新型自旋记忆电阻磁隧道结的制备及其输运特性的研究

Spin memristor with multiple resistance states, which is obtained by combining the magnetoresistance and resistance switching effects, has become one of the emerging reasearching fields of spintronics because of their potential capability to intergrate logic, communication and storage functions in single device. However,it is a great challenge for simultaneous realization of large memristance and magnetoresistance,because memristance is usually observed in nonmagnetic junctions with thick inuslating layer but tunneling magentic resistance requiers very thin insularing layer. Based on our previous experience on the study of tunneling magnetoresistance in magnetic tunnel junctions, this project will focus on the following studies: (1)synthesize Co/CoO-ZnO/Co spin memristors, which could simultaneously exhibit large tunneling magnetoresistance and resistance switching effects at room temperature.(2)investigate the mechanism of CoO-ZnO involved in the coexistence of tunneling magnetoresistance and resistance switching.(3) study the migration of oxygen vacancies between CoO and ZnO under applied electrical field, reavealing the meachanism of metal-insulator transition in CoO-ZnO.(4) find out an efficient way to manipulate the properties of spin memristor. These spin memristors may find promising applications in both high density data storage and artificial neural systems.

集磁电阻和电致电阻于一体的多功能自旋电子器件，有望在同一器件中实现逻辑、运算与存储等多项功能，受到了全世界的广泛关注。然而要同时实现巨大的磁电阻和电致电阻，在材料和器件方面都面临着巨大的挑战。本项目将在我们前期研究磁性隧道结的隧穿磁电阻的基础上，(1)制备出室温下同时具有大的隧穿磁电阻和大的电致电阻的Co/CoO-ZnO/Co自旋记忆电阻器件，实现既能用磁场控制，又能用电场控制的电阻多重态；（2）研究由绝缘的CoO反铁磁层和富有氧空位的ZnO半导体层构成的CoO-ZnO复合势垒层能够同时产生隧穿磁电阻和电致电阻的机理；（3）研究电场作用下氧空位在CoO-ZnO之间的移动，揭示CoO-ZnO复合绝缘层发生金属-绝缘体转变的本质；（4）探索氧化物磁性隧道结中有效调控磁性、磁电阻和电致电阻的原理和方法。本项目制备的自旋记忆电阻器件在高密度多态存储和人造神经元方面具有巨大的应用前景。

为了满足信息技术对电子器件高密度、低功耗、非易失的需求，项目提出研究自旋记忆电阻磁隧道结的制备及其输运特性，希望通过将电致电阻和磁电阻效应集成到一起的方式，为研制可以在同一器件中实现逻辑、运算与存储功能的多功能自旋电子器件奠定基础。为此目的，我们主要开展了以下四个方面的研究工作：1．研究了Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道结中的电致电阻和磁电阻效应。2.研究了Zn0.85-xMgxCo0.15O和CoO1-v薄膜的磁性和输运特性。3.研究了非磁肖特基异质结中的整流磁电阻效应。4.研究了具有非对称势垒磁性隧道结中的自旋整流磁电阻效应。一方面，我们不仅成功制备出室温下同时具有大的隧穿磁电阻和大的电致电阻的Co/CoO-ZnO/Co自旋记忆电阻器件，获得了既能用磁场控制，又能用电场控制的电阻4重态，而且阐明了氧空位在CoO-ZnO复合势垒层中迁移导致CoO发生反铁磁绝缘体到铁磁金属的相变是器件优异性能的根源。另一方面，我们在非磁肖特基异质结和非对称势垒磁隧道结中分别发现了新奇的整流磁电阻和自旋整流磁电阻效应，不仅为庞大的磁电阻家族增添了新的成员，而且为用交流电流控制器件性能提供了新的途径。项目执行期间发表SCI论文9篇，其中Nanoscale2篇、Appl. Phys. Lett. 2篇、Sci. Rep. 4篇，获国家授权发明专利2项，培养多名博士和硕士生。