电场调控氧化物磁性异质结的记忆电阻、磁电阻和交换偏置

Spintronics devices manipulated by electric field, which are expected to realize the functions of information storage, processing, and communication in one device, are the key of information technology in the future. However, in most cases, electric field can only control one of the important physical properties, and the effects of electric field on these properties are usually small. The present project is proposed based on our former experiments that three resistance states were obtained in Co/CoO-ZnO/Co magnetic tunnel junctions by electrical manipulation. The present project will focus on the following: (1) We will realize remarkable electrical manipulation of memristance, magnetoresistance and exchange bias through electrical-field-driven oxygen vacancy migration in oxide magnetic hetero-junctions. (2) We will study both theoretically and experimentally how the concentration and distribution of the oxygen vacancies control the memristance, magnetoresistance and exchange bias. (3) By considering the spin and electro-migration of the oxygen vacancies, we will investigate the mechanism of spin-related voltage generated by the oxide magnetic hetero-junctions. (4) We will obtain the 4 resistance states in the oxide magnetic hetero-junctions, and obtain the spin-related voltage of a few mV at room temperature. Our research will supply necessary technology to multibit nonvolatile data storage and artificial neuronal computing.

电场调控的自旋电子器件有望实现信息存储、处理、通信三位一体的功能，是未来信息存储和通信技术的关键。当前的电场调控大都局限于对某一物理性质的调控，且调控的幅度比较小。我们在前期实现电场调控Co/CoO-ZnO/Co异质结的3电阻态的基础上，本课题提出：（1）利用对氧空位敏感的复合氧化物势垒层或全氧化物外延异质结，利用氧空位在电场下的电迁移，实现电场全面调控磁性异质结的记忆电阻、磁电阻和交换偏置；(2)从实验和理论计算两方面研究氧空位浓度与分布对氧化物磁性异质结的记忆电阻、磁电阻和界面磁性的影响规律；(3)考虑氧空位的自旋和氧空位迁移，研究氧化物磁性异质结产生自旋相关电势的机理；（4）优化制备条件，获得电场调控的4电阻态，获得室温下输出毫伏量级的自旋相关电势。本研究将为高密度多态存储和模拟神经元功能提供必要的技术储备和理论指导。

电场调控的自旋电子器件有望实现信息存储、处理、通信三位一体的功能，是未来信息存储和通信技术的关键。当前的电场调控大都局限于对某一物理性质的调控，且调控的幅度比较小。本课题提出利用对氧空位敏感的复合氧化物势垒层或全氧化物外延异质结，利用氧空位在电场下的迁移，实现电场全面调控磁性异质结的记忆电阻、磁电阻和交换偏置。主要成果如下：.(1) 完成了氧空位调控的非晶、非化学配比、非均匀 In0.23Co0.77O1-v 氧化物薄膜的磁性与电输运研究。我们利用低温非平衡生长技术，用溅射仪制备了具有大量氧空位的非晶、非化学配比、非均匀 In0.23Co0.77O1-v 氧化物薄膜，发现随着氧空位浓度增加，样品从无磁性变成很强的室温铁磁性，相应地电阻从绝缘变得导电，而且证明了室温铁磁性来源于In0.23Co0.77O1-v非晶相中畸变八面体配位的Co2 +。.(2) 完成了Co/CoO-ZnO/Co势垒非对称隧道结的电致电阻、隧穿磁电阻和隧穿整流磁电阻研究。在Co/CoO-ZnO/Co势垒非对称隧道结中，利用电场调控氧空位的迁移，获得了电致电阻与隧穿磁电阻复合的4电阻态自旋记忆电阻，并在高电阻态的Co/CoO-ZnO/Co非对称磁性隧道结中首次发现了隧穿整流磁电阻。.(3) 完成了电场和氧空位调控的全氧化物多铁异质结的界面交换偏置及磁电耦合效应研究。在基于多铁BiFeO3 (BFO)材料的全氧化物异质结中，我们发现电场和氧空位能够显著调控异质结的交换偏置场、磁性和电阻，实现了非易失的4电阻态。.(4) 完成了基于铁磁材料剩磁状态操控的十态存储研究。通过调控多畴铁磁材料的剩磁状态，首先在Co/Pt磁性多层膜和CoFeB/MgO/CoFeB磁性隧道结中实现了磁“写”电“读”的10态存储，随后我们又提出了利用成分梯度膜的中心反演对称性破缺，直接用电流控制单个磁性层的畴壁位移，实现了磁化反转和非易失的电写电读的10态存储。.本项目执行期间，共发表SCI文章83篇，其中Adv. Funct. Mater.1篇，Nanoscale 5篇、 ACS Appl. Mater. Interfaces 7篇。获授权国家发明专利5项。 张昌文的“二维拓扑绝缘体材料设计及量子性能调控”获山东省自然科学二等奖。引进国家“青年千人”1名，培养山东省“泰山学者”1名。