CN102903841B - 一种温度控制的磁电子器件、其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种温度控制的磁电子器件，包括衬底以及位于衬底表面的磁性材料层；该衬底具有各向异性热膨胀系数；该磁性材料层的磁致伸缩系数不为零；工作状态时，控制环境温度变化或者衬底温度变化，引起衬底各向异性的热膨胀（或热收缩），所产生的应力通过衬底与磁性材料层的界面传递至磁性材料层，使磁性材料层的磁性能发生变化。与现有技术相比，本发明具有结构简单、制备方法、对器件磁性能调控效果显著、可扩展性强、温度源选用灵活等优点，在磁电子器件、废热回收等领域具有良好的应用前景。

Description

一种温度控制的磁电子器件、其制备方法及应用
技术领域
本发明属于磁电子器件技术领域，尤其涉及一种温度控制的磁电子器件、其制备方法及应用。
背景技术
通过调控电子的电荷这一自由度，人们创造出了二极管、集成电路、超大规模的集成电路，奠定了信息社会的基础。1988年巨磁电阻（GMR）效应的发现，开启了“自旋”时代，利用自旋或磁矩调控输运的磁电子器件引起了人们广泛的兴趣。随后，GMR磁读出头的应用为硬盘磁头领域带来了巨大的商业化成功，进一步促进了磁电子器件研发的热潮。
磁电子器件需要用磁场进行控制。在实际的应用中，一般需要电流通过线圈产生磁场，导致磁电子器件的控制***结构复杂、功耗高，同时也不利于控制***的小型化。因此，探索和优化磁电子器件中磁矩或自旋的控制方式一直是一个重要的研究课题。
利用铁电、铁磁材料组成铁电/铁磁复合材料，对铁电材料施加电场，所产生的应力通过界面传递给铁磁材料，从而实现电场对磁性质的调控，这是目前一种重要的磁电子器件，称为电场控制的磁电子器件。电场控制的磁电子器件的优势之一在于器件结构简单、集成化、小型化、低功耗。
除了电场控制的磁电子器件以外，温度控制的磁电子器件也是磁电子器件领域的一个重要的研究方向，其优势在于结构简单、集成化、小型化。温度控制的磁电子器件相对于电场控制的磁电子器件的优势在于能量利用灵活有效，例如，利用电路板的废热、环境的废热等就能够实现对磁电子器件的控制，因此在节能减排、能源再利用方面具有重要的意义。
目前，温度控制的磁电子器件的结构一般为隧道结，即衬底表面层叠排列的两层磁性薄膜层，以及位于该两层磁性薄膜层之间的绝缘层。控制两层磁性薄膜层的温度不同，使磁性薄膜层之间产生热流，从而通过该温度梯度实现对磁性质的调控（SpinCaloritronics）。但是，这种结构的磁电子器件中，衬底的热导一般远大于磁性薄膜的热导，导致热流大部分从衬底流失，大大降低了温度调控磁性质的效果。另外一种控制方式是在隧道结的结构中通入大的自旋电流（一般106～7A/cm2），从而改变隧道结的温度，实现对磁性质的调控，但这种方法的缺点是需要消耗过多的能源。
因此，探索一种具有新型结构、能够有效实现温度对器件磁性能调控的磁电子器件是本领域科技工作者的重要研究课题之一，对磁电子器件的发展应用具有重要的意义。
发明内容
本发明的技术目的是针对现有的温度控制的磁电子器件的不足，提供一种新型结构的温度控制的磁电子器件，能够有效实现温度对器件磁性能的调控。
本发明实现上述目的所采用的技术方案为：一种温度控制的磁电子器件，包括衬底，以及位于衬底表面的磁性材料层；该衬底具有各向异性热膨胀系数；该磁性材料层的磁致伸缩系数不为零；工作状态时，控制环境温度变化或者衬底温度变化，引起衬底各向异性的热膨胀（或热收缩），所产生的应力通过衬底与磁性材料层的界面传递至磁性材料层，使磁性材料层发生磁性能的变化。
上述技术方案中：
所述的衬底选用具有各向异性热膨胀系数的衬底，例如，如图1所示，衬底沿X方向与Y方向的热膨胀系数不同，该衬底包括但不限于单晶衬底、陶瓷衬底、金属衬底、有机物衬底、塑料衬底、铁电衬底等。
所述的磁性材料层可以具有单一层状结构，也可以具有复合层状结构。
当所述的磁性材料层具有单一层状结构时，其构成包括但不限于磁性金属、磁性金属合金、磁性氧化物、有机磁性材料等。
当所述的磁性材料层具有复合层状结构时，该复合层状结构不限，例如可以是由第一磁性材料层、第二磁性材料层，以及位于第一磁性材料层与第二磁性材料层之间的介质层所构成的三层结构。其中，第一磁性材料层的磁致伸缩系数不为零，其构成包括但不限于磁性金属、磁性金属合金、磁性氧化物、有机磁性材料等；第二磁性材料层可以选用与第一磁性材料相同的材料构成，也可以选用与第一磁性材料不相同的材料构成；介质层可以是非磁性金属层、绝缘材料层或者铁电（压电）材料层。
在上述具有三层结构的磁性材料层中，当介质层选用非磁性金属材料构成时，该磁电子器件即为GMR器件；当介质层选用绝缘材料构成时，该磁电子器件即为隧穿磁电阻（TMR）器件；当介质层选用铁电（压电）材料构成时，该磁电子器件即为多铁性磁传感器件。
另外，还可以根据实际需要，对上述具有三层结构的磁性材料层添加缓冲层、保护层、交换偏置层等材料体系。
其中，所述的磁性金属、磁性金属合金、磁性氧化物、有机磁性材料的选用不限，包括铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、石墨烯、铁钴合金（Fe-Co）、铁镍合金（Fe-Ni）、钴铬合金（Co-Cr）、钴钯多层膜（Co/Pd）、钴铂多层膜（Co/Pt）、钐钴合金（Sm-Co）、钐钴铬合金（Sm-Co-Cr）、铽镝铁磁致伸缩合金（Terfenol-D）、铁镓合金（Fe-Ga）、钴掺杂的γ相三氧化二铁（Co-γ-Fe2O3）、钴掺杂的四氧化三铁（Co-Fe3O4）、γ相三氧化二铁（γ-Fe2O3）、四氧化三铁（Fe3O4）、钡铁氧体（BaFe2O4）、锶铁氧体（SrFe2O4）、镍铁氧体（Ni Fe2O4）、钴铁氧体（CoFe2O4）、锰酸锶镧（（La,Sr）MnO3）、锰酸钙镧（（La,Ca）MnO3）、锰酸钡镧（（La,Ba）MnO3）、锰酸铅镧（（La,Pb）MnO3）、锰酸银镧（（La,Ag）MnO3）、磁性颗粒掺杂的有机聚合物。
所述的非磁性金属层的选用不限，包括铂、金、钛、钨、钽、铝、铜、银及其合金。
所述的绝缘材料层的选用不限，包括三氧化二铝（Al2O3）、氧化镁（MgO）、二氧化硅（SiO2）、氮化硅（Si3N4）、有机聚合物。
所述的铁电（压电）材料层的选用不限，包括钛酸钡（BaTiO3）、钛酸钡的掺杂材料、铅基铁电材料或者单相多铁材料构成；铅基铁电材料可以是钛酸铅（PbTiO3）、锆钛酸铅（Pb（Zr,Ti）O3）、钛酸铅镧（（La,Pb）TiO3）、锆钛酸铅镧（（La,Pb）（Zr,Ti）O3）、铌镁酸铅（Pb（Mg,Nb）O3）、铌锌酸铅（Pb（Zn,Nb）O3）、铌钪酸铅（Pb（Sc,Nb）O3）、铌镁酸铅-钛酸铅（Pb（Mg,Nb）O3-PbTiO3）、铌锌酸铅-钛酸铅（Pb（Zn,Nb）O3-PbTiO3）或者铌钪酸铅-钛酸铅（Pb（Sc,Nb）O3-PbTiO3）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶钡（（Ba,Sr）TiO3）、铁酸铋（BiFeO3）等；单相多铁材料可以是铁酸铋（BiFeO3）、有机铁电材料。
本发明一种温度控制的磁电子器件的制备方法为：在各向异性热膨胀的衬底表面利用薄膜沉积技术沉积磁性材料层，所述的薄膜沉积技术包括但不限于磁控溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法或者脉冲激光沉积法等。
本发明还提供了一种该温度控制的磁电子器件具体应用情况，将本发明所述的磁电子器件放置在通电线圈中，即构成温度可控的电感。在工作状态时，控制环境温度变化或者衬底温度变化引起磁性材料层的磁各向异性发生变化，导致磁化方向发生变化，使线圈内的磁通量发生变化，从而实现温度对电感的控制。
此外，若将本发明所述的磁电子器件放置在空线圈中，即构成能量回收器件，在工作状态时，由于环境温度变化或者衬底温度变化引起磁性材料层的磁各向异性发生变化，导致磁化方向发生变化，使线圈内的磁通量发生变化，由于电磁感应，线圈输出电压。
引起上述环境温度变化或者衬底温度变化的温度源可以是光源、可控热源以及废热，例如电路板的废热、环境的废热等，可以有效实现能源再利用。
综上所述，本发明提供的磁电子器件采用具有各向异性热膨胀系数的衬底以及位于衬底表面磁致伸缩系数不为零的磁性材料层，通过控制温度变化，使衬底产生各向异性热膨胀（或热收缩），该应力通过界面传递至磁性材料层，结合磁性材料层的磁致伸缩特性，实现温度对器件磁各向异性的调控。与现有的技术相比，本发明具有如下的有益效果：
（1）结构简单、制备方便、对器件磁性能控制效果显著；
（2）本发明中具有各向异性热膨胀的衬底是实现温度对磁电子器件控制的关键部分，在实际应用中，只需将现有的磁电子器件沉积到具有各向异性热膨胀的衬底上即构成本发明提供的温度控制的磁电子器件，实现温度对器件磁各向异性的控制，因此本发明简单易行，能够通过改造现有设备而实现，以降低成本；
（3）器件磁各向异性的大小与环境温度差或者衬底温度差成正比，通过控制温度能够实现对磁电子器件的精确控制；
（4）温度源选用灵活，可以是废热，例如电路板的废热、环境的废热等，因而本发明的磁电子器件能够有效利用能源，实现节能减排目的；
（5）可扩展性强，通过调整磁性材料层，能够构成温度控制的AMR器件、GMR器件、TMR器件等；并且适用性强，能够应用于电感、多铁性磁传感器、磁记录等；
附图说明
图1是本发明实施例1中磁电子器件的结构示意图（其磁性材料层具有单层结构）；
图2是图1中具有各向异性热膨胀系数的衬底示意图；
图3是本发明实施例1中的磁电子器件的温度调控磁性能结果显示图；
图4是本发明实施例1中的磁电子器件构成电感或能量回收器件的应用；
图5是本发明实施例2中磁电子器件的结构示意图（其磁性材料层具有三层结构）。
具体实施方式
以下结合附图、实施例对本发明作进一步详细说明，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。
图1至图4中的附图标记为：各向异性热膨胀衬底1、磁性材料层2、第一磁性材料层3、非磁性金属层、绝缘材料层或铁电（压电）材料层4、第二磁性材料层5、线圈6。
实施例1：
本实施例中，温度控制的磁电子器件包括如图1所示衬底1，以及位于衬底1表面的磁性材料层2。该衬底1为有机铁电材料PVDF，如图2所示，该PVDF衬底沿X方向的热膨胀系数为-145×10-6K-1，沿Y方向的热膨胀系数为-13×10-6K-1，PVDF衬底由于加温导致的面内最大应变为-145×10-6×T，最小应变为-13×10-6×T，其中T为温度差。该磁性材料层2为磁性Fe81Ga19薄膜，其磁致伸缩系数为350~400ppm。
制备上述温度控制的磁电子器件时，包括如下步骤：选择具有上述各向异性热膨胀系数的有机铁电材料PVDF为衬底1，在衬底1表面利用磁控溅射法沉积磁性Fe81Ga19薄膜。其中，磁控溅射的背底真空为7×10-5Pa，溅射气氛为Ar，溅射压强为1Pa，直流溅射，沉积时间为6分钟，得到厚度为60nm的Fe81Ga19薄膜。
对上述磁电子器件进行温度调控，即控制环境温度或者衬底温度由初始温度发生变化，引起PVDF衬底1各向异性的热膨胀（或热收缩），所产生的应力通过PVDF衬底1与磁性材料层2的界面传递至磁性材料层2，使磁性材料层2的磁性能发生变化。以下为具体温度调控过程：
（1）初始状态时，磁电子器件的初始环境温度为22度，通过变温的磁光克尔效应仪测试Fe81Ga19薄膜的磁场沿不同方向时的磁化曲线，如图3所示，当初始温度为22度时，Fe81Ga19薄膜的磁性能为各向同性；
（2）升高环境温度至27度，通过变温的磁光克尔效应仪测试环境温度升高后Fe81Ga19薄膜的磁场沿不同方向时的磁化曲线，如图3所示，当温度升高至27度时，Fe81Ga19薄膜的磁性能为各向异性，易磁化轴沿Y方向（磁场与Y轴的夹角θ为0度）；
（3）降低环境温度至18度，通过变温的磁光克尔效应仪测试环境温度降低后Fe81Ga19薄膜的磁场沿不同方向时的磁化曲线，如图3所示，当温度升高至18度时，Fe81Ga19薄膜的磁性能为各向异性，易磁化轴沿X方向（磁场与Y轴的夹角θ为90度）；
将上述磁电子器件放置在通电或空线圈6中，如图4所示，即构成温度可控的电感或能量回收器件。在工作状态时，控制环境温度变化或者PVDF衬底1的温度变化引起磁性材料层2发生各向异性的磁性能变化，使线圈6内的磁通量发生变化，从而使得电感变化或输出电压。引起上述环境温度变化或者衬底温度变化的温度源可以是废热，例如电路板的废热、环境的废热等。
实施例2：
本实施例中，温度控制的磁电子器件包括如图5所示衬底1，以及位于衬底1表面的具有三层层状结构的复合磁性材料层。该复合磁性材料层依次由第一磁性材料层3、介质层5以及第二磁性材料层4组成。第一磁性材料层3由磁致伸缩系数不为零的Fe81Ga19薄膜构成，介质层5由绝缘的MgO薄膜构成，第二磁性材料层4由磁性Fe81Ga19薄膜构成。即，该磁电子器件整体构成TMR器件。
如图2所示，该PVDF衬底1沿X方向的热膨胀系数为-145×10-6K-1，沿Y方向的热膨胀系数为-13×10-6K-1，PVDF衬底由于加温导致的面内最大应变为-145×10-6×T，最小应变为-13×10-6×T，其中T为温度差。
制备上述温度控制的磁电子器件时，包括如下步骤：选择具有上述各向异性热膨胀系数的铁电材料PVDF为衬底1，在该PVDF衬底1表面利用磁控溅射法依次沉积磁性Fe81Ga19薄膜、绝缘的MgO薄膜、磁性Fe81Ga19薄膜，构成TMR结构。
对上述磁电子器件进行温度调控，即控制环境温度或者衬底温度由初始温度发生变化，引起PVDF衬底1各向异性的热膨胀（或热收缩），所产生的应力通过PVDF衬底1与第一磁性材料层3的界面传递至第一磁性材料层3，使第一磁性材料层3的磁各向异性发生改变，从而第一磁性材料层3的磁化方向发生改变，进而影响第一磁性材料层3和第二磁性材料层4之间的反铁磁或者铁磁耦合，改变电子的隧穿机率，使得TMR器件的电阻发生改变。
具体温度调控过程类似上述实施例1。
实施例3：
本实施例中，温度控制的磁电子器件结构类似实施例1中的磁电子器件的结构，所不同的是磁性材料层2由磁致伸缩系数不为零的磁性Ni81Fe19薄膜构成，代替实施例1中的磁性Fe81Ga19薄膜，该磁电子器件构成温度可控的各向异性磁电阻（AMR）器件。
制备上述温度控制的磁电子器件时，基本与实施例1中的制备步骤相同，所不同的是利用磁控溅射法沉积磁性Ni81Fe19薄膜时的具体参数为：磁控溅射的背底真空为8×10-5Pa，溅射气氛为Ar，溅射压强为0.9Pa，直流溅射，沉积时间为10分钟，制备的Ni81Fe19薄膜的厚度为100nm。
对上述磁电子器件进行温度调控，即控制环境温度或者衬底温度由初始温度发生变化，引起PVDF衬底1各向异性的热膨胀（或热收缩），所产生的应力通过PVDF衬底1与磁性材料层2的界面传递至磁性材料层2，使磁性材料层2的磁各向异性发生改变，从而磁性材料层2的磁化方向发生改变，进而AMR的数值发生改变，达到温度控制AMR器件的目的。具体温度调控过程类似上述实施例1。
实施例4：
本实施例中，温度控制的磁电子器件结构类似实施例2中的磁电子器件的结构，所不同的是第二磁性材料层4由磁致伸缩系数不为零的反铁磁IrMn与磁性Fe81Ga19薄膜构成的双层膜构成，介质层5由非磁性Cu薄膜构成，第一磁性材料层4由磁性Fe81Ga19薄膜构成。即，该磁电子器件整体构成自旋阀的GMR器件。
如图2所示，该PVDF衬底1沿X方向的热膨胀系数为-145×10-6K-1，沿Y方向的热膨胀系数为-13×10-6K-1，PVDF衬底由于加温导致的面内最大应变为-145×10-6×T，最小应变为-13×10-6×T，其中T为温度差。
制备上述温度控制的磁电子器件时，包括如下步骤：选择具有上述各向异性热膨胀系数的铁电材料PVDF为衬底1，在该PVDF衬底1表面利用磁控溅射法依次沉积磁性Fe81Ga19薄膜、非磁性Cu薄膜、磁性Fe81Ga19薄膜、反铁磁IrMn。
对上述磁电子器件进行温度调控，即控制环境温度或者衬底温度由初始温度发生变化，引起PVDF衬底1各向异性的热膨胀（或热收缩），所产生的应力通过PVDF衬底1与第一磁性材料层3的界面传递至第一磁性材料层3，使第一磁性材料层3的磁各向异性发生改变，从而第一磁性材料层3的磁化方向发生改变，进而影响第一磁性材料层3和第二磁性材料层4之间的反铁磁或者铁磁耦合，改变电子的自旋相关散射机率，使得TMR器件的电阻发生改变。
具体温度调控过程类似上述实施例2。
通过温度控制本实施例中的上述GMR磁电子器件的磁各向异性进而控制GMR体系的电阻，在温度传感器、温度可控的磁读出头等领域具有应用前景。
实施例5：
本实施例中，温度控制的磁电子器件结构类似实施例2中的磁电子器件的结构，所不同的是介质层5由有机铁电PVDF薄膜构成。即，该磁电子器件整体构成温度可控的多铁性磁传感器。
制备上述温度控制的磁电子器件的方法与实施例2中的制备方法基本相同，所不同的是将介质层5由绝缘的MgO薄膜换成有机铁电PVDF薄膜。
对上述磁电子器件进行温度调控过程类似上述实施例2中的温度调控过程基本相同。
将上述磁电子器件放置在通电或空线圈6中，如图4所示，即构成温度可控的电感或能量回收器件。在工作状态时，控制环境温度变化或者PVDF衬底1的温度变化引起磁性材料层2发生各向异性的磁性能变化，使线圈6内的磁通量发生变化，从而使得电感变化或输出电压。引起上述环境温度变化或者衬底温度变化的温度源可以是废热，例如电路板的废热、环境的废热等
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。

Claims (11)

1.一种温度控制磁各向异性的磁电子器件，其特征是：包括衬底(1)，以及位于衬底(1)表面的磁性材料层(2)；所述的衬底(1)具有各向异性热膨胀系数；所述的磁性材料层(2)的磁致伸缩系数不为零；工作状态时，控制环境温度变化或者衬底(1)温度变化，引起衬底(1)各向异性的热膨胀或热收缩，所产生的应力通过衬底(1)与磁性材料层(2)的界面传递至磁性材料层(2)，使磁性材料层(2)的磁各向异性发生变化，实现温度对器件磁各向异性的控制。
2.根据权利要求1所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，其特征是：所述的衬底是单晶衬底、陶瓷衬底、金属衬底、有机物衬底或铁电衬底。
3.根据权利要求1所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，其特征是：所述的衬底是塑料衬底。
4.根据权利要求1所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，其特征是：所述的磁性材料层(1)由第一磁性材料层(3)、第二磁性材料层(4)，以及位于第一磁性材料层(3)与第二磁性材料层(5)之间的介质层(4)所构成。
5.根据权利要求4所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，其特征是：所述的介质层(4)是非磁性金属层、绝缘材料层、铁电材料层或压电材料层。
6.根据权利要求1所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，其特征是：所述的磁性材料层(2)的构成材料是磁性金属、磁性金属合金、磁性氧化物或者有机磁性材料。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，其特征是：引起所述的环境温度变化或者衬底温度变化的温度源是光源、可控热源以及废热。
8.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，其特征是：在衬底(1)表面利用薄膜沉积技术沉积磁性材料层(2)。
9.根据权利要求8所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件的制备方法，其特征是：所述的薄膜沉积技术包括磁控溅射法、热蒸发法、电子束蒸发法或者脉冲激光沉积法。
10.一种温度控制的电感，其特征是：采用权利要求1至6中任一权利要求所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，在所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件***设置通电线圈；工作状态时，控制环境温度变化或者衬底温度变化引起磁性材料层(2)的磁各向异性发生变化，从而导致磁化方向发生变化，使线圈内的磁通量发生变化，以实现温度对电感的控制。
11.一种能量回收器件，其特征是：采用权利要求1至6中任一权利要求所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件，在所述的温度控制磁各向异性的磁电子器件***设置空线圈；工作状态时，控制环境温度变化或者衬底温度变化引起磁性材料层(2)的磁各向异性发生变化，从而导致磁化方向发生变化，使空线圈内的磁通量发生变化，由于电磁感应，线圈输出电压。
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