交换偏置场可调控的结构单元、其制备方法及调控方法
交换偏置场可调控的结构单元、其制备方法及调控方法
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性磁电子器件领域，特别涉及一种交换偏置场可调控的结构单元、其制备方法及调控方法。
【背景技术】
[0002]交换偏置现象是包含铁磁/反铁磁结构单元在界面交换耦合作用下磁滞回线中心偏离磁场零点的一种重要磁性现象，其偏离量被称为交换偏置场。目前，交换偏置现象已经在磁头、磁传感器等许多方面取得广泛应用。随着对交换偏置现象的深入研究，许多新的有着潜在应用价值的实验现象被相继发现。
[0003]但是，目前具有交换偏置现象的结构单元都是形成在刚性衬底表面，而且对交换偏置场的调控依赖于外加磁场，这就存在调控手段单一、不灵活的问题。
【发明内容】
[0004]本发明人针对上述技术现状，提供了一种新型的具有交换偏置现象的结构单元，该结构单元采用柔性衬底，并且该柔性衬底具有各向异性热膨胀系数与压电效应，因此能够通过温度、电场对其交换偏置场进行调控。
[0005]本发明的具体技术方案为:一种交换偏置场可调控的结构单元，包括衬底、铁磁层、与反铁磁层，其特征是:
[0006]所述的衬底为柔性衬底，并且该柔性衬底具有各向异性热膨胀系数与压电效应；
[0007]衬底表面为金属缓冲层；
[0008]如图1所不,金属缓冲层表面为铁磁层、铁磁层表面为反铁磁层,反铁磁层表面为保护层；或者，如图2所示，金属缓冲层表面为反铁磁层、反铁磁层表面为铁磁层，铁磁层表面为保护层；并且，所述的铁磁层具有磁致伸缩效应。
[0009]作为优选，所述的缓冲层厚度为10?30nm ；
[0010]作为优选,所述的铁磁层厚度为5?20nm之间；
[0011]作为优选，所述的反铁磁层厚度为10?30nm之间；
[0012]作为优选，所述的保护层厚度为2?5nm之间；
[0013]作为优选，所述的铁磁层厚度与反铁磁层厚度之比为1:0.8?1:4。
[0014]所述的柔性衬底不限，包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯、聚氯乙烯等。
[0015]所述的金属缓冲层用于诱导反铁磁层或者铁磁层的生长取向并降低衬底的粗糙度，其材料不限，包括Ta、Pt、Au、Cu等中的一种或几种的组合。
[0016]所述的反铁磁层材料不限，包括IrMn、FeMn> NiMn> PtMn> PdMn等中的一种或几种的组合。
[0017]所述的铁磁层材料的磁致伸缩系数不为零，包括？66&、(:(^6、附？6、？641、附、祖(:0、FeSiB等中的一种。
[0018]所述的保护层用于防止铁磁层与反铁磁层被氧化，所以一般采用不易被氧化的金属材料，包括Ta、Pt、Cu、Au、Mo、Ag、Sn等中的一种。
[0019]本发明通过以下方法(I)或方法(2)调控该结构单元的交换偏置场，或者采用以下方法(I)与(2)相结合调控该结构单元的交换偏置场:
[0020]方法(I):温度调控
[0021]当柔性衬底的温度发生变化，引起衬底各向异性的热膨胀(或热收缩)，所产生的应力通过缓冲层、或者通过缓冲层与反铁磁层传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，引起交换偏置场发生改变，实现对交换偏置场的调控；
[0022]其中，引起柔性衬底温度变化的温度源不限，包括光源、电流源以及其他可控热源。
[0023]方法(2):电场调控
[0024]对柔性衬底施加电压，柔性衬底产生应力，应力通过缓冲层、或者通过缓冲层与反铁磁层传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，引起交换偏置场发生改变，实现对交换偏置场的调控；
[0025]本发明还提供了一种采用磁控溅射技术制备上述交换偏置场可调控结构单元的方法，首先对柔性衬底进行氩离子轰击或者刻蚀等反溅射工艺，以降低柔性衬底表面粗糙度，然后在外加磁场作用下依次溅射沉积金属缓冲层、铁磁层、反铁磁层、保护层，或者，在外加磁场作用下依次溅射沉积金属缓冲层、反铁磁层、铁磁层、保护层。具体工艺如下:
[0026]步骤1:真空腔体内通入氩气，保持腔体气压维持在5?1Pa之间，使用射频溅射轰击柔性衬底表面，射频功率为50?300W ；
[0027]作为优先，派射轰击时间为0.5?Ih ;
[0028]步骤2:将步骤I处理后的柔性衬底固定在模具表面，所述的模具由非磁性材料制成、并且具有固定曲率半径，所述的模具曲率半径大于2cm ;
[0029]所述的模具材料不限，包括陶瓷、塑料、石英、非磁性金属以及非磁性金属合金等。
[0030]所述的模具表面形状不限，当为曲面时包括内凹曲面(如图3a所示)以及外凸曲面(如图3b所示)；
[0031]步骤3:采用超高真空磁控溅射技术在柔性衬底表面直流溅射沉积金属缓冲层，沉积室本底真空度为4X 10_5Pa，通入氩气，氩气压维持在0.2?1.0Pa ；
[0032]作为优选，溅射功率为30?60W，溅射速率控制在1.5?8nm/min ；
[0033]步骤4:氩气压维持在0.2?0.5Pa之间，直流溅射反铁磁靶材，在金属缓冲层表面沉积反铁磁层；
[0034]作为优选，溅射功率为50?80W，溅射速率控制在I?4nm/min ；
[0035]步骤5:氩气压维持在0.2?1.0Pa之间，直流溅射铁磁靶材，在反铁磁层表面沉积铁磁层；
[0036]作为优选，溅射功率为30?80W，溅射速率控制在I?4nm/min ；
[0037]步骤6:氩气压维持在0.1?1.0Pa之间，直流溅射保护层，在铁磁层表面沉积保护层；
[0038]作为优选，溅射功率为30?60W。
[0039]综上所述，本发明将具有交换偏置效应的结构单元与柔性衬底相结合，使该结构单元具有柔韧性，同时采用具有各向异性热膨胀系数与压电效应的柔性衬底，采用具有磁致伸缩效应的铁磁层，使该柔性结构单元对应力敏感，因此当温度、电场导致应力变化时，能够调控其交换偏置场大小。该结构单元具有如下有益效果:
[0040](I)结构简单，制备方便，成本低；
[0041](2)交换偏置场的调控手段灵活，调控方便易行；
[0042](3)属于柔性结构单元，适合于柔性磁电子学研究，在传感、信息、医疗、军事等领域具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0043]图1是本发明交换偏置场可调控的结构单元的一种结构示意图；
[0044]图2是本发明交换偏置场可调控的结构单元的另一种结构示意图；
[0045]图3a是用于制备本发明交换偏置场可调控结构单元的内凹模具；
[0046]图3b是用于制备本发明交换偏置场可调控结构单元的外凸模具；
[0047]图4是实施例1中的柔性衬底PVDF的示意图；
[0048]图5是本发明实施实例I中的结构单元在温度调控下磁滞回线的变化图；
[0049]图6是图5对应的交换偏置场变化图；
[0050]图7是本发明实施实例I中的结构单元在电场调控下磁滞回线的变化图；
[0051]图8是图7对应的交换偏置场变化图。
【具体实施方式】
[0052]以下将结合附图及实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0053]实施例1:
[0054]本实施例中，具有交换偏置效应的结构单元如图2所示，由衬底、金属缓冲层、反铁磁层、铁磁层、保护层组成。
[0055]衬底是柔性衬底铁电高分子材料PVDF，其厚度为30um，如图4所示，该 柔性衬底具有各向异性热膨胀系数，沿X方向的热膨胀系数是a 31=-13 X 10-?-1，沿Y方向的热膨胀系数 a 32=-145 X 1^r10
[0056]金属缓冲层是厚度为20nm的Ta层。
[0057]反铁磁层是厚度为20nm的IrMn层。
[0058]反铁磁层是厚度为1nm的FeGa层。
[0059]保护层是厚度为3nm的Ta层。
[0060]上述结构单元的制备方法如下:
[0061]沉积薄膜时，
[0062](I)真空腔体内通入氩气，保持腔体气压维持在5?1Pa之间，使用射频溅射轰击柔性衬底表面，射频功率为50?300W，溅射轰击0.5h ；
[0063](2)选用如图3a所示的内凹模具，模具曲率半径大于2cm，将柔性衬底的Y方向沿内凹模具长边L方向固定；并施加一个沿着柔性衬底Y方向的外磁场；
[0064](3)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度5X 10_5Pa，氩气压为0.25Pa，直流溅射Ta钯，在柔性衬底表面溅射沉积金属缓冲Ta层，直流溅射功率为50W，溅射沉积速率为 2nm/min ；
[0065](4)氩气压为0.25Pa，直流溅射IrMn靶，在金属缓冲层表面沉积反铁磁层IrMn，溅射功率为80W，溅射沉积速率为3nm/min ；
[0066](5)氩气压为0.2Pa，直流溅射FeGa靶，在反铁磁层表面溅射沉积铁磁层FeGa，溅射功率为70W，溅射沉积速率为3nm/min ；
[0067](6)氩气压为0.25Pa，直流溅射Ta靶，在铁磁层表面溅射沉积保护层Ta，溅射功率为50W，溅射沉积速率为2nm/min。
[0068]经测定，上述制得的柔性结构单元在室温下具有较大的交换偏置场Heb=112.60e。
[0069]对上述柔性结构单元进行温度调控，即控制环境温度或者使柔性衬底温度由初始温度发生变化，引起PVDF衬底各向异性的热膨胀(或热收缩)，所产生的应力通过金属缓冲层与反铁磁层的界面传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，从而使交换偏置场发生变化，实现温度对交换偏置场的调控。
[0070]该结构单元的具体交换偏置场在温度调控下的磁滞回线的变化结果如图5所示，其对应的交换偏置场的变化结果如图6所示，可以看出:在柔性衬底Y方向，随着温度的升高，该结构单元的交换偏置场逐渐减小，当温度为200K时结构单元具有最大交换偏置场Heb=129.1Oe,当温度升高至350K时，交换偏置场减小到57.50e ;另外，随着温度的升高，该结构单元的矫顽力逐渐降低，剩磁比逐渐减小，并且在350K时，铁磁层材料表现出由易磁化轴向难磁化轴的转变。
[0071]对上述柔性结构单元进行电场调控，即在结构单元上下表面通电，由于柔性衬底具有逆压电效应，所以对柔性衬底施加电场时引起其形变，形变所产生的应力通过金属缓冲层与反铁磁层的界面传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，从而使交换偏置场发生变化，实现电场对交换偏置场的调控。
[0072]该结构单元的具体交换偏置场在电场调控下的磁滞回线的变化结果如图7所示，其对应的交换偏置场的变化结果如图8所示，可以看出:在柔性衬底Y方向，电场从+500V降低到-500V时，结构单元的矫顽力大小不变，交换偏置场线性减小，由143.50e减小到133.1Oe0
[0073]以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种交换偏置场可调控的结构单元，包括衬底、铁磁层、与反铁磁层，其特征是: 所述的衬底为柔性衬底，并且该柔性衬底具有各向异性热膨胀系数与压电效应； 所述的衬底表面为金属缓冲层； 金属缓冲层表面为铁磁层、铁磁层表面为反铁磁层，反铁磁层表面为保护层；或者，金属缓冲层表面为反铁磁层、反铁磁层表面为铁磁层，铁磁层表面为保护层；并且，所述的铁磁层具有磁致伸缩效应。2.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的缓冲层厚度为10?30nm ;所述的铁磁层厚度为5?20nm ;所述的反铁磁层厚度为10?30nm。3.如权利要求所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的铁磁层厚度与反铁磁层厚度之比为1:0.8?1:4。4.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的柔性衬底层材料是聚偏氟乙烯、聚氟乙烯或聚氯乙烯。5.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的金属缓冲层材料是Ta、Pt、Au、Cu中的一种或几种的组合。6.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的反铁磁层材料是IrMn、FeMn> NiMn> PtMn> PdMn中的一种或几种的组合。7.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的铁磁层材料是 FeGa、CoFe、NiFe、FeAl、N1、NiCo, FeSiB 中的一种。8.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的保护层材料是 Ta、Pt、Cu、Au、Mo、Ag、Sn 中的一种。9.制备权利要求1至8中任一权利要求所述的交换偏置场可调控结构单元的方法，其特征是:包括如下步骤: 步骤1:真空腔体内通入氩气，保持腔体气压维持在5?1Pa之间，使用射频溅射轰击柔性衬底表面，射频功率为50?300W ； 步骤2:将步骤I处理后的柔性衬底固定在模具表面，所述的模具由非磁性材料制成、并且具有固定曲率半径，所述的模具曲率半径大于2cm ； 步骤3:采用超高真空磁控溅射技术在柔性衬底表面直流溅射沉积金属缓冲层，沉积室本底真空度为4X 10_5Pa，通入氩气，氩气压维持在0.2?1.0Pa ； 步骤4:氩气压维持在0.2?0.5Pa之间，直流溅射反铁磁靶材，在金属缓冲层表面沉积反铁磁层； 步骤5:氩气压维持在0.2?1.0Pa之间，直流溅射铁磁靶材，在反铁磁层表面沉积铁磁层； 步骤6:氩气压维持在0.1?1.0Pa之间，直流溅射保护层，在铁磁层表面沉积保护层。10.调控权利要求1至8中任一权利要求所述的结构单元交换偏置的方法，其特征是:通过以下方法(I)或方法(2)，或者通过以下方法(I)与(2)相结合进行调控: 方法(I):温度调控 当柔性衬底的温度发生变化，引起衬底各向异性的热膨胀或热收缩，所产生的应力通过缓冲层、或者通过缓冲层与反铁磁层传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，引起交换偏置场发生改变； 方法(2):电场调控 对柔性衬底施加电压，柔性衬底产生应力，应力通过缓冲层、或者通过缓冲层与反铁磁层传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，引起交换偏置场发生改变。
【专利摘要】本发明提供了一种交换偏置场可调控的结构单元。该结构单元包括衬底、金属缓冲层、铁磁层、反铁磁层与保护层，其中衬底采用具有各向异性热膨胀系数与压电效应的柔性衬底，铁磁层具有磁致伸缩效应，从而对应力敏感。当温度、电场导致应力变化时，该结构单元的交换偏置场发生变化，因此能够通过温度、电场调控其交换偏置场。与现有技术相比，该结构单元具有柔韧性，其交换偏置场的调控手段灵活，调控方便易行，在传感、信息、医疗、军事等领域具有良好的应用前景。
【IPC分类】H01L43/00, H01L43/12
【公开号】CN104900799
【申请号】CN201410077376
【发明人】詹清峰, 荣欣, 李润伟, 刘宜伟, 张晓山
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月4日
【技术领域】
[0001]本发明属于柔性磁电子器件领域，特别涉及一种交换偏置场可调控的结构单元、其制备方法及调控方法。
【背景技术】
[0002]交换偏置现象是包含铁磁/反铁磁结构单元在界面交换耦合作用下磁滞回线中心偏离磁场零点的一种重要磁性现象，其偏离量被称为交换偏置场。目前，交换偏置现象已经在磁头、磁传感器等许多方面取得广泛应用。随着对交换偏置现象的深入研究，许多新的有着潜在应用价值的实验现象被相继发现。
[0003]但是，目前具有交换偏置现象的结构单元都是形成在刚性衬底表面，而且对交换偏置场的调控依赖于外加磁场，这就存在调控手段单一、不灵活的问题。
【发明内容】
[0004]本发明人针对上述技术现状，提供了一种新型的具有交换偏置现象的结构单元，该结构单元采用柔性衬底，并且该柔性衬底具有各向异性热膨胀系数与压电效应，因此能够通过温度、电场对其交换偏置场进行调控。
[0005]本发明的具体技术方案为:一种交换偏置场可调控的结构单元，包括衬底、铁磁层、与反铁磁层，其特征是:
[0006]所述的衬底为柔性衬底，并且该柔性衬底具有各向异性热膨胀系数与压电效应；
[0007]衬底表面为金属缓冲层；
[0008]如图1所不,金属缓冲层表面为铁磁层、铁磁层表面为反铁磁层,反铁磁层表面为保护层；或者，如图2所示，金属缓冲层表面为反铁磁层、反铁磁层表面为铁磁层，铁磁层表面为保护层；并且，所述的铁磁层具有磁致伸缩效应。
[0009]作为优选，所述的缓冲层厚度为10?30nm ；
[0010]作为优选,所述的铁磁层厚度为5?20nm之间；
[0011]作为优选，所述的反铁磁层厚度为10?30nm之间；
[0012]作为优选，所述的保护层厚度为2?5nm之间；
[0013]作为优选，所述的铁磁层厚度与反铁磁层厚度之比为1:0.8?1:4。
[0014]所述的柔性衬底不限，包括聚偏氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯、聚氯乙烯等。
[0015]所述的金属缓冲层用于诱导反铁磁层或者铁磁层的生长取向并降低衬底的粗糙度，其材料不限，包括Ta、Pt、Au、Cu等中的一种或几种的组合。
[0016]所述的反铁磁层材料不限，包括IrMn、FeMn> NiMn> PtMn> PdMn等中的一种或几种的组合。
[0017]所述的铁磁层材料的磁致伸缩系数不为零，包括？66&、(:(^6、附？6、？641、附、祖(:0、FeSiB等中的一种。
[0018]所述的保护层用于防止铁磁层与反铁磁层被氧化，所以一般采用不易被氧化的金属材料，包括Ta、Pt、Cu、Au、Mo、Ag、Sn等中的一种。
[0019]本发明通过以下方法(I)或方法(2)调控该结构单元的交换偏置场，或者采用以下方法(I)与(2)相结合调控该结构单元的交换偏置场:
[0020]方法(I):温度调控
[0021]当柔性衬底的温度发生变化，引起衬底各向异性的热膨胀(或热收缩)，所产生的应力通过缓冲层、或者通过缓冲层与反铁磁层传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，引起交换偏置场发生改变，实现对交换偏置场的调控；
[0022]其中，引起柔性衬底温度变化的温度源不限，包括光源、电流源以及其他可控热源。
[0023]方法(2):电场调控
[0024]对柔性衬底施加电压，柔性衬底产生应力，应力通过缓冲层、或者通过缓冲层与反铁磁层传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，引起交换偏置场发生改变，实现对交换偏置场的调控；
[0025]本发明还提供了一种采用磁控溅射技术制备上述交换偏置场可调控结构单元的方法，首先对柔性衬底进行氩离子轰击或者刻蚀等反溅射工艺，以降低柔性衬底表面粗糙度，然后在外加磁场作用下依次溅射沉积金属缓冲层、铁磁层、反铁磁层、保护层，或者，在外加磁场作用下依次溅射沉积金属缓冲层、反铁磁层、铁磁层、保护层。具体工艺如下:
[0026]步骤1:真空腔体内通入氩气，保持腔体气压维持在5?1Pa之间，使用射频溅射轰击柔性衬底表面，射频功率为50?300W ；
[0027]作为优先，派射轰击时间为0.5?Ih ;
[0028]步骤2:将步骤I处理后的柔性衬底固定在模具表面，所述的模具由非磁性材料制成、并且具有固定曲率半径，所述的模具曲率半径大于2cm ;
[0029]所述的模具材料不限，包括陶瓷、塑料、石英、非磁性金属以及非磁性金属合金等。
[0030]所述的模具表面形状不限，当为曲面时包括内凹曲面(如图3a所示)以及外凸曲面(如图3b所示)；
[0031]步骤3:采用超高真空磁控溅射技术在柔性衬底表面直流溅射沉积金属缓冲层，沉积室本底真空度为4X 10_5Pa，通入氩气，氩气压维持在0.2?1.0Pa ；
[0032]作为优选，溅射功率为30?60W，溅射速率控制在1.5?8nm/min ；
[0033]步骤4:氩气压维持在0.2?0.5Pa之间，直流溅射反铁磁靶材，在金属缓冲层表面沉积反铁磁层；
[0034]作为优选，溅射功率为50?80W，溅射速率控制在I?4nm/min ；
[0035]步骤5:氩气压维持在0.2?1.0Pa之间，直流溅射铁磁靶材，在反铁磁层表面沉积铁磁层；
[0036]作为优选，溅射功率为30?80W，溅射速率控制在I?4nm/min ；
[0037]步骤6:氩气压维持在0.1?1.0Pa之间，直流溅射保护层，在铁磁层表面沉积保护层；
[0038]作为优选，溅射功率为30?60W。
[0039]综上所述，本发明将具有交换偏置效应的结构单元与柔性衬底相结合，使该结构单元具有柔韧性，同时采用具有各向异性热膨胀系数与压电效应的柔性衬底，采用具有磁致伸缩效应的铁磁层，使该柔性结构单元对应力敏感，因此当温度、电场导致应力变化时，能够调控其交换偏置场大小。该结构单元具有如下有益效果:
[0040](I)结构简单，制备方便，成本低；
[0041](2)交换偏置场的调控手段灵活，调控方便易行；
[0042](3)属于柔性结构单元，适合于柔性磁电子学研究，在传感、信息、医疗、军事等领域具有良好的应用前景。
【附图说明】
[0043]图1是本发明交换偏置场可调控的结构单元的一种结构示意图；
[0044]图2是本发明交换偏置场可调控的结构单元的另一种结构示意图；
[0045]图3a是用于制备本发明交换偏置场可调控结构单元的内凹模具；
[0046]图3b是用于制备本发明交换偏置场可调控结构单元的外凸模具；
[0047]图4是实施例1中的柔性衬底PVDF的示意图；
[0048]图5是本发明实施实例I中的结构单元在温度调控下磁滞回线的变化图；
[0049]图6是图5对应的交换偏置场变化图；
[0050]图7是本发明实施实例I中的结构单元在电场调控下磁滞回线的变化图；
[0051]图8是图7对应的交换偏置场变化图。
【具体实施方式】
[0052]以下将结合附图及实施例对本发明做进一步说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0053]实施例1:
[0054]本实施例中，具有交换偏置效应的结构单元如图2所示，由衬底、金属缓冲层、反铁磁层、铁磁层、保护层组成。
[0055]衬底是柔性衬底铁电高分子材料PVDF，其厚度为30um，如图4所示，该 柔性衬底具有各向异性热膨胀系数，沿X方向的热膨胀系数是a 31=-13 X 10-?-1，沿Y方向的热膨胀系数 a 32=-145 X 1^r10
[0056]金属缓冲层是厚度为20nm的Ta层。
[0057]反铁磁层是厚度为20nm的IrMn层。
[0058]反铁磁层是厚度为1nm的FeGa层。
[0059]保护层是厚度为3nm的Ta层。
[0060]上述结构单元的制备方法如下:
[0061]沉积薄膜时，
[0062](I)真空腔体内通入氩气，保持腔体气压维持在5?1Pa之间，使用射频溅射轰击柔性衬底表面，射频功率为50?300W，溅射轰击0.5h ；
[0063](2)选用如图3a所示的内凹模具，模具曲率半径大于2cm，将柔性衬底的Y方向沿内凹模具长边L方向固定；并施加一个沿着柔性衬底Y方向的外磁场；
[0064](3)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度5X 10_5Pa，氩气压为0.25Pa，直流溅射Ta钯，在柔性衬底表面溅射沉积金属缓冲Ta层，直流溅射功率为50W，溅射沉积速率为 2nm/min ；
[0065](4)氩气压为0.25Pa，直流溅射IrMn靶，在金属缓冲层表面沉积反铁磁层IrMn，溅射功率为80W，溅射沉积速率为3nm/min ；
[0066](5)氩气压为0.2Pa，直流溅射FeGa靶，在反铁磁层表面溅射沉积铁磁层FeGa，溅射功率为70W，溅射沉积速率为3nm/min ；
[0067](6)氩气压为0.25Pa，直流溅射Ta靶，在铁磁层表面溅射沉积保护层Ta，溅射功率为50W，溅射沉积速率为2nm/min。
[0068]经测定，上述制得的柔性结构单元在室温下具有较大的交换偏置场Heb=112.60e。
[0069]对上述柔性结构单元进行温度调控，即控制环境温度或者使柔性衬底温度由初始温度发生变化，引起PVDF衬底各向异性的热膨胀(或热收缩)，所产生的应力通过金属缓冲层与反铁磁层的界面传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，从而使交换偏置场发生变化，实现温度对交换偏置场的调控。
[0070]该结构单元的具体交换偏置场在温度调控下的磁滞回线的变化结果如图5所示，其对应的交换偏置场的变化结果如图6所示，可以看出:在柔性衬底Y方向，随着温度的升高，该结构单元的交换偏置场逐渐减小，当温度为200K时结构单元具有最大交换偏置场Heb=129.1Oe,当温度升高至350K时，交换偏置场减小到57.50e ;另外，随着温度的升高，该结构单元的矫顽力逐渐降低，剩磁比逐渐减小，并且在350K时，铁磁层材料表现出由易磁化轴向难磁化轴的转变。
[0071]对上述柔性结构单元进行电场调控，即在结构单元上下表面通电，由于柔性衬底具有逆压电效应，所以对柔性衬底施加电场时引起其形变，形变所产生的应力通过金属缓冲层与反铁磁层的界面传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，从而使交换偏置场发生变化，实现电场对交换偏置场的调控。
[0072]该结构单元的具体交换偏置场在电场调控下的磁滞回线的变化结果如图7所示，其对应的交换偏置场的变化结果如图8所示，可以看出:在柔性衬底Y方向，电场从+500V降低到-500V时，结构单元的矫顽力大小不变，交换偏置场线性减小，由143.50e减小到133.1Oe0
[0073]以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.一种交换偏置场可调控的结构单元，包括衬底、铁磁层、与反铁磁层，其特征是: 所述的衬底为柔性衬底，并且该柔性衬底具有各向异性热膨胀系数与压电效应； 所述的衬底表面为金属缓冲层； 金属缓冲层表面为铁磁层、铁磁层表面为反铁磁层，反铁磁层表面为保护层；或者，金属缓冲层表面为反铁磁层、反铁磁层表面为铁磁层，铁磁层表面为保护层；并且，所述的铁磁层具有磁致伸缩效应。2.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的缓冲层厚度为10?30nm ;所述的铁磁层厚度为5?20nm ;所述的反铁磁层厚度为10?30nm。3.如权利要求所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的铁磁层厚度与反铁磁层厚度之比为1:0.8?1:4。4.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的柔性衬底层材料是聚偏氟乙烯、聚氟乙烯或聚氯乙烯。5.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的金属缓冲层材料是Ta、Pt、Au、Cu中的一种或几种的组合。6.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的反铁磁层材料是IrMn、FeMn> NiMn> PtMn> PdMn中的一种或几种的组合。7.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的铁磁层材料是 FeGa、CoFe、NiFe、FeAl、N1、NiCo, FeSiB 中的一种。8.如权利要求1所述的交换偏置场可调控的结构单元，其特征是:所述的保护层材料是 Ta、Pt、Cu、Au、Mo、Ag、Sn 中的一种。9.制备权利要求1至8中任一权利要求所述的交换偏置场可调控结构单元的方法，其特征是:包括如下步骤: 步骤1:真空腔体内通入氩气，保持腔体气压维持在5?1Pa之间，使用射频溅射轰击柔性衬底表面，射频功率为50?300W ； 步骤2:将步骤I处理后的柔性衬底固定在模具表面，所述的模具由非磁性材料制成、并且具有固定曲率半径，所述的模具曲率半径大于2cm ； 步骤3:采用超高真空磁控溅射技术在柔性衬底表面直流溅射沉积金属缓冲层，沉积室本底真空度为4X 10_5Pa，通入氩气，氩气压维持在0.2?1.0Pa ； 步骤4:氩气压维持在0.2?0.5Pa之间，直流溅射反铁磁靶材，在金属缓冲层表面沉积反铁磁层； 步骤5:氩气压维持在0.2?1.0Pa之间，直流溅射铁磁靶材，在反铁磁层表面沉积铁磁层； 步骤6:氩气压维持在0.1?1.0Pa之间，直流溅射保护层，在铁磁层表面沉积保护层。10.调控权利要求1至8中任一权利要求所述的结构单元交换偏置的方法，其特征是:通过以下方法(I)或方法(2)，或者通过以下方法(I)与(2)相结合进行调控: 方法(I):温度调控 当柔性衬底的温度发生变化，引起衬底各向异性的热膨胀或热收缩，所产生的应力通过缓冲层、或者通过缓冲层与反铁磁层传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，引起交换偏置场发生改变； 方法(2):电场调控 对柔性衬底施加电压，柔性衬底产生应力，应力通过缓冲层、或者通过缓冲层与反铁磁层传递至铁磁层，使铁磁层的磁性能发生变化，引起交换偏置场发生改变。
【专利摘要】本发明提供了一种交换偏置场可调控的结构单元。该结构单元包括衬底、金属缓冲层、铁磁层、反铁磁层与保护层，其中衬底采用具有各向异性热膨胀系数与压电效应的柔性衬底，铁磁层具有磁致伸缩效应，从而对应力敏感。当温度、电场导致应力变化时，该结构单元的交换偏置场发生变化，因此能够通过温度、电场调控其交换偏置场。与现有技术相比，该结构单元具有柔韧性，其交换偏置场的调控手段灵活，调控方便易行，在传感、信息、医疗、军事等领域具有良好的应用前景。
【IPC分类】H01L43/00, H01L43/12
【公开号】CN104900799
【申请号】CN201410077376
【发明人】詹清峰, 荣欣, 李润伟, 刘宜伟, 张晓山
【申请人】中国科学院宁波材料技术与工程研究所
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2014年3月4日
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