一種可實(shí)現(xiàn)磁性薄膜磁矩非易失性取向的調(diào)制方法【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明屬于電子材料
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種多鐵異質(zhì)結(jié)及基于該多鐵異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)磁性薄膜磁矩非易失性取向的調(diào)制方法。【
背景技術(shù)：
】[0002]調(diào)控磁性薄膜中磁矩的取向，進(jìn)而改變相應(yīng)磁性器件的性能具有十分重要的研宄和技術(shù)應(yīng)用價值。傳統(tǒng)調(diào)節(jié)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(zhuǎn)向，但外加磁場需要采用電磁鐵來實(shí)現(xiàn)，不僅體積大、質(zhì)量重，而且需要通電流來產(chǎn)生磁場，能耗較高。[0003]近年來，多鐵異質(zhì)結(jié)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了電壓對磁性薄膜磁矩的電壓調(diào)控。多鐵異質(zhì)結(jié)是在具有壓電效應(yīng)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(zhì)結(jié)對磁性薄膜的磁矩取向的調(diào)制主要是利用壓電基片的逆壓電效應(yīng)(給壓電基片施加電壓，會在基片面內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力)和磁性薄膜的逆磁致伸縮效應(yīng)(當(dāng)磁性薄膜受到應(yīng)力的作用時，會產(chǎn)生一個應(yīng)力各向異性能，該能量會使得磁性薄膜中的磁矩偏向應(yīng)力各向異性能所決定的易磁化方向)。多鐵異質(zhì)結(jié)對磁性薄膜磁矩取向的調(diào)控只需施加電壓，能耗較低；其體積和質(zhì)量也較小，便于實(shí)現(xiàn)小型化和集成化電壓調(diào)控的磁性器件?；诙噼F異質(zhì)結(jié)的上述優(yōu)勢，近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者和研宄機(jī)構(gòu)都對多鐵異質(zhì)結(jié)展開了深入的研宄，研宄發(fā)現(xiàn)，多鐵異質(zhì)結(jié)對磁矩進(jìn)行調(diào)制時，當(dāng)外加電壓去掉后，壓電基片中的應(yīng)變趨于零，對磁矩取向的調(diào)制也隨之消失，因此是一種揮發(fā)性(又稱易失性)的調(diào)控方法。為了實(shí)現(xiàn)非易失性的磁矩調(diào)控，即去掉外加電壓后，仍然能保持對磁矩的調(diào)控效果，國內(nèi)外的學(xué)者近年來開展了大量研宄。目前，主要有兩種方式可實(shí)現(xiàn)磁矩取向的非易失性調(diào)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(chǎn)生可逆的兩種晶型結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而產(chǎn)生了非易失的形變，該非易失的形變就可實(shí)現(xiàn)單晶基片上磁性薄膜磁矩的非易失性調(diào)控。然而，這種調(diào)控方式只能產(chǎn)生兩種不同狀態(tài)的非易失性轉(zhuǎn)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(diào)控磁矩技術(shù)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(diào)控方式，研宄發(fā)現(xiàn)當(dāng)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(xiàn)一個類似電滯回線的應(yīng)變回線，該應(yīng)變回線在外加電場去掉后會出現(xiàn)兩種不同狀態(tài)的殘余應(yīng)變，該兩種不同狀態(tài)的殘余應(yīng)變會使PZT上鍍的磁性薄膜產(chǎn)生兩種不同的磁矩調(diào)控效果，從而實(shí)現(xiàn)兩種非易失性存儲效果。而當(dāng)施加的電壓超過PZT基片的矯頑電場后，PZT基片則呈現(xiàn)出典型的應(yīng)變“蝴蝶”曲線，非易失性則會消失。上述調(diào)控方式一方面只能實(shí)現(xiàn)兩種不同狀態(tài)的非易失性轉(zhuǎn)變；另一方面當(dāng)外加電場低于PZT陶瓷的矯頑電場時，PZT產(chǎn)生的應(yīng)變較小，退掉外電場后殘余的應(yīng)變就更小，因此兩種殘余應(yīng)變狀態(tài)的差異并不是太大，影響了對多鐵異質(zhì)結(jié)中磁性薄膜磁矩的調(diào)控效果?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0004]本發(fā)明針對【
背景技術(shù)：
】存在的缺陷，提出了一種多鐵異質(zhì)結(jié)及基于該多鐵異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)磁性薄膜磁矩非易失性取向的調(diào)制方法，所述多鐵異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(chǎn)生三種非易失性的磁矩轉(zhuǎn)變狀態(tài)，達(dá)到了穩(wěn)定的非易失性磁矩調(diào)控的效果。該調(diào)控方法操作簡便，易實(shí)現(xiàn)，調(diào)控效果良好，在非易失性電場脈沖調(diào)制磁性器件領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間。[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:[0006]一種多鐵異質(zhì)結(jié)，包括多晶PZT陶瓷基片，所述多晶PZT陶瓷基片的一面涂覆導(dǎo)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(jìn)行受主摻雜后，再經(jīng)過極化和老化處理得到。[0007]進(jìn)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(jìn)行受主摻雜，在陶瓷內(nèi)部產(chǎn)生氧空位，氧空位與摻雜離子形成缺陷偶極子，然后經(jīng)過極化和老化處理得到的。[0008]具體地，當(dāng)所述具有磁致伸縮特性的磁性薄膜具有導(dǎo)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(dāng)施加電壓脈沖時，所述導(dǎo)電的磁性薄膜和銀膠分別為兩個電極。[0009]具體地，當(dāng)所述具有磁致伸縮特性的磁性薄膜不導(dǎo)電或者采用粘接的方式制備異質(zhì)結(jié)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(dāng)施加電壓脈沖時，金屬電極和銀膠為多鐵異質(zhì)結(jié)的兩個電極。[0010]進(jìn)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(jìn)一步地，所述導(dǎo)電銀膠為市售的低溫固化銀膠，要求固化后有良好的導(dǎo)電性和粘結(jié)性，可實(shí)現(xiàn)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(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)磁性薄膜磁矩非易失性取向的調(diào)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(dāng)在所述多鐵異質(zhì)結(jié)的兩電極間施加大于或等于2Ec的正向電壓(當(dāng)外加電壓與PZT極化方向一致時，為正向電壓)，持續(xù)10秒鐘以上，去掉外加電壓，此時多鐵異質(zhì)結(jié)得到一種狀態(tài)；當(dāng)在所述多鐵異質(zhì)結(jié)的兩電極間施加大于或等于2Ec的反向電壓(當(dāng)外加電壓與PZT極化方向相反時，為反向電壓)，持續(xù)10秒鐘以上，去掉外加電壓，此時多鐵異質(zhì)結(jié)得到另一種狀態(tài)；當(dāng)在所述多鐵異質(zhì)結(jié)的兩電極間先施加大于或等于2Ec的反向電壓，持續(xù)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(xù)10秒鐘以上，去掉外加電壓，此時多鐵異質(zhì)結(jié)得到第三種狀態(tài)。這樣，含有缺陷偶極子的多晶PZT壓電陶瓷基片中會產(chǎn)生三種不同的殘余應(yīng)變狀態(tài)，通過逆磁致伸縮效應(yīng)，可對其上沉積或粘接的磁性薄膜的磁矩產(chǎn)生三種不同的磁矩調(diào)控效果。[0013]進(jìn)一步地，基于上述多鐵異質(zhì)結(jié)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(chǎn)生非易失性的電壓脈沖調(diào)控，對相應(yīng)磁性器件的性能起到非易失性調(diào)控的效果。[0014]需要說明的是:[0015]I)基于多鐵異質(zhì)結(jié)實(shí)現(xiàn)磁性薄膜磁矩非易失性取向的調(diào)制方法具體為:在多鐵異質(zhì)結(jié)的兩電極間施加正的2Ec以上的電壓(當(dāng)外加電壓與PZT極化方向一致時，為正向電壓)并持續(xù)10秒以上，再退到零，即得到多鐵異質(zhì)結(jié)的A狀態(tài)；在多鐵異質(zhì)結(jié)的兩電極間施加負(fù)的2Ec(當(dāng)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(xù)10秒以上，再退到零，即得到多鐵異質(zhì)結(jié)的B狀態(tài)；在多鐵異質(zhì)結(jié)的兩電極間先施加負(fù)的2Ec以上的電壓并持續(xù)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(xù)10秒以上后，再退回到零，得到多鐵異質(zhì)結(jié)的C狀態(tài)。多鐵異質(zhì)結(jié)的A、B、C三種狀態(tài)會使含有缺陷偶極子的多晶PZT壓電陶瓷基片中產(chǎn)生三種不同的殘余應(yīng)變狀態(tài)，通過逆磁致伸縮效應(yīng)，可對其上沉積或粘接的磁性薄膜的磁矩產(chǎn)生三種不同的磁矩調(diào)控效果。[0016]2)所述多鐵異質(zhì)結(jié)中的磁性薄膜最好具有盡量大的磁致伸縮系數(shù)，這樣得到的應(yīng)變對磁矩的調(diào)控效果更好。[0017]3)由于多晶PZT陶瓷基片面內(nèi)的壓電系數(shù)d31=d32<0，d33>0，因此如果是調(diào)控異質(zhì)結(jié)面內(nèi)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(yīng)變對磁矩的調(diào)控效果相互抵消。如果是調(diào)控異質(zhì)結(jié)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(shù)量越多，殘余應(yīng)變越大，對磁矩的非易失調(diào)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(dāng)前第1頁1 2