一種可實現磁性薄膜磁矩非易失性取向的調制方法【
技術領域：
】[0001]本發明屬于電子材料
技術領域：
，具體涉及一種多鐵異質結及基于該多鐵異質結實現磁性薄膜磁矩非易失性取向的調制方法。【
背景技術：
】[0002]調控磁性薄膜中磁矩的取向，進而改變相應磁性器件的性能具有十分重要的研宄和技術應用價值。傳統調節磁性材料中磁矩取向的方法是施加一個外加磁場來使磁矩轉向，但外加磁場需要采用電磁鐵來實現，不僅體積大、質量重，而且需要通電流來產生磁場，能耗較高。[0003]近年來，多鐵異質結的出現，實現了電壓對磁性薄膜磁矩的電壓調控。多鐵異質結是在具有壓電效應的單晶PMN-PT/PZN-PT基片或多晶的PZT基片上，通過鍍膜或粘接的方式附上磁性薄膜材料得到。多鐵異質結對磁性薄膜的磁矩取向的調制主要是利用壓電基片的逆壓電效應(給壓電基片施加電壓，會在基片面內產生應變和應力)和磁性薄膜的逆磁致伸縮效應(當磁性薄膜受到應力的作用時，會產生一個應力各向異性能，該能量會使得磁性薄膜中的磁矩偏向應力各向異性能所決定的易磁化方向)。多鐵異質結對磁性薄膜磁矩取向的調控只需施加電壓，能耗較低；其體積和質量也較小，便于實現小型化和集成化電壓調控的磁性器件。基于多鐵異質結的上述優勢，近年來，國內外很多學者和研宄機構都對多鐵異質結展開了深入的研宄，研宄發現，多鐵異質結對磁矩進行調制時，當外加電壓去掉后，壓電基片中的應變趨于零，對磁矩取向的調制也隨之消失，因此是一種揮發性(又稱易失性)的調控方法。為了實現非易失性的磁矩調控，即去掉外加電壓后，仍然能保持對磁矩的調控效果，國內外的學者近年來開展了大量研宄。目前，主要有兩種方式可實現磁矩取向的非易失性調控:一是MingIiu(Voltage-1mpulse-1nducednon-valatileferroelasticswitchingofferromagneticresonanceforreconfigurablemagnetoeIectriemicrowavedevices,AdvancedMaterials,2013,25,4886)等人報道的在單晶的PMN-PT或PZN-PT基片上施加某一特定的電壓脈沖，可以在這兩種單晶體中產生可逆的兩種晶型結構的轉變，進而產生了非易失的形變，該非易失的形變就可實現單晶基片上磁性薄膜磁矩的非易失性調控。然而，這種調控方式只能產生兩種不同狀態的非易失性轉變；同時，單晶的PMN-PT或PZN-PT基片價格非常昂貴，不利于該非易失性電壓調控磁矩技術的推廣使用°二是T.X.Nan(Voltageimpulseinducedbistablemagnetizat1nswitchinginmultiferroicheterostructures,AppliedPhysicsLetter,2012,100,132409)等人報道的一種磁矩取向的非易失性調控方式，研宄發現當施加在多晶PZT陶瓷基片上的電壓不超過其矯頑電場時，會出現一個類似電滯回線的應變回線，該應變回線在外加電場去掉后會出現兩種不同狀態的殘余應變，該兩種不同狀態的殘余應變會使PZT上鍍的磁性薄膜產生兩種不同的磁矩調控效果，從而實現兩種非易失性存儲效果。而當施加的電壓超過PZT基片的矯頑電場后，PZT基片則呈現出典型的應變“蝴蝶”曲線，非易失性則會消失。上述調控方式一方面只能實現兩種不同狀態的非易失性轉變；另一方面當外加電場低于PZT陶瓷的矯頑電場時，PZT產生的應變較小，退掉外電場后殘余的應變就更小，因此兩種殘余應變狀態的差異并不是太大，影響了對多鐵異質結中磁性薄膜磁矩的調控效果。【
發明內容】[0004]本發明針對【
背景技術：
】存在的缺陷，提出了一種多鐵異質結及基于該多鐵異質結實現磁性薄膜磁矩非易失性取向的調制方法，所述多鐵異質結采用廉價的具有缺陷偶極子的多晶PZT陶瓷作為壓電基片，在其一面涂覆銀膠作為電極，另一面拋光后鍍或者粘接具有磁致伸縮特性的磁性薄膜；通過對所述多鐵異質結施加特定的電壓脈沖，在去掉外加電壓后，可在磁性薄膜中產生三種非易失性的磁矩轉變狀態，達到了穩定的非易失性磁矩調控的效果。該調控方法操作簡便，易實現，調控效果良好，在非易失性電場脈沖調制磁性器件領域有廣泛的應用空間。[0005]本發明的技術方案如下:[0006]一種多鐵異質結，包括多晶PZT陶瓷基片，所述多晶PZT陶瓷基片的一面涂覆導電銀膠并固化后作為電極，另一面拋光后鍍或者粘接具有磁致伸縮特性的磁性薄膜，其特征在于，所述多晶PZT陶瓷基片為含有缺陷偶極子的多晶PZT陶瓷基片，所述含有缺陷偶極子的多晶PZT陶瓷基片是通過對多晶PZT陶瓷基片進行受主摻雜后，再經過極化和老化處理得到。[0007]進一步地，所述含有缺陷偶極子的多晶PZT陶瓷基片是通過在制備PZT陶瓷過程中進行受主摻雜，在陶瓷內部產生氧空位，氧空位與摻雜離子形成缺陷偶極子，然后經過極化和老化處理得到的。[0008]具體地，當所述具有磁致伸縮特性的磁性薄膜具有導電性時，可采用濺射、蒸鍍等方法直接將磁性薄膜沉積于含有缺陷偶極子的多晶PZT壓電陶瓷基片拋光后的一面上，當施加電壓脈沖時，所述導電的磁性薄膜和銀膠分別為兩個電極。[0009]具體地，當所述具有磁致伸縮特性的磁性薄膜不導電或者采用粘接的方式制備異質結時，其具體過程為:首先在含有缺陷偶極子的多晶PZT壓電陶瓷基片拋光后的一面上先鍍一層厚度為20nm?500nm的金屬電極作為上電極，然后在金屬電極上直接沉積磁性薄膜，或者粘接磁性薄膜，所述粘接的磁性薄膜是用膠水將沉積有磁性薄膜的基片的磁性薄膜一面粘接于金屬電極表面，所述磁性薄膜不能完全覆蓋所述金屬電極，以便于施加電壓脈沖，當施加電壓脈沖時，金屬電極和銀膠為多鐵異質結的兩個電極。[0010]進一步地，所述含有缺陷偶極子的多晶PZT壓電陶瓷基片的厚度為0.25mm?1mm。[0011]進一步地，所述導電銀膠為市售的低溫固化銀膠，要求固化后有良好的導電性和粘結性，可實現常溫固化或100°C以下的低溫固化，以防止在高溫固化銀膠時影響基片的極化效果。[0012]一種基于上述多鐵異質結實現磁性薄膜磁矩非易失性取向的調制方法，其特征在于，所述含有缺陷偶極子的多晶PZT陶瓷基片的矯頑電場為Ec，當在所述多鐵異質結的兩電極間施加大于或等于2Ec的正向電壓(當外加電壓與PZT極化方向一致時，為正向電壓)，持續10秒鐘以上，去掉外加電壓，此時多鐵異質結得到一種狀態；當在所述多鐵異質結的兩電極間施加大于或等于2Ec的反向電壓(當外加電壓與PZT極化方向相反時，為反向電壓)，持續10秒鐘以上，去掉外加電壓，此時多鐵異質結得到另一種狀態；當在所述多鐵異質結的兩電極間先施加大于或等于2Ec的反向電壓，持續10秒鐘以上，去掉外加電壓，然后再施加90%?95%Ec的正向電壓，持續10秒鐘以上，去掉外加電壓，此時多鐵異質結得到第三種狀態。這樣，含有缺陷偶極子的多晶PZT壓電陶瓷基片中會產生三種不同的殘余應變狀態，通過逆磁致伸縮效應，可對其上沉積或粘接的磁性薄膜的磁矩產生三種不同的磁矩調控效果。[0013]進一步地，基于上述多鐵異質結得到的磁性器件，如濾波器、移相器等也會由于磁性薄膜的磁矩產生非易失性的電壓脈沖調控，對相應磁性器件的性能起到非易失性調控的效果。[0014]需要說明的是:[0015]I)基于多鐵異質結實現磁性薄膜磁矩非易失性取向的調制方法具體為:在多鐵異質結的兩電極間施加正的2Ec以上的電壓(當外加電壓與PZT極化方向一致時，為正向電壓)并持續10秒以上，再退到零，即得到多鐵異質結的A狀態；在多鐵異質結的兩電極間施加負的2Ec(當外加電壓與PZT極化方向相反時，為反向電壓)以上的電壓并持續10秒以上，再退到零，即得到多鐵異質結的B狀態；在多鐵異質結的兩電極間先施加負的2Ec以上的電壓并持續10秒以上，并退到零，然后再施加一個90%?95%Ec的正向電壓，持續10秒以上后，再退回到零，得到多鐵異質結的C狀態。多鐵異質結的A、B、C三種狀態會使含有缺陷偶極子的多晶PZT壓電陶瓷基片中產生三種不同的殘余應變狀態，通過逆磁致伸縮效應，可對其上沉積或粘接的磁性薄膜的磁矩產生三種不同的磁矩調控效果。[0016]2)所述多鐵異質結中的磁性薄膜最好具有盡量大的磁致伸縮系數，這樣得到的應變對磁矩的調控效果更好。[0017]3)由于多晶PZT陶瓷基片面內的壓電系數d31=d32<0，d33>0，因此如果是調控異質結面內的磁矩(X和Y方向)取向，則基片X和Y方向的尺寸不一樣，最好能有3倍以上的差異，以防止在X和Y方向應變對磁矩的調控效果相互抵消。如果是調控異質結面外的磁矩(Z方向)取向，則勿需限制基片X和Y方向的尺寸。[0018]4)多晶PZT陶瓷基片中缺陷偶極子數量越多，殘余應變越大，對磁矩的非易失調控效果更好。但引入缺陷過多，會使多晶PZT陶瓷基片整體的壓電性能降低，矯頑電場和損耗增大，因此引入的缺陷偶極當前第1頁1 2