本發(fā)明屬于自旋電子器件，尤其是涉及一種電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隧道磁阻(tmr)在磁隧道結(jié)(mtj)中的應(yīng)用對(duì)磁電子器件發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響，包括磁阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(mram)、射頻傳感器、微波發(fā)生器等，而絕大多數(shù)磁隧道結(jié)均為電流反復(fù)隧穿進(jìn)行寫(xiě)入或讀取的方式，對(duì)材料的耐久度需要有很大的要求。二維（2d）范德華材料的出現(xiàn)，為磁隧道結(jié)提供了更多的工藝可能，尤其具有高自旋極化的二維材料有望應(yīng)用于下一代納米級(jí)器件。

2、現(xiàn)有器件中需要電流的反復(fù)寫(xiě)入和讀取，耗能較高，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)熱量，對(duì)相鄰結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的影響，難以突破尺寸和精確度的限制，需要材料極高的耐久度。有些甚至需要外磁場(chǎng)的影響，難以避免對(duì)其余器件產(chǎn)生的影響，每次寫(xiě)入對(duì)材料的損耗性較強(qiáng)，可重復(fù)性能不夠好。面內(nèi)材料相互之間的耦合影響，難以解決高密度集成問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)及其制備方法和應(yīng)用，通過(guò)外加電場(chǎng)調(diào)控cuinp2s6來(lái)改變磁性隧道結(jié)整體的阻態(tài)，減少了對(duì)隧道結(jié)大電流的通入過(guò)程，從而起到保護(hù)磁性隧道結(jié)材料本身的作用，提高其耐久性。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)，包括從下至上依次設(shè)置的襯底、底電極、二維鐵磁材料層ⅰ、二維鐵電材料層、二維鐵磁材料層ⅱ和保護(hù)層，二維鐵電材料層的材料為cuinp2s6，在二維鐵電材料層的左右兩端施加電場(chǎng)。

4、磁性隧道結(jié)是指在兩塊鐵磁薄片之間夾一層厚度為納米級(jí)的極薄絕緣層，構(gòu)成元器件。本發(fā)明使用的極薄絕緣層為二維鐵電材料層cuinp2s6。

5、傳統(tǒng)的鐵磁層（自由層）翻轉(zhuǎn)需要用電流產(chǎn)生磁場(chǎng)從而改變磁晶各向異性，此過(guò)程熱損耗高；并且傳統(tǒng)的三維鐵電材料漏電流大，或在50nm以下基本上沒(méi)有鐵電性，難以將其尺寸做到亞納米極限；一般的鐵電材料具有疲勞特性，鐵電多次翻轉(zhuǎn)之后難以回復(fù)其本征特性。而cuinp2s6中的cu離子在層內(nèi)可反復(fù)重復(fù)遷移，可重復(fù)性好，cu離子遷移到兩個(gè)鐵磁材料層中間時(shí)，相當(dāng)于提高了勢(shì)壘層，除此之外，cu離子可能會(huì)對(duì)隧穿電子的電場(chǎng)產(chǎn)生屏蔽作用，降低電子的有效隧穿能力，從而提高了隧穿難度，因此其電阻增加。相反，cu離子往反向遷移，降低了電阻。

6、采用cuinp2s6并施加電場(chǎng)可以避免電流對(duì)器件的熱影響，并且來(lái)回層內(nèi)遷移，提高循環(huán)穩(wěn)定性能，達(dá)到利用二維磁性隧道結(jié)作為存儲(chǔ)信息的目的。

7、進(jìn)一步，襯底、底電極、二維鐵磁材料層ⅰ、二維鐵磁材料層ⅱ和保護(hù)層的尺寸均相同，二維鐵電材料層的長(zhǎng)度大于二維鐵磁材料層ⅰ和二維鐵磁材料層ⅱ的長(zhǎng)度，使得二維鐵電材料層的左端或右端或者左右兩端同時(shí)凸出一塊。

8、凸出的長(zhǎng)度為2-6μm。

9、二維鐵電材料層凸出一塊，是因?yàn)閏uinp2s6可以耐比較大的電壓，而幾納米到10多納米的二維鐵磁材料卻容易被擊穿或者是燒毀，導(dǎo)致器件失效，而凸出一塊使得電壓基本上加在二維鐵電材料層上，分到二維鐵磁材料上的電壓幾乎為0，能夠保護(hù)二維鐵磁材料；另外還有一個(gè)作用就是把cu離子遷出這三層結(jié)構(gòu)（二維鐵磁材料層ⅰ、二維鐵電材料層、二維鐵磁材料層ⅱ）同一位置之外。

10、進(jìn)一步，二維鐵磁材料層ⅰ和二維鐵磁材料層ⅱ的材料相同或者不同，具體為fe3+xgate2、cri3或cr2ga2te6中的任一種，其中x=0-2。鐵磁材料需滿足垂直磁各向異性不一樣。

11、優(yōu)選的，二維鐵磁材料層ⅰ和二維鐵磁材料層ⅱ均為fe3gate2。

12、fe3gate2的強(qiáng)磁性具有較高的自旋極化率，從而增強(qiáng)隧道磁阻效應(yīng)（tmr）。高tmr比率意味著更大的電阻變化，提升mtj器件的信號(hào)檢測(cè)靈敏度，使存儲(chǔ)單元（如mram）的讀取速度更快、能耗更低。fe3gate2具有高居里溫度（tc），則能在較高溫環(huán)境下保持穩(wěn)定的鐵磁狀態(tài)，避免因熱擾動(dòng)導(dǎo)致的磁化翻轉(zhuǎn)。這對(duì)于汽車電子、工業(yè)設(shè)備等較高溫應(yīng)用場(chǎng)景至關(guān)重要，確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。fe3gate2具備良好的界面特性（如低缺陷密度、與其他功能層晶格匹配），可減少隧道結(jié)中的界面散射，提升電子隧穿效率。這對(duì)于提高tmr和器件耐久性至關(guān)重要。

13、進(jìn)一步，二維鐵磁材料層ⅰ的厚度為1-10nm，二維鐵磁材料層ⅱ的厚度為10-20nm；

14、或者二維鐵磁材料層ⅰ的厚度為10-20nm，二維鐵磁材料層ⅱ的厚度為1-10nm。

15、二維鐵磁材料層ⅰ和二維鐵磁材料層兩層厚度需不同，其中較厚的一層作為參考層，可以命名為鐵磁參考層，較薄的一層為自由層，可以命名為鐵磁自由層，鐵磁參考層或鐵磁自由層在上方或在下方均可。參考層（固定層（較厚的一層））需要保持穩(wěn)定的磁化方向，通常設(shè)計(jì)得更厚，以增強(qiáng)其磁晶各向異性，從而抵抗外部干擾（如熱擾動(dòng)或雜散磁場(chǎng)），確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。自由層（較薄的一層）需要較小的磁各向異性，以便通過(guò)外部磁場(chǎng)或電流快速切換磁化方向，較薄的厚度可降低其穩(wěn)定性閾值，使其更容易翻轉(zhuǎn)。

16、進(jìn)一步，二維鐵電材料層的厚度為1nm-10nm。

17、進(jìn)一步，電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小為0.1-10?kv/cm。

18、進(jìn)一步，襯底的厚度為0.2-5mm，底電極的厚度為15-60nm，保護(hù)層的厚度為1-200nm；保護(hù)層的材料為h-bn。

19、本發(fā)明還提供了一種如上述所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)的制備方法，該方法包括如下步驟：

20、（1）通過(guò)結(jié)合光刻和磁控濺射工藝在襯底上制備底電極；

21、（2）在底電極上依次制備二維鐵磁材料層ⅰ、二維鐵電材料層、二維鐵磁材料層ⅱ和保護(hù)層；

22、（3）二維鐵電材料層的左右兩端分別與電場(chǎng)電極接觸。

23、進(jìn)一步，制備二維鐵磁材料層ⅰ、二維鐵電材料層、二維鐵磁材料層ⅱ和保護(hù)層的方法為分子束外延、脈沖激光沉積、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、機(jī)械剝離中的任一種。

24、本發(fā)明還提供了一種如上述所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)在磁電子器件中的應(yīng)用。

25、相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)及其制備方法和應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)：

26、（1）本發(fā)明所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)通過(guò)電場(chǎng)調(diào)控二維鐵電cuinp2s6來(lái)改變其導(dǎo)電性，進(jìn)而使整體器件阻態(tài)發(fā)生變化，相比傳統(tǒng)磁隧道結(jié)，本發(fā)明沒(méi)有較大的寫(xiě)入電流，同時(shí)可以減少耗能和發(fā)熱，對(duì)器件本身起到了更好的保護(hù)，大大提高了器件的耐久度。

27、（2）本發(fā)明所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)采用二維磁性材料fe3gate2具有較高的居里溫度，在室溫下表現(xiàn)良好的垂直磁各向異性，可以大大減小器件的體積，提高集成度。

28、（3）本發(fā)明所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)制備過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，二維鐵磁材料層ⅰ和二維鐵磁材料層ⅱ的材料垂直磁性結(jié)構(gòu)對(duì)相鄰元器件影響較小，帶來(lái)更好的良品率。

技術(shù)特征：

1.一種電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)，其特征在于：包括從下至上依次設(shè)置的襯底、底電極、二維鐵磁材料層ⅰ、二維鐵電材料層、二維鐵磁材料層ⅱ和保護(hù)層，二維鐵電材料層的材料為cuinp2s6，在二維鐵電材料層的左右兩端施加電場(chǎng)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)，其特征在于：襯底、底電極、二維鐵磁材料層ⅰ、二維鐵磁材料層ⅱ和保護(hù)層的尺寸均相同，二維鐵電材料層的長(zhǎng)度大于二維鐵磁材料層ⅰ和二維鐵磁材料層ⅱ的長(zhǎng)度，使得二維鐵電材料層的左端或右端或者左右兩端同時(shí)凸出一塊。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)，其特征在于：二維鐵磁材料層ⅰ和二維鐵磁材料層ⅱ的材料相同或者不同，具體為fe3+xgate2、cri3或cr2ga2te6中的任一種，其中x=0-2。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)，其特征在于：電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小為0.1-10?kv/cm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)，其特征在于：襯底的厚度為0.2-5mm，底電極的厚度為15-60?nm，保護(hù)層的厚度為1-200nm；保護(hù)層的材料為h-bn。

6.一種如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)的制備方法，其特征在于：該方法包括如下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)的制備方法，其特征在于：制備二維鐵磁材料層ⅰ、二維鐵電材料層、二維鐵磁材料層ⅱ和保護(hù)層的方法為分子束外延、脈沖激光沉積、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、機(jī)械剝離中的任一種。

8.一種如權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)在磁電子器件中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種電場(chǎng)調(diào)控二維磁性隧道結(jié)及其制備方法和應(yīng)用，屬于自旋電子器件技術(shù)領(lǐng)域。該二維磁性隧道結(jié)包括依次層疊的底電極、二維鐵磁材料層Ⅰ、二維鐵電材料層、二維鐵磁材料層Ⅱ和保護(hù)層，二維鐵電材料層采用CuInP<subgt;2</subgt;S<subgt;6</subgt;，通過(guò)外加電壓調(diào)控Cu離子的遷移。該器件可應(yīng)用于高密度磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）、高靈敏度磁傳感器及低功耗自旋邏輯器件，具有產(chǎn)業(yè)化前景。

技術(shù)研發(fā)人員：吳世喆,茍金龍,張德林,侯高猛,姜勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：天津工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15