[發(fā)明專利]一種基于鐵電拓撲態(tài)疇壁超磁阻效應的傳感器及其制備方法

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• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113517390A
• 公開（公告）日: 2021-10-19
• 發(fā)明（設計）人: 高興森;楊文達;劉俊明;田國
• 申請（專利權）人: 華南師范大學
• 主分類號: H01L43/08
• 分類號: H01L43/08;H01L43/10;H01L43/12;B82Y15/00;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州新諾專利商標事務所有限公司 44100
• 代理人: 辜丹蕓

一種基于鐵電拓撲態(tài)疇壁超磁阻效應的傳感器，包括頂電極、鐵酸鉍(BFO)納米島和底電極，所述BFO納米島設于頂電極和底電極之間，且其可在外加直流偏壓下由初始之字型疇結構轉變?yōu)闇u旋疇結構；當BFO納米島處于渦旋疇結構時，其渦心為一維的拓撲缺陷且具有明顯高于疇區(qū)的類金屬導電性；當外加磁場為0時，渦心處形成的一維導電通道可導電；當具有外加磁場時，電流在渦心處發(fā)生偏轉，渦旋疇結構導電性下降，呈現(xiàn)出超磁阻效應。本發(fā)明還提供一種上述傳感器的制備方法。相比于現(xiàn)有技術，該傳感器具有高密度、高有序性，且在室溫下具有明顯的磁阻特性，同時制備工藝簡單、穩(wěn)定性高。

技術領域

本發(fā)明涉及鐵電材料技術領域，特別是涉及一種基于鐵電拓撲態(tài)疇壁超磁阻效應的傳感器及其制備方法。

背景技術

1988年法國科學家阿貝爾.費爾和德國科學家彼得.格林貝格爾所發(fā)現(xiàn)的巨磁阻為計算機硬盤的快速發(fā)展奠定了基礎，因而獲得了2007年度諾貝爾物理學獎。三十多年以來，巨磁阻效應已經(jīng)廣泛應用于諸如計算機硬盤，磁性隨機存儲器等電子設備中，成為了凝聚態(tài)物理中的一個研究熱點。誠然，巨磁阻效應只是磁致電阻效應中的一個分支，隨著具有磁阻效應在各種新材料和新結構體系中逐漸被觀測，磁阻體系及其機制的復雜性也不斷被展現(xiàn)出來。這里所說的磁致電阻效應是指導體或者半導體在磁場的作用下電阻發(fā)生變化的效應，可以用如下表達式來展現(xiàn):其中ρ(H)和ρ(0)分別表示在外加磁場分別和撤去磁場時材料的電阻率，因此MR表征了體系電阻在磁場下的變化率。

目前磁阻效應可以被粗略分為以下幾類，分別為正常磁阻效應，各向異性磁阻效應，巨磁阻效應，超磁阻效應，龐磁阻效應，隧道磁阻效應，磁性疇壁磁阻效應，彈道磁阻效應和隧道各向異性磁阻效應。具有磁阻效應的材料的應用已經(jīng)在諸如磁阻傳感器，CPP巨磁阻頭等設備上實現(xiàn)，是未來電子學器件發(fā)展不可或缺的一環(huán)。

超磁阻效應，其在2000年被Solin等人發(fā)現(xiàn)。他們通過在非磁性半導體InSb圓盤中嵌入一個導電不均勻的金盤制備出半導體-導體復合結構，并在其中發(fā)現(xiàn)了異常大的室溫正磁阻效應。其結構如圖1所示。其主要原理是在磁場的作用下，流經(jīng)結構中金屬導電區(qū)域的電流會具有明顯的調制作用，在高場下，電流會偏離金屬區(qū)域，與低場下電流能順利流過金屬區(qū)域以形成類短路路徑形成對比。因此，這一電流導通路徑是否通過金屬區(qū)能導致明顯的系統(tǒng)導電性差異，這就是產(chǎn)生超磁阻效應的原因。目前，利用銻銦系列化合物為基礎制備的具有超磁阻效應的元件已經(jīng)被投入到實際應用中，如半導體磁阻式電流傳感器。

上訴超磁阻效應基于非磁性體系，在室溫下具有良好的磁阻特性，但其在尺寸和制備工藝上均具有一定局限性。首先在尺寸上，為了解決半導體隧穿電流等問題，這種半導體-導體結構的尺寸被限制在微米級別，阻礙了未來器件小型化的發(fā)展趨勢。其次，其制備工藝較為復雜，復合材料體系中影響器件穩(wěn)定性的因素過多，穩(wěn)定重復性制備器件的難度極高。電極位置、金屬結構、半導體的局域載流子遷移率、金屬半導體接觸面積、電極的接觸勢壘等均會極大影響超磁阻效應，因此對工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)提出了挑戰(zhàn)。

發(fā)明內容

基于此，本發(fā)明的目的在于，提供一種基于鐵電拓撲態(tài)疇壁超磁阻效應的傳感器，該傳感器具有高密度、高有序性，且在室溫下具有明顯的磁阻特性。且其采用單一材料鐵酸鉍(BFO)中的疇-疇壁取代現(xiàn)有技術中超磁阻器件中的半導體-導體結構，這種單一材料體系制備工藝簡單，穩(wěn)定性高，能滿足未來高集成器件產(chǎn)業(yè)化的需求。

本發(fā)明的另一目的在于提供一種上述基于鐵電拓撲態(tài)疇壁超磁阻效應的傳感器的制備方法。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種基于鐵電拓撲態(tài)疇壁超磁阻效應的傳感器，包括頂電極、BFO納米島和底電極，所述BFO納米島設于頂電極和底電極之間，且其可在外加直流偏壓下由初始之字型疇結構轉變?yōu)闇u旋疇結構。

當BFO納米島處于渦旋疇結構時，其渦心為一維的拓撲缺陷且具有明顯高于疇區(qū)的類金屬導電性；當外加磁場為0時，渦心處形成的一維導電通道可導電；當具有外加磁場時，電流在渦心處發(fā)生偏轉，傾向于進入不導電的疇區(qū)，導致局域導電性明顯降低，因此呈現(xiàn)出超磁阻效應。