一种具有强磁交换偏置效应的氧化物转角异质结的制备及性能调控方法

本发明属于自旋电子学材料，具体涉及一种具有强磁交换偏置效应的氧化物转角异质结的制备及性能调控方法。

背景技术：

1、交换偏置效应在自旋阀、磁隧道结等自旋电子学器件中得到了广泛应用；在磁数据存储、传感器等领域的应用潜力也逐渐显现。这些器件利用交换偏置效应来固定铁磁层的磁矩方向，从而提高器件的稳定性和灵敏度。尽管已经发现了一些具有优异交换偏置效应的材料，但如何进一步提升这些材料的性能仍然是一个挑战。例如，提高交换偏置场的强度、降低矫顽力、提高截止温度，另外，交换偏置的调控性也是一个难以解决的问题。

技术实现思路

1、针对目前交换偏置场的强度普遍较小及交换偏置难以操控的问题，本发明提供一种具有强交换偏置效应的堆叠铁磁性和反铁磁性氧化物薄膜异质结构。该结构具有强的交换偏置场，同时，可以通过控制各层(磁性层、反铁磁层、牺牲层、覆盖层)的生长条件，以及堆叠过程中的旋转角度等，非常容易的调控交换偏置的产生、消失、增长、减小。该发明为磁数据存储、传感器等领域的进一步挖掘和发挥提供了众多的可能。

2、为实现上述目的，一种具有强磁交换偏置效应的转角异质结通过以下技术方案实现：

3、(1)利用脉冲激光分子束外延(lmbe)，在单晶衬底上先沉积一层水溶性牺牲层，再沉积铁磁性氧化物薄膜，得到单晶衬底/牺牲层/单晶铁磁性氧化物薄膜结构；将单晶衬底/牺牲层/单晶铁磁性氧化物薄膜结构放入刻蚀液中，待牺牲层溶解后，可实现单晶铁磁性氧化物薄膜与衬底分离；

4、(2)与上述同样步骤获得单晶反铁磁氧化物薄膜；

5、(3)将柔性自支撑铁磁层和反铁磁层氧化物薄膜通过高精密转移平台转移到目标衬底上，并按一定角度和层数堆叠，制成多层堆叠的具有交换偏置的氧化物薄膜转角异质结；

6、(4)将堆叠好的薄膜放入lmbe，沉积覆盖层。

7、进一步的，步骤(1)中的衬底为srtio3(sto)，牺牲层为水溶性(如sr3al2o6、sr3-xcaxal2o6、sr4al2o7)，铁磁性氧化物为la1-xsrxmno3(lsmo)、la1-xcaxmno3(lcmo)、srruo3、cofe2o4等。

8、进一步的，步骤(2)中反铁磁氧化物的néel转变点超过室温，如nio。

9、进一步的，步骤(3)的目标衬底可以选硅、玻璃、金属、柔性衬底云母等。

10、进一步的，步骤(4)中覆盖层为laalo3、srtio3或batio3。

11、进一步的，步骤(1)中外延生长牺牲层过程中，激光能量密度为1-3j/cm2，在氧压为5-30pa、衬底温度为600-800℃的条件下沉积水溶性牺牲层，厚度为1-80nm；铁磁和反铁磁单晶氧化物薄膜沉积真空度为15pa—30pa，温度300-800℃，厚度为5-200nm。

12、进一步的，步骤(1)中沉积完成后，将样品在生长温度和氧压为5×103pa的条件下退火30分钟，然后以5℃/min的速率冷却至室温。

13、进一步的，步骤(3)中刻蚀液为去离子水；通过溶解牺牲层(如sr3al2o6、sr3-xcaxal2o6、sr4al2o7)，获得了独立的nio和磁性薄膜。聚二甲基硅氧烷(pdms)作为支撑层利用液体表张力将薄膜托起、转移并附着在目标衬底上完成堆叠。

14、进一步的，步骤(4)中覆盖层是在氧压103-105pa和室温条件下沉积的。

15、本发明的有益效果为：

16、(1)本发明通过堆叠铁磁性和反铁磁性薄膜形成具有强交换作用的异质结构，步骤简单，操作容易。

17、(2)本发明通过控制每层薄膜的厚度和堆叠角度，改变层间构型和相互作用，从实现对交换偏置的调控。

18、(3)本发明沉积覆盖层，其生成条件及厚度等也可以对交换偏置进行调控，提供了另一个简便可行的调控交换偏置的思路。

19、一种上述制备方法获得的具有强磁交换偏置效应的氧化物转角异质结。

20、本发明的机理如下：

21、如图1所示，步骤(1)步骤(2)中生长的铁磁层中和反铁磁层，通过步骤(3)堆叠在一起，铁磁层的自旋可以被反铁磁层钉扎从而产生交换偏置。在堆叠过程中调整铁磁体的难磁轴和易磁轴，就可以方便地调节铁磁(fm)/反铁磁(afm)膜的总体磁场响应，从而控制交换偏置的产生、消失、增长、减小。此外，步骤(4)沉积覆盖层的过程中，通过调节其生长速度、沉积时间、温度等条件，能够显著得影响该异质结构的层间耦合，从而改变交换偏置的强度。

22、本发明具有以下优点：

23、能获得比较大的交换偏置强度，同时交换偏置强度大小可以通过堆叠过程中的转角和覆盖层的生长很容易地进行调控；每层都是氧化物，可以大面积生长且在空气、常温中保持化学稳定性，易于存储。

技术特征：

1.一种具有强磁交换偏置效应的氧化物转角异质结，其特征在于，所述具有磁交换偏置的氧化物异质结是由不同的氧化物单晶薄膜通过范德瓦尔斯力连接堆叠而成；上面可以沉积一层覆盖膜来改变层间距；所述异质结的交换偏置强度调控可以通过不同磁性氧化物薄膜在堆叠时所取不同厚度和角度实现，也可以通过改变覆盖层厚度实现。

2.一种如权利要求1所述的具有强磁交换偏置效应的转角氧化物异质结的制备及性能调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的衬底为srtio3(sto)，牺牲层为sr3al2o6，铁磁性氧化物为la0.67sr0.33mno3(lsmo)或者la1-xcaxmno3(lcmo)等。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述的覆盖层为laalo3或batio3。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述外延生长牺牲层过程中，激光能量密度为1-3j/cm2，在氧压为5-30pa、衬底温度为600-800℃的条件下沉积sr3al2o6层，厚度为1-80nm；铁磁和反铁磁单晶氧化物薄膜沉积真空度为15pa—30pa，温度300-800℃，厚度为5-200nm。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(4)中所述沉积覆盖层是在氧压103pa和室温条件下进行。

技术总结本发明属于柔性自旋电子器件技术领域，具体涉及一种具有强磁交换偏置效应的氧化物转角异质结的制备及性能调控方法。通过将具有磁有序结构的自支撑单晶铁磁氧化物薄膜和反铁磁氧化物薄膜相互堆叠形成具有强界面磁耦合的转角磁异质结，并且通过增加覆盖层和堆叠角度调控转角磁异质结的磁性能。本发明通过将不同磁有序结构的自支撑反铁磁和铁磁层形成转角磁异质结，并通过控制耦合角度和距离，实现对转角磁异质结的交换偏置的调控。这不仅有利于研究转角磁电子学的物理机制，也为多功能的自旋电子学材料提供了材料基础和新颖有效调控手段。摘要附图为图10。技术研发人员：何斌,吕伟明,郭金瑞,颜世申,任妙娟受保护的技术使用者：济南大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18