具有自旋电动势及巨磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法
专利名称：具有自旋电动势及巨磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法
技术领域：
本发明涉及具有自旋电动势及巨大磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法，属于自旋电子材料器件及新能源技术领域。
背景技术：
随着电子器件的小型化与亚微米技术和纳米技术的发展，半导体和磁性材料的综合研究形成了一个全新的领域自旋电子学。自旋电子学是基于电子传导和磁性间的关联效应，通过磁场实现对输运特性调制的新兴学科。它涉及自旋极化、自旋相关散射和隧穿、自旋积累及弛豫、电荷-自旋-轨道-晶格间相互作用等强关联和量子干涉效应，是当今凝聚态物理的重大课题。作为纳米电子学的重要组成，自旋电子学在磁记录、非易失信息随机存储、自旋晶体管及量子计算机等领域将获得广泛应用，将会成为未来信息科学技术的主导技术。磁性隧道结用于磁传感器和磁性随机存储器(MRAM)越来越受到人们的重视，具有巨大的应用前景。基于氧化物磁性半导体隧道结的自旋电池是把自旋相关的能量(塞曼能和交换能)变成电能的器件，它具有自旋电动势，且能够输出自旋极化的电流；它可以通过外磁场非接触充电，因此不需要充电电源线，是一种新型的电池。另一方面，基于氧化物磁性半导体隧道结的自旋电池还具有巨大的磁电阻，可当作磁传感器使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有自旋电动势及巨磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法，该磁性隧道结自旋电池是基于氧化物半导体的磁性隧道结自旋电池，不但能直接输出一个自旋电动势，而且还能产生高达1000%的磁电阻效应。术语说明自旋电池，即把自旋相关的能量(塞曼能和交换能)变成电能的器件。磁电阻，即材料对磁场的响应导致电阻的变化，可以表示为MR= [R(H)-R(0)]/R(0) X 100%零点偏压，即当通过样品电流为零时所测得的样品两端的电压值。本发明的技术方案如下基于氧化物半导体的磁性隧道结自旋电池，能产生自旋电动势及巨磁电阻，其结构表示为FM/I/FS ；其中，FM表不铁磁性金属，选自金属Co、Fe或Ni;FS表不铁磁半导体,选自氧化物磁性半导体ZnCoO、In2CoO3或Ti2CoO3 ；1表示绝缘体，选自宽禁带半导体Zn0、Co0、Ιη203、TiO2之一或组合。根据本发明优选的，磁性隧道结自旋电池结构为Co/CoO-ZnO/ZnCoO，按以下方法制备利用磁控溅射的方法，在衬底上生长铁磁金属Co层和中间绝缘层ZnO ;在氧气占3%。体积比的气氛下生长ZnO层，使Co层部分氧化自然形成CoO层；氧化物磁性半导体ZnCoO层用交替沉积Co和ZnO的方法制备，Co和ZnO层的厚度在O. 2-0. 7nm, Co和ZnO交替沉积周期为20-50。在氧气占3%。体积比的环境下生长ZnO层，同时使Co部分氧化形成CoO薄层，它与Co和ZnCoO磁性层发生不同强度的交换耦合，当温度为5K时，交换偏置场Heb=2000e。特定的CoO-ZnO复合绝缘层的存在是具有较大自旋电动势及巨大磁电阻效应的关键。所述磁性隧道结自旋电池显示出电子隧穿输运性质。用四端法测的I-V曲线整体呈现非线性。但是，当所加电流为零时，样品存在一个零点偏压，并且此零点偏压随磁场和温度的变化发生变化。经过一系列的对比实验，证实了测量数据非测量系统误差所致，所测的零点偏压来自样品本身，从而说明样品中存在自旋电动势，如图I和图2所示。所述磁性隧道结的M-H曲线中出现了交换偏置，证明在样品生长过程中Co部分氧化形成了 CoO层，它与Co和ZnCoO磁性层发生了不同强度的交换耦合，产生了交换偏置。所述磁性隧道结的势垒层中存在与氧空位有关的局域态，电子通过两个局域态的非弹性遂穿，使得结电导率G与Tv4成线性关系，如图6所示。所述磁性隧道结自旋电池在一定的温度下能产生高达50uV-10mv的电动势，此电动势的大小随中间层厚度的增加而变化，随温度的升高而减小，也会随磁场发生改变。所述磁性隧道结自旋电池作为自旋极化的电源，当外加一个I微安的小电流能产生高达1000%的磁电阻效应，用于磁传感器。根据本发明，隧道结自旋电池的制备方法，包括步骤如下(I)利用磁控溅射的方法，溅射室真空抽至4 5X 10_5Pa。(2)以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co置于直流靶。以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室，使溅射室压强稳定在IPa。(3)在水冷的石英玻璃衬底上依次沉积I. 5-2nm Cr层和25_35nm Ag层，然后在衬底上覆盖不锈钢掩膜，沉积10_15nm Co层。(4)更换掩膜，将第二层不锈钢掩膜覆盖在衬底上固定，引入适量的氧气，在氧气占气氛体积比3%。的环境下生长ZnO层，沉积4nm ZnO,同时使底部的Co部分氧化形成CoO层。(5)更换掩膜，将第三层不锈钢掩膜覆盖在衬底上固定，Ar气体作为溅射气氛，交替沉积一层O. 2-0. 7nm的ZnO，一层O. 2-0. 7nm的Co，交替周期为20 — 50，最后沉积一层50_60nm 的 Ag 电极。本发明通过调节生长时氧气含量来控制中间绝缘层ZnO中的氧空位，它对磁性隧道结的磁性和输运性质起着决定性作用，只有在一个狭窄的溅射氧分压和氧化时间窗口内，才能制备具有一定电动势输出并表现出巨大磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池。本发明用磁控溅射方法生长出来的Co/CoO-ZnO/ZnCoO磁性隧道结自旋电池能直接输出一个自旋电动势，而且在一定的外电压条件下此隧道结自旋电池还能产生高达1000%的磁电阻效应，除了作为自旋电池外，还可以用于磁传感器。本发明通过实验上证明了在纳米磁结构中法拉第定理必须经过修正才能反映出与自旋相关的电动势。具有自旋电动势的纳米磁结构可以作为自旋电池，而且其巨大的磁电阻在磁传感器中有着广阔的应用前景。本发明主要以Co/CoO-ZnO/ZnCoO为例说明了其制备方法,其他采用氧化物磁性半导体In2CoO3或Ti2CoO3,绝缘体选自宽禁带半导体ln203、TiO2时的磁性隧道结自旋电池的制备，采用与Co/Co0-Zn0/ZnCo0相同的磁控派射方法生长制备。本发明人经过长期实验和反复摸索，发现两铁磁层之间的交换耦合及中间层中的氧空位对此磁性隧道结的磁性和输运性质起着决定性作用，只有在一个狭窄的溅射氧分压和氧化时间窗口内，才能制备具有一定电动势输出并表现出巨大磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池。该氧化物半导体磁性隧道结自旋电池，不但能直接输出一个自旋电动势，作为自旋极化的电源，而且还能产生高达1000%的磁电阻效应，用于磁传感器，因而具有广阔的市场前景。
图I.实施例I磁性隧道结自旋电池的I-V曲线，样品的I-V曲线整体呈非线性，当所加电流为零时，样品存在一定的零点偏压，即自旋电动势。图2.在小电流区域、不同磁场下，实施例I磁性隧道结自旋电池的I-V曲线，大致呈线性关系，且其自旋电动势随磁场而变化。图3.零外加电流下V-H曲线，当温度为5K，外加电流为零时，实施例I样品在静磁场中能产生较大自旋电动势，并且此电动势能随磁场改变符号(正负)。图4.小电流下的R-H曲线，当温度为5K，外电流为I=50nA时，H=6T时，MR=685% ；H=0. 35T时，MR=-85% ;即实施例I样品由于自旋电动势的出现会产生较大磁电阻。图5. M-H曲线，测量温度为5K时，磁性隧道结显示出交换偏置场Heb=2000e。图6. R-T曲线，该磁性隧道结的势垒层中存在与氧空位有关的局域态，电子通过两个局域态的非弹性遂穿，使得结电导率G与Tv4成线性关系。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例I :磁性隧道结自旋电池的制备(I)利用磁控溅射的方法，溅射室真空抽至5 X 10_5Pa，以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co置于直流靶。以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室。溅射室压强稳定在IPa0(2)在水冷的石英玻璃2785衬底上，用磁控溅射的方法分别沉积I. 5nm Cr，30nmAg。(3)然后在衬底上覆盖上第一层不锈钢掩膜，用金属夹将衬底、掩膜和衬底托固定在一起。用磁控派射的方法沉积IOnm Co。(4)更换掩膜，将第二层不锈钢掩膜覆盖在衬底上，引入适量的氧气，使氧气占3%。体积比的环境下生长ZnO层，沉积4nm ZnO,同时使底部的Co部分氧化形成CoO层。(5)然后更换上第三层不锈钢掩膜,交替沉积一层0. 4nm的ZnO, —层0. 2nm的Co,交替周期为30,最后沉积一层60nm的Ag电极。Ar气作派射气氛。实施例I制备的Col0nm/Zn04nm/ZnCo020nm磁性隧道结自旋电池产生的自旋电动势和巨大磁电阻效应实验用四端法测的I-V曲线整体呈现非线性。但是，当所加电流为零时，样品存在一个零点偏压，并且此零点偏压随磁场和温度的变化发生变化。所测的零点偏压来自样品本身，从而说明了样品中存在自旋电动势，如图I和图2所示。样品在静磁场中能产生较大自旋电动势，并且此电动势能随磁场改变符号(正负)，如图3所示。样品由于自旋电动势的出现会产生较大磁电阻，如图4所示，小电流下的R-H曲线，当温度为 5K，外电流为 I=50nA 时，H=6T 时，MR=685% ；H=0. 35T 时，MR=-85%.测量样品的M-H曲线，所述磁性隧道结的M-H曲线中出现一定的交换偏置(如图5所示)，证明了在样品生长过程中Co部分氧化形成了 CoO层，它与Co和ZnCoO磁性层发生了不同强度的交换耦合，产生了交换偏置。所述磁性隧道结自旋电池的势垒层中存在与氧空位有关的局域态，电子通过两个局域态的非弹性遂穿，使得结电导率G与T3/4成线性关系，如图6所示。所述磁性隧道结自旋电池在一定的温度下能产生高达50uV_10mv的电动势，此电动势的大小随中间层厚度的增加而变化，随温度的升高而减小，也会随磁场发生改变。当通入I微安的的小电流时，由于自旋电动势的存在能在样品中观察到高达1000%的巨大磁电阻。当施加一个很大的电流把此隧道结击穿后，以上所说的自旋电动势和磁电阻均消失，在同样的生长条件制备出的Ag/ZnO/Ag隧道结中也观察不到这种自旋电动势和磁电阻效应。实施例2 :磁性隧道结自旋电池(I)利用磁控溅射的方法，溅射室真空抽至5 X IOPa,以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co置于直流靶。以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室。溅射室压强稳定在IPa0(2)在水冷的石英玻璃2785衬底上，用磁控溅射的方法分别沉积I. 5nm Cr，30nmAg。(3)然后在衬底上覆盖上第一层不锈钢掩膜，用金属夹将衬底、掩膜和衬底托固定在一起。用磁控派射的方法沉积IOnm Co。(4)将设计好的第二层不锈钢掩膜覆盖在衬底上，引入适量的氧气，使氧气占3%。体积比的环境下生长ZnO层，沉积8nm ZnO,同时使底部的Co部分氧化形成CoO层。(5)然后更换为第三层掩膜，交替沉积一层O. 4nm的ZnO，一层O. 2nm的Co，交替周期为30,最后沉积一层60nm的Ag电极。Ar气作派射气氛。
权利要求
1.基于氧化物半导体的磁性隧道结自旋电池，能产生自旋电动势及巨磁电阻，其结构表示为FM/I/FS 其中，FM表不铁磁性金属,选自金属Co、Fe或Ni ; FS表不铁磁半导体,选自氧化物磁性半导体ZnCoO、In2CoO3或Ti2CoO3 ；1表示绝缘体，选自宽禁带半导体ZnO、CoO、In203、Ti02之一或组合。
2.如权利要求I所述的磁性隧道结自旋电池，其特征在于所述磁性隧道结自旋电池结构为Co/CoO-ZnO/ZnCoO，按以下方法制备 利用磁控溅射的方法，在衬底上生长铁磁金属Co层和中间绝缘层ZnO ;在氧气占3%。体积比的气氛下生长ZnO层，使Co层部分氧化自然形成CoO层；氧化物磁性半导体ZnCoO层用交替沉积Co和ZnO的方法制备，Co和ZnO层的厚度在O. 2-0. 7nm, Co和ZnO交替沉积周期为20-50。
3.如权利要求2所述的磁性隧道结自旋电池，其特征在于按以下方法制备 (1)利用磁控溅射的方法，溅射室真空抽至4飞XKT5Pa ； (2)以纯度为99.95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co置于直流靶；以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室，使溅射室压强稳定在IPa ； (3)在水冷的石英玻璃衬底上依次沉积I.5-2nm Cr层和25_35nm Ag层，然后在衬底上覆盖不锈钢掩膜，沉积10_15nm Co层； (4)更换掩膜，将第二层不锈钢掩膜覆盖在衬底上固定，引入适量的氧气，在氧气占气氛体积比3%。的环境下生长ZnO层，沉积4nm ZnO同时使Co部分氧化形成CoO层； (5)更换掩膜，将第三层不锈钢掩膜覆盖在衬底上固定，交替沉积一层O.2-0. 7nm的ZnO,—层O. 2-0. 7nm的Co,交替周期为20 — 50,最后沉积一层50_60nm的Ag电极。
4.如权利要求2所述的磁性隧道结自旋电池，其特征在于所述磁性隧道结自旋电池在无磁场和/或外加电流为零条件下能产生50uV-10mv的自旋电动势。
5.如权利要求2所述的磁性隧道结自旋电池，其特征在于所述磁性隧道结自旋电池当外加I微安的小电流时就能产生高达1000%的磁电阻。
全文摘要
本发明涉及具有自旋电动势及巨磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法。所述磁性隧道结自旋电池Co/CoO-ZnO/ZnCoO按以下方法制备利用磁控溅射的方法，在衬底上生长铁磁金属Co层和中间绝缘层ZnO；在氧气占3‰体积比的气氛下生长ZnO层，使Co层部分氧化自然形成CoO层；氧化物磁性半导体ZnCoO层用交替沉积Co和ZnO的方法制备,Co和ZnO层的厚度在0.2-0.7nm,Co和ZnO交替沉积周期为20-50。该自旋电池在无外加电压的情况下产生的自旋电动势可以随磁场大小发生正负变化，从而可用磁场来调控电压。该自旋电池在一定的外电压条件下产生高达1000%的磁电阻，可用于磁传感器。
文档编号H01L43/12GK102931341SQ20121045233
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者颜世申, 李强, 沈婷婷, 代正坤, 刘国磊, 陈延学, 梅良模 申请人:山东大学
技术领域：
本发明涉及具有自旋电动势及巨大磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法，属于自旋电子材料器件及新能源技术领域。
背景技术：
随着电子器件的小型化与亚微米技术和纳米技术的发展，半导体和磁性材料的综合研究形成了一个全新的领域自旋电子学。自旋电子学是基于电子传导和磁性间的关联效应，通过磁场实现对输运特性调制的新兴学科。它涉及自旋极化、自旋相关散射和隧穿、自旋积累及弛豫、电荷-自旋-轨道-晶格间相互作用等强关联和量子干涉效应，是当今凝聚态物理的重大课题。作为纳米电子学的重要组成，自旋电子学在磁记录、非易失信息随机存储、自旋晶体管及量子计算机等领域将获得广泛应用，将会成为未来信息科学技术的主导技术。磁性隧道结用于磁传感器和磁性随机存储器(MRAM)越来越受到人们的重视，具有巨大的应用前景。基于氧化物磁性半导体隧道结的自旋电池是把自旋相关的能量(塞曼能和交换能)变成电能的器件，它具有自旋电动势，且能够输出自旋极化的电流；它可以通过外磁场非接触充电，因此不需要充电电源线，是一种新型的电池。另一方面，基于氧化物磁性半导体隧道结的自旋电池还具有巨大的磁电阻，可当作磁传感器使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种具有自旋电动势及巨磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法，该磁性隧道结自旋电池是基于氧化物半导体的磁性隧道结自旋电池，不但能直接输出一个自旋电动势，而且还能产生高达1000%的磁电阻效应。术语说明自旋电池，即把自旋相关的能量(塞曼能和交换能)变成电能的器件。磁电阻，即材料对磁场的响应导致电阻的变化，可以表示为MR= [R(H)-R(0)]/R(0) X 100%零点偏压，即当通过样品电流为零时所测得的样品两端的电压值。本发明的技术方案如下基于氧化物半导体的磁性隧道结自旋电池，能产生自旋电动势及巨磁电阻，其结构表示为FM/I/FS ；其中，FM表不铁磁性金属，选自金属Co、Fe或Ni;FS表不铁磁半导体,选自氧化物磁性半导体ZnCoO、In2CoO3或Ti2CoO3 ；1表示绝缘体，选自宽禁带半导体Zn0、Co0、Ιη203、TiO2之一或组合。根据本发明优选的，磁性隧道结自旋电池结构为Co/CoO-ZnO/ZnCoO，按以下方法制备利用磁控溅射的方法，在衬底上生长铁磁金属Co层和中间绝缘层ZnO ;在氧气占3%。体积比的气氛下生长ZnO层，使Co层部分氧化自然形成CoO层；氧化物磁性半导体ZnCoO层用交替沉积Co和ZnO的方法制备，Co和ZnO层的厚度在O. 2-0. 7nm, Co和ZnO交替沉积周期为20-50。在氧气占3%。体积比的环境下生长ZnO层，同时使Co部分氧化形成CoO薄层，它与Co和ZnCoO磁性层发生不同强度的交换耦合，当温度为5K时，交换偏置场Heb=2000e。特定的CoO-ZnO复合绝缘层的存在是具有较大自旋电动势及巨大磁电阻效应的关键。所述磁性隧道结自旋电池显示出电子隧穿输运性质。用四端法测的I-V曲线整体呈现非线性。但是，当所加电流为零时，样品存在一个零点偏压，并且此零点偏压随磁场和温度的变化发生变化。经过一系列的对比实验，证实了测量数据非测量系统误差所致，所测的零点偏压来自样品本身，从而说明样品中存在自旋电动势，如图I和图2所示。所述磁性隧道结的M-H曲线中出现了交换偏置，证明在样品生长过程中Co部分氧化形成了 CoO层，它与Co和ZnCoO磁性层发生了不同强度的交换耦合，产生了交换偏置。所述磁性隧道结的势垒层中存在与氧空位有关的局域态，电子通过两个局域态的非弹性遂穿，使得结电导率G与Tv4成线性关系，如图6所示。所述磁性隧道结自旋电池在一定的温度下能产生高达50uV-10mv的电动势，此电动势的大小随中间层厚度的增加而变化，随温度的升高而减小，也会随磁场发生改变。所述磁性隧道结自旋电池作为自旋极化的电源，当外加一个I微安的小电流能产生高达1000%的磁电阻效应，用于磁传感器。根据本发明，隧道结自旋电池的制备方法，包括步骤如下(I)利用磁控溅射的方法，溅射室真空抽至4 5X 10_5Pa。(2)以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co置于直流靶。以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室，使溅射室压强稳定在IPa。(3)在水冷的石英玻璃衬底上依次沉积I. 5-2nm Cr层和25_35nm Ag层，然后在衬底上覆盖不锈钢掩膜，沉积10_15nm Co层。(4)更换掩膜，将第二层不锈钢掩膜覆盖在衬底上固定，引入适量的氧气，在氧气占气氛体积比3%。的环境下生长ZnO层，沉积4nm ZnO,同时使底部的Co部分氧化形成CoO层。(5)更换掩膜，将第三层不锈钢掩膜覆盖在衬底上固定，Ar气体作为溅射气氛，交替沉积一层O. 2-0. 7nm的ZnO，一层O. 2-0. 7nm的Co，交替周期为20 — 50，最后沉积一层50_60nm 的 Ag 电极。本发明通过调节生长时氧气含量来控制中间绝缘层ZnO中的氧空位，它对磁性隧道结的磁性和输运性质起着决定性作用，只有在一个狭窄的溅射氧分压和氧化时间窗口内，才能制备具有一定电动势输出并表现出巨大磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池。本发明用磁控溅射方法生长出来的Co/CoO-ZnO/ZnCoO磁性隧道结自旋电池能直接输出一个自旋电动势，而且在一定的外电压条件下此隧道结自旋电池还能产生高达1000%的磁电阻效应，除了作为自旋电池外，还可以用于磁传感器。本发明通过实验上证明了在纳米磁结构中法拉第定理必须经过修正才能反映出与自旋相关的电动势。具有自旋电动势的纳米磁结构可以作为自旋电池，而且其巨大的磁电阻在磁传感器中有着广阔的应用前景。本发明主要以Co/CoO-ZnO/ZnCoO为例说明了其制备方法,其他采用氧化物磁性半导体In2CoO3或Ti2CoO3,绝缘体选自宽禁带半导体ln203、TiO2时的磁性隧道结自旋电池的制备，采用与Co/Co0-Zn0/ZnCo0相同的磁控派射方法生长制备。本发明人经过长期实验和反复摸索，发现两铁磁层之间的交换耦合及中间层中的氧空位对此磁性隧道结的磁性和输运性质起着决定性作用，只有在一个狭窄的溅射氧分压和氧化时间窗口内，才能制备具有一定电动势输出并表现出巨大磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池。该氧化物半导体磁性隧道结自旋电池，不但能直接输出一个自旋电动势，作为自旋极化的电源，而且还能产生高达1000%的磁电阻效应，用于磁传感器，因而具有广阔的市场前景。
图I.实施例I磁性隧道结自旋电池的I-V曲线，样品的I-V曲线整体呈非线性，当所加电流为零时，样品存在一定的零点偏压，即自旋电动势。图2.在小电流区域、不同磁场下，实施例I磁性隧道结自旋电池的I-V曲线，大致呈线性关系，且其自旋电动势随磁场而变化。图3.零外加电流下V-H曲线，当温度为5K，外加电流为零时，实施例I样品在静磁场中能产生较大自旋电动势，并且此电动势能随磁场改变符号(正负)。图4.小电流下的R-H曲线，当温度为5K，外电流为I=50nA时，H=6T时，MR=685% ；H=0. 35T时，MR=-85% ;即实施例I样品由于自旋电动势的出现会产生较大磁电阻。图5. M-H曲线，测量温度为5K时，磁性隧道结显示出交换偏置场Heb=2000e。图6. R-T曲线，该磁性隧道结的势垒层中存在与氧空位有关的局域态，电子通过两个局域态的非弹性遂穿，使得结电导率G与Tv4成线性关系。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。实施例I :磁性隧道结自旋电池的制备(I)利用磁控溅射的方法，溅射室真空抽至5 X 10_5Pa，以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co置于直流靶。以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室。溅射室压强稳定在IPa0(2)在水冷的石英玻璃2785衬底上，用磁控溅射的方法分别沉积I. 5nm Cr，30nmAg。(3)然后在衬底上覆盖上第一层不锈钢掩膜，用金属夹将衬底、掩膜和衬底托固定在一起。用磁控派射的方法沉积IOnm Co。(4)更换掩膜，将第二层不锈钢掩膜覆盖在衬底上，引入适量的氧气，使氧气占3%。体积比的环境下生长ZnO层，沉积4nm ZnO,同时使底部的Co部分氧化形成CoO层。(5)然后更换上第三层不锈钢掩膜,交替沉积一层0. 4nm的ZnO, —层0. 2nm的Co,交替周期为30,最后沉积一层60nm的Ag电极。Ar气作派射气氛。实施例I制备的Col0nm/Zn04nm/ZnCo020nm磁性隧道结自旋电池产生的自旋电动势和巨大磁电阻效应实验用四端法测的I-V曲线整体呈现非线性。但是，当所加电流为零时，样品存在一个零点偏压，并且此零点偏压随磁场和温度的变化发生变化。所测的零点偏压来自样品本身，从而说明了样品中存在自旋电动势，如图I和图2所示。样品在静磁场中能产生较大自旋电动势，并且此电动势能随磁场改变符号(正负)，如图3所示。样品由于自旋电动势的出现会产生较大磁电阻，如图4所示，小电流下的R-H曲线，当温度为 5K，外电流为 I=50nA 时，H=6T 时，MR=685% ；H=0. 35T 时，MR=-85%.测量样品的M-H曲线，所述磁性隧道结的M-H曲线中出现一定的交换偏置(如图5所示)，证明了在样品生长过程中Co部分氧化形成了 CoO层，它与Co和ZnCoO磁性层发生了不同强度的交换耦合，产生了交换偏置。所述磁性隧道结自旋电池的势垒层中存在与氧空位有关的局域态，电子通过两个局域态的非弹性遂穿，使得结电导率G与T3/4成线性关系，如图6所示。所述磁性隧道结自旋电池在一定的温度下能产生高达50uV_10mv的电动势，此电动势的大小随中间层厚度的增加而变化，随温度的升高而减小，也会随磁场发生改变。当通入I微安的的小电流时，由于自旋电动势的存在能在样品中观察到高达1000%的巨大磁电阻。当施加一个很大的电流把此隧道结击穿后，以上所说的自旋电动势和磁电阻均消失，在同样的生长条件制备出的Ag/ZnO/Ag隧道结中也观察不到这种自旋电动势和磁电阻效应。实施例2 :磁性隧道结自旋电池(I)利用磁控溅射的方法，溅射室真空抽至5 X IOPa,以纯度为99. 95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co置于直流靶。以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室。溅射室压强稳定在IPa0(2)在水冷的石英玻璃2785衬底上，用磁控溅射的方法分别沉积I. 5nm Cr，30nmAg。(3)然后在衬底上覆盖上第一层不锈钢掩膜，用金属夹将衬底、掩膜和衬底托固定在一起。用磁控派射的方法沉积IOnm Co。(4)将设计好的第二层不锈钢掩膜覆盖在衬底上，引入适量的氧气，使氧气占3%。体积比的环境下生长ZnO层，沉积8nm ZnO,同时使底部的Co部分氧化形成CoO层。(5)然后更换为第三层掩膜，交替沉积一层O. 4nm的ZnO，一层O. 2nm的Co，交替周期为30,最后沉积一层60nm的Ag电极。Ar气作派射气氛。
权利要求
1.基于氧化物半导体的磁性隧道结自旋电池，能产生自旋电动势及巨磁电阻，其结构表示为FM/I/FS 其中，FM表不铁磁性金属,选自金属Co、Fe或Ni ; FS表不铁磁半导体,选自氧化物磁性半导体ZnCoO、In2CoO3或Ti2CoO3 ；1表示绝缘体，选自宽禁带半导体ZnO、CoO、In203、Ti02之一或组合。
2.如权利要求I所述的磁性隧道结自旋电池，其特征在于所述磁性隧道结自旋电池结构为Co/CoO-ZnO/ZnCoO，按以下方法制备 利用磁控溅射的方法，在衬底上生长铁磁金属Co层和中间绝缘层ZnO ;在氧气占3%。体积比的气氛下生长ZnO层，使Co层部分氧化自然形成CoO层；氧化物磁性半导体ZnCoO层用交替沉积Co和ZnO的方法制备，Co和ZnO层的厚度在O. 2-0. 7nm, Co和ZnO交替沉积周期为20-50。
3.如权利要求2所述的磁性隧道结自旋电池，其特征在于按以下方法制备 (1)利用磁控溅射的方法，溅射室真空抽至4飞XKT5Pa ； (2)以纯度为99.95%以上的ZnO陶瓷和99. 99%以上的Co金属为靶材，将ZnO置于射频靶，Co置于直流靶；以纯度为99. 99%以上的高纯Ar气体作为溅射气氛，Ar气经过气体流量计进入溅射室，使溅射室压强稳定在IPa ； (3)在水冷的石英玻璃衬底上依次沉积I.5-2nm Cr层和25_35nm Ag层，然后在衬底上覆盖不锈钢掩膜，沉积10_15nm Co层； (4)更换掩膜，将第二层不锈钢掩膜覆盖在衬底上固定，引入适量的氧气，在氧气占气氛体积比3%。的环境下生长ZnO层，沉积4nm ZnO同时使Co部分氧化形成CoO层； (5)更换掩膜，将第三层不锈钢掩膜覆盖在衬底上固定，交替沉积一层O.2-0. 7nm的ZnO,—层O. 2-0. 7nm的Co,交替周期为20 — 50,最后沉积一层50_60nm的Ag电极。
4.如权利要求2所述的磁性隧道结自旋电池，其特征在于所述磁性隧道结自旋电池在无磁场和/或外加电流为零条件下能产生50uV-10mv的自旋电动势。
5.如权利要求2所述的磁性隧道结自旋电池，其特征在于所述磁性隧道结自旋电池当外加I微安的小电流时就能产生高达1000%的磁电阻。
全文摘要
本发明涉及具有自旋电动势及巨磁电阻效应的磁性隧道结自旋电池及其制备方法。所述磁性隧道结自旋电池Co/CoO-ZnO/ZnCoO按以下方法制备利用磁控溅射的方法，在衬底上生长铁磁金属Co层和中间绝缘层ZnO；在氧气占3‰体积比的气氛下生长ZnO层，使Co层部分氧化自然形成CoO层；氧化物磁性半导体ZnCoO层用交替沉积Co和ZnO的方法制备,Co和ZnO层的厚度在0.2-0.7nm,Co和ZnO交替沉积周期为20-50。该自旋电池在无外加电压的情况下产生的自旋电动势可以随磁场大小发生正负变化，从而可用磁场来调控电压。该自旋电池在一定的外电压条件下产生高达1000%的磁电阻，可用于磁传感器。
文档编号H01L43/12GK102931341SQ20121045233
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者颜世申, 李强, 沈婷婷, 代正坤, 刘国磊, 陈延学, 梅良模 申请人:山东大学
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