍然存在 260%的電阻變化關系。另外從測量結果可以分析出，所加的外磁場并沒有對納米多層膜的R-E曲線造成影響。說明該效應并非起源于磁相互作用。圖3d為中間導電層為5nm的Al膜，外加變化的電場E與納米多層膜電阻R的測量結果示意圖。從圖中可以看出仍然存在 100%的電阻變化。也從側立面說明了該效應的并非來源于磁電相互作用。圖3e為中間導電層為5nm的IrMn薄膜，外加變化的電場E與納米多層膜電阻R的測量結果示意圖。從圖中可以看出仍然存在 44%的電阻變化。示例3 :按照示例I和2的方法，利用磁控濺射設備，在(OOl)-PMN-PT鐵電基片襯底上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層AlOxInnu中間導電層Co75Fe255nm和頂部覆蓋層Ta5nm。最后在(001)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片的背面沉積底層Au lOOnm。制作電極首先在制備的納米多層膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在緩沖層Ta ;然后再次利用磁控濺射設備沉積絕緣層SiO2，絕緣層SiO2的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入 丙酮進行光刻膠的剝離；再一次重復以上光刻步驟，在制備的納米多層膜的上面旋涂Ium厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在導電層Co75Fe25 ;然后再次利用磁控濺射設備沉積絕緣層SiO2，絕緣層SiO2的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次重復以上光刻步驟，在制備的納米多層膜的上面旋涂Iu m厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在緩沖層Ta ;然后再次利用磁控濺射設備沉積Cr 5nm、Au 10nm，二者的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次利用磁控濺射設備，在剝離SiO2后的器件上面沉積Cr 10nm、AulOOnm ;再一次重復以上光刻步驟,在整個器件表面均勻旋涂I U m厚的S1813紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，最后將器件放入丙酮去除光刻膠，得到源極S、柵極g和漏極d。如圖4a所示，場效應管的結構原理結構示意圖。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓\，在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例4 :按照示例I和2的方法，利用脈沖激光沉積(PLD)、原子層沉積(ALD)、分子束外延或磁控濺射設備，在Si/Si02襯底上沉積底層金屬Cu 50nm,然后利用脈沖激光沉積(PLD)、原子層沉積(ALD)、分子束外延或磁控濺射設備沉積功能層(001)-PMN-PT鐵電氧化物(可根據技術要求預先生長種子層)，接著在PMN-PT鐵電氧化物薄膜上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層A10xlnm、中間導電層Co75Fe255nm和頂部覆蓋層Ta 5nm。制作電極首先在制備的納米多層膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在緩沖層Ta ;然后再次利用磁控濺射設備沉積絕緣層SiO2，絕緣層SiO2的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次重復以上光刻步驟，在制備的納米多層膜的上面旋涂Ium厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在導電層Co75Fe25 ;然后再次利用磁控濺射設備沉積絕緣層SiO2，絕緣層SiO2的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次重復以上光刻步驟，在制備的納米多層膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在緩沖層Ta ;然后再次利用磁控濺射設備沉積Cr 5nm、Au 10nm，二者的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次利用磁控濺射設備，在剝離SiO2后的器件上面沉積Cr IOnm>Au IOOnm ;再一次重復以上光刻步驟,在整個器件表面均勻旋涂I U m厚的S1813紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，最后將 器件放入丙酮去除光刻膠，得到源極S、柵極g和漏極d。如圖4b所示，場效應管的結構原理結構示意圖。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓\，在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例5 :按照示例I和2的方法，利用磁控濺射設備，在(OOl) -PMN-PT鐵電氧化物襯底基片上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層AlOxInnu中間導電層Co75Fe255nm和頂部覆蓋層Ta 5nm。最后在(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片的背面沉積底層Au IOOnm0制作電極首先在制備的納米多層膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在緩沖層Ta ;然后再次利用磁控濺射設備沉積絕緣層SiO2，絕緣層SiO2的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次利用磁控濺射設備，在剝離SiO2后的器件上面沉積AuIOOnm ;再一次重復以上光刻步驟，在整個器件表面均勻旋涂I U m厚的S1813紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，最后將器件放入丙酮去除光刻膠，得到源極S、柵極g和漏極d。如圖4c所示，場效應管的結構原理結構示意圖。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例6 :按照示例3方法，利用磁控濺射設備，在(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層AlOxInnu中間導電層Co75Fe255nm和頂部覆蓋層Ta5nm。最后在(001)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片的背面沉積底層Au lOOnm。制作電極首先在制備的納米多層膜的上面旋涂 I U m厚的ma-N440紫外光刻負膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在緩沖層Ta ;然后再次利用磁控濺射設備沉積絕緣層SiO2，絕緣層SiO2的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次重復以上光刻步驟，在整個器件表面均勻旋涂 Iym厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用使用等離子刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，即在絕緣層SiO2進行打孔，刻蝕深度至緩沖層Ta。然后將器件放入丙酮中去除光刻膠；再一次利用磁控濺射設備，在器件上面沉積Au IOOnm ;再一次重復以上光刻步驟，在整個器件表面均勻旋涂I U m厚的S1813紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，最后將器件放入丙酮去除光刻膠，得到源極S、柵極g和漏極d。如圖4d所示，場效應管的結構原理結構示意圖。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電 壓\，在源極和漏極之間施加Vds，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例7 :按照示例I和2的方法，利用脈沖激光沉積(PLD)、原子層沉積(ALD)、分子束外延或磁控濺射設備，在Si/Si02襯底上沉積底層金屬Cu 50nm,然后利用脈沖激光沉積(PLD)、原子層沉積(ALD)、分子束外延或磁控濺射設備沉積功能層(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物(可根據技術要求預先生長種子層)，接著在PMN-PT鐵電氧化物薄膜上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層A10xlnm、中間導電層Co75Fe255nm和頂部覆蓋層Ta 5nm。制作電極首先在制備的納米多層膜的上面旋涂I U m厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在緩沖層Ta ;然后再次利用磁控濺射設備沉積絕緣層SiO2，絕緣層SiO2的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次利用磁控濺射設備，在剝離SiO2后的器件上面沉積AuIOOnm ;再一次重復以上光刻步驟，在整個器件表面均勻旋涂I U m厚的S1813紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，最后將器件放入丙酮去除光刻膠，得到源極S、柵極g和漏極d。如圖4e所示，場效應管的結構原理結構示意圖。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例8 :按照示例I和2的方法，利用脈沖激光沉積(PLD)、原子層沉積(ALD)、分子束外延或磁控濺射設備，在Si/Si02襯底上沉積底層金屬Cu 50nm,然后利用脈沖激光沉積(PLD)、原子層沉積(ALD)、分子束外延或磁控濺射設備沉積功能層(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物(可根據技術要求預先生長種子層)，接著在PMN-PT鐵電氧化物薄膜上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層AlOxInnu中間導電層Co75Fe255nm和頂部覆蓋層Ta 5nm。制作電極首先在制備的納米多層膜的上面旋涂 I U m厚的ma-N440紫外光刻負膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子干法刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，刻蝕深度截止在緩沖層Ta ;然后再次利用磁控濺射設備沉積絕緣層SiO2，絕緣層SiO2的厚度基本能夠將刻蝕區域填平；然后將制備的器件放入丙酮進行光刻膠的剝離；再一次重復以上光刻步驟，在整個器件表面均勻旋涂 I Pm厚的ma-N440紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用使用等離子刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，即在絕緣層SiO2進行打孔，刻蝕深度至緩沖層Ta。然后將器件放入丙酮中去除光刻膠；再一次利用磁控濺射設備，在器件上面沉積Au IOOnm ;再一次重復以上光刻步驟，在整個器件表面均勻旋涂I U m厚的S1813紫外光刻膠，利用預先制備的光刻板和紫外曝光機進行曝光處理；對紫外曝光后的光刻膠進行顯影、定影；使用等離子刻蝕法進行刻蝕沒有光刻膠覆蓋的區域，最后將器件放入丙酮去除光刻膠，得到源極S、柵極g和漏極d。如圖4f 所示，場效應管的結構原理結構示意圖。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓Ve，在源極和漏極之間施加Vds，通過不同的電壓對源極和 漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例9 :按照示例3方法，利用磁控濺射設備，在(001) -PMN-PT鐵電氧化物襯底基片上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層A10xlnm、中間導電層Al 5nm和頂部覆蓋層Ta 5nm。最后在(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片的背面沉積底層IOnm Cr、Au lOOnm。利用示例3中的微加工方法，制備場效應管的源極S、柵極g和漏極d。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓\，在源極和漏極之間施加Vds，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例10 :按照示例3方法，利用磁控濺射設備，在(001) -PMN-PT鐵電氧化物襯底基片上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層A10xlnm、中間導電層Al 5nm和頂部覆蓋層Ta 5nm。最后在(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片的背面沉積底層IOnm Cr,Au lOOnm。利用示例4中的微加工方法，制備場效應管的源極S、柵極g和漏極d。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓\，在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例11 :按照示例3方法，利用磁控濺射設備，在(001) -PMN-PT鐵電氧化物襯底基片上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層AlOxInnu中間導電層IrMn 5nm和頂部覆蓋層Ta5nm。最后在(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片的背面沉積底層IOnm Cr、Au lOOnm。利用示例3中的微加工方法，制備場效應管的源極S、柵極g和漏極d。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓\，在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例12 :按照示例3方法，利用磁控濺射設備，在(001) -PMN-PT鐵電氧化物襯底基片上依次沉積緩沖層Ta 5nm、絕緣層AlOxInnu中間導電層IrMn 5nm和頂部覆蓋層Ta5nm。最后在(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物襯底基片的背面沉積底層IOnm Cr、Au lOOnm。利用示例4中的微加工方法，制備場效應管的源極S、柵極g和漏極d。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓\，在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例13 :按照示例4方法，利用磁控濺射設備，在Si/Si02襯底基片上依次沉積沉積功能層(001)-PMN-PT鐵電氧化物、氧化物絕緣層AlOxInnu導電層Co75Fe255nm和覆蓋層Ta5nm。利用一定的微加工方法,制備場效應管的源極S、柵極g和漏極d,如圖4g所示。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例14 :按照示例4方法，利用磁控濺射設備，在Si/Si02襯底基片上依次沉積沉積功能層(OOl)-PMN-PT鐵電氧化物、磁性層Co75Fe255nm和覆蓋層Ta5nm。利用一定的微加工方法，制備場效應管的源極S、柵極g和漏極d，如圖4h所示。按照示例I和2中的測試方法，在柵極g上施加變化的電壓\，在源極和漏極之間施加VDS，通過不同的電壓對源極和漏極之間的電阻進行調制，從而獲得不同的漏極電流，即獲得輸出特性曲線。示例15 圖5a是本發明實施例13基于可逆電致電阻效應的電阻隨機存儲器單元的原理示
意圖。從圖中可以看出，該存儲單元包括電致電阻納米器件、字線(word line)、讀位線(bitline)、寫位線(digit line)、地線(ground line)和 I 個晶體管。在ERAM的尋址讀出操作中，首先由被選擇的字線word line給出一個適當的電平使晶體管工作于導通狀態，然后由被選擇的讀位線bit line相應地導出一個讀出電流，該讀出電流 ImA,經由納米存儲單元的漏極、源極、晶體管到達地線ground line,從而獲得當前納米存儲單元電阻大小，同預先標準值進行比較，得到ERAM單元中存儲的數據信息。在ERAM的尋址寫入操作中，首先由被選擇的字線word line給出一個適當的電平使晶體管工作于導通狀態，然后由被選擇的寫位線digit line施加一個較大的電壓(該電壓大于電阻的臨界翻轉電壓Vtl),這樣就在柵極和底層之間形成電場，由于電致電阻效應，就可以實現納米存儲單元的高低阻態的變化，這樣就完成了對ERAM存儲單元數據的寫入。以上ERAM存儲單元是根據示例3設計原理為基礎進行設計，那么同樣可以根據示例4、5、6、7、8、13、14的設計原理進行設計ERAM存儲單元，如圖5b、5c、5d、5e、5f、5g、5h。根據示例4、5、6、7、8、13、14的設計原理為基礎設計的ERAM存儲單元，工作原理同圖5a中存儲單元類似。其中圖5b、5e、5f中的最底層空白區域對應為基片襯底，是非鐵電或多鐵性材料。字線、寫位線、讀位線、地線等外圍電路都應基于基片襯底為基礎進行設計制備。以上ERAM存儲單元的結構示意圖僅標示出核心結構層，其它附屬結構層可根據實際情況添加，但仍處于本專利的保護范圍之內。本發明提供一種提出一種電場調控型納米多層膜、電場調制型場效應管、開關型電場傳感器及電場驅動型隨機存儲器及制備方法，以用來獲得室溫下電場調制納米多層薄膜中的電致電阻效應。本發明通過變化的電場對鐵電或多鐵性材料的電極化特性的調制，影響和改變導電層的電導，調控器件電阻的變化，從而獲得不同的電場對應不同的電阻態。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種電場調制型納米多層膜，其特征在于，由下至上依次包括 基片襯底； 底層； 功能層； 緩沖層； 絕緣勢魚層； 導電層； 頂部覆蓋層； 其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在功能層上施加電場；所述功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；所述緩沖層作為上電極用于在鐵電或多鐵性薄膜材料上施加電場；所述中間的絕緣勢壘層為氧化物；所述頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化，通過在所述的底層和緩沖層之間施加電場，由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生，或在功能層的兩側施加面內電場，同樣由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態。
2.根據權利要求I所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的基片襯底包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底。
3.根據權利要求I所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的底層包括導電金屬材料。
4.根據權利要求I所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜，可根據實際需要預先沉積種子層。
5.根據權利要求I所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述導電層生長在所述絕緣勢壘層上面，其電導能夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。
6.根據權利要求5所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的導電層包括非磁金屬層、磁性金屬層、反鐵磁性層、導電分子材料、拓撲絕緣體材料、或摻雜導電半導體材料等。
7.根據權利要求6所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的非磁金屬層由非磁金屬或其合金組成，厚度為2-100nm。
所述的磁性金屬層由磁性金屬或其合金制成，厚度為2-100nm或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2-100nm。
所述的磁性金屬層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁性金屬層/第二鐵磁性層。
8.根據權利要求6所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層由反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。
9.根據權利要求7所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2 lOOnm。
10.根據權利要求I所述的電場調制型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述頂部覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。
11.一種電場調控型納米多層膜，其特征在于，由下至上依次包括 基片襯底； 底層； 功能層 磁性層； 頂部覆蓋層； 其中所述的基片襯底為非鐵電或多鐵性材料；所述底層為導電材料；作為下電極用于在功能層上施加電場；功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化；通過在所述的底層和頂部覆蓋層之間施加電場，由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰金屬和磁性層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生，或在功能層的兩側施加面內電場，同樣由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態。
12.根據權利要求11所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的底層包括導電金屬材料。
13.根據權利要求11所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的基片襯底包括Si襯底、SiC、玻璃襯底或Si-SiO2襯底，MgO單晶襯底、Al2O3單晶襯底或者有機柔性襯底。
14.根據權利要求11所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的功能層包括鐵電或多鐵性納米薄膜。
15.根據權利要求11所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述磁性層生長在所述功能層的材料上面，其電導能夠通過電極化相互作用或者磁電耦合作用受到底部鐵電或多鐵性薄膜的電極化強度大小及方向的調控。
16.根據權利要求11所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的磁性層由鐵磁金屬或其合金制成，厚度為2-100nm;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成，厚度為2-100nm。
17.根據權利要求11所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述的磁性層包括直接或間接釘扎結構，直接釘扎結構包括反鐵磁性層/鐵磁性層；間接釘扎結構包括反鐵磁性層/第一鐵磁性層/非磁性金屬層/第二鐵磁性層。
18.根據權利要求17所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述反鐵磁性層有反鐵磁性材料構成，所述反鐵磁性材料包括具有反鐵磁性的合金或氧化物。
19.根據權利要求17所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述鐵磁性層、第一鐵磁性層和第二鐵磁性層由鐵磁性金屬或其合金制成，厚度為2 IOOnm ;或由稀磁半導體材料或半金屬材料制成,厚度為2 lOOnm。
20.根據權利要求17所述的電場調控型納米多層膜，其特征在于，所述納米多層膜中，所述覆蓋層包括由非易氧化金屬材料制成的單層或多層薄膜，厚度為2 200nm。
21.一種基于電致電阻效應的電場調制型場效應管，其特征在于，包括權利要求1-20中任意一項所述的電場調控型納米多層膜。
22.根據權利要求21所述的基于電致電阻效應的電場調制型場效應管，其特征在于，通過在柵極施加不同的電壓，在頂部覆蓋層和底層之間形成一定的電場，另在源極和漏極之間施加一定的電壓，由于電致電阻效應的產生，在不同的電場下，多層膜的電阻不同，造成從源極到漏極的電導不同，即可以通過柵極電壓來調控從源極到漏極的電導或電阻值的大小，或在功能層的兩側施加面內電場，同樣由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態。
23.一種基于電致電阻效應的開關型電場傳感器、其特征在于，包括權利要求1-20中任意一項所述的電場調控型納米多層膜。
24.一種基于電致電阻效應的、即以電場調控的納米器件為存儲單元的電場驅動型隨機存儲器，其特征在于，包括權利要求1-20中任意一項所述的電場調控型納米多層膜。
25.權利要求I所述的電場調控型納米多層膜的制備方法，其特征在于，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積、分子束外延、原子層沉積或氣相化學反應沉積生長方法在基片襯底上依次沉積底層、功能層、緩沖層、絕緣勢壘層、導電層及頂部覆蓋層；其中所述底層為導電材料，作為下電極用于在功能層上施加電場；所述功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；所述緩沖層作為上電極用于在鐵電或多鐵性薄膜材料上施加電場；所述中間的絕緣勢壘層為氧化物；所述頂部覆蓋層為保護層，防止中間導電層被氧化；通過在所述的底層和緩沖層之間施加電場，或在功能層的兩側施加面內電場，由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。
26.權利要求11所述的電場調控型納米多層膜的制備方法，其特征在于，采用磁控濺射并結合激光輔助沉積、分子束外延、原子層沉積或氣相化學反應沉積生長方法在基片襯底上依次沉積底層、功能層、磁性層及頂部覆蓋層； 其中所述的基片襯底為非鐵電或多鐵性材料；所述底層為導電材料，作為下電極用于在功能層上施加電場；功能層為鐵電或多鐵性薄膜，可在電場的作用下改變和調控其電極化強度的大小及其方向；頂部覆蓋層作為上電極和保護層，防止中間磁性層被氧化；通過在所述的底層和頂部覆蓋層之間施加電場，或在功能層的兩側施加面內電場，由于功能層的電極化強度大小及其方向的改變，影響和改變相鄰導電層的面內電導，可獲得不同電場下不同的電阻態，導致可逆電致電阻效應的產生。
全文摘要
一種電場調控型納米多層膜、電場調制型場效應管、開關型電場傳感器及電場驅動型隨機存儲器及制備方法，以用來獲得室溫下電場調制多層薄膜中的電致電阻效應。該納米多層膜由下至上依次包括底層1、基片、底層2、功能層、緩沖層、絕緣層、中間導電層、覆蓋層，中間導電層為磁性金屬、磁性合金或者磁性金屬復合層時，緩沖層和絕緣層可以根據實際需要選擇性的添加。當中間導電層為非磁性金屬層或反鐵磁性金屬層時，緩沖層和絕緣層必須添加，以便獲得較高的信噪比。本發明通過變化的電場對鐵電或多鐵性材料的電極化特性進行調制，從而達到影響和改變金屬層的電導的作用，調控器件電阻的變化，獲得不同的電場下對應不同的電阻態，實現電致電阻效應。
文檔編號H01L45/00GK102709470SQ20111030480
公開日2012年10月3日 申請日期2011年9月27日 優先權日2011年9月19日
發明者劉厚方, 瑞之萬, 韓秀峰 申請人:中國科學院物理研究所