BZT-BCT基复合薄膜磁电存储单元及其电致磁电效应研究

The appeal of magnetoelectric memory(MERAM), is that it combines the advantages of.ferroelectric RAM (FeRAM), such as quick and low-power writing, and magnetic RAM.(MRAM), such as non-volitility and easy read-out of the state, and eliminates either of their individual disadvantages (destructive reading of the state and high-energy writing). In this research, we will develop a novel approach to MRAM cell based on magnetoelectric coupling effect. 0.5BZT-0.5BCT film and Fe70Ga30 will be used to prepare magnetoelectric memory cell. Further, (1-x)BZT-xBCT (Rhombohedral)/ (1-y)BZT-yBCT (Tetragonal) bilayers (piezoelectric) and micron sized ferromagnetic Fe70Ga30 (magnetostrictive) film pad will be employed in the fabrication of the memory cell. BZT-BCT bilayers combined with small Fe70Ga30 square pads will be used to overcome the clamping effect from the substrate and the average effect of the domain movement therefore enhance the interlayer and interdomain coupling effect. Mechanical transduction couples the strain to the Fe70Ga30 layer, which then changes its magnetic anisotropy and thus the magnetoresistance. We will use nonlinear thermodynamics to analyze the enchanced piezoelectric effect in the ferroelectric BZT-BCT bilayers consisting of tetragonal (T) (1-y)BZT-yBCT and rhombohedral (R) (1-x)BZT-xBCT films. Mechanisms of the electric field control of magnetization and magnetoresistance will be analyzed. Using this electric field control of ferromagnetism and thus the magnetoresistance state, the demonstration of electric-write / magnetic-read magnetoelectric memory cell will be presented.

基于应力/应变调制机理，采用具有大压电系数的0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.3Ca0.7)TiO3(0.5BZT-0.5BCT)作为铁电层，Fe70Ga30薄膜为铁磁层，制备一种具有大电致磁电效应的环境友好型磁电存储器件。在此基础上，提出铁电层采用“菱方晶相 (1-x)BZT-xBCT/四方晶相(1-y)BZT-yBCT”的双铁电层结构，以克服基底电极对电畴运动的阻碍；铁磁层用微米尺寸的Fe70Ga30薄膜以减小多个磁畴运动的宏观平均，实现铁电/铁磁结构存储器单元。用非线性热力学模型模拟分析双铁电层的层间和畴间的机电耦合，研究双铁电层结构的压电增强效应。根据热力学唯象理论，分析电场诱导的铁电畴的旋转和畴壁运动与磁化翻转之间的关系，研究电致磁电效应的微观机制。将获得能够利用电场直接写入信息数据，利用磁电阻的变化读取信息的电写/磁读式磁电存储器单元。国内外未见报道。

本项目在综合分析存储器件发展现状的基础上，按照项目的研究目标，制备x[Ba(Zr0.2Ti0.8)O3] –（1-x）(Ba0.7Ca0.3TiO3)[xBZT-（1-x）BCT]铁电薄膜并进行工艺优化。设计且制备了有相近晶格常数的菱方相0.3BZT-0.7BCT为过渡层、四方相作为0.7BZT-0.3BCT 为自由层的双铁电层结构，增大电场对自由层电畴的调控能力，增强了压电效应。同时，利用直流磁控溅射和离子束沉积的方法制备性能优异的Fe70Ga30铁磁性薄膜。在此基础上，构建了0.5BZT-0.5BCT/ Fe70Ga30磁电薄膜器件，搭建基于四探针法的磁电存储器件测试系统，计算叠层薄膜中的Fe70Ga30薄膜在外加电场下磁各向异性变化，在叠层薄膜器件中在20V的偏置电压下电阻变化率分别为6.6%。利用光刻技术结合磁控溅射法建“下电极-（0.5BZT-0.5BCT）-FeGa”薄膜结构，制备微米尺寸的铁磁层以减小多磁畴的宏观平均效应。在双层铁电薄膜上采用直流磁控溅射的方法制备Fe70Ga30铁磁性薄膜，构 “下电极-（0.3BZT-0.7BCT/0.7BZT-0.3BCT）-FeGa” 的叠层结构，实现了叠层存储器件中外加偏置电压对铁磁层薄膜电阻的调控，分析磁电叠层薄膜发生电致磁电阻效应的机理。此外，研究了基于铁电场效应管结构的Pt/(0.6BZT-0.4BCT) /FeGa薄膜存储单元的实现方法，研究纳米级FeGa薄膜随外加电场的电阻转变行为。本项目获得的磁电存储元件的电阻状态的改变可以通过在上下电极之间的电压调控，不需要大电流大磁场的产生，具有低功耗的优点；能够实现用电场直接写入信息数据，利用磁电阻的变化进行信息的读取，为非易失性存储器的实现提供了新的可能。总之，按照项目计划完成了项目。