專利名稱：一種成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合多層膜及其用途，具體地說是涉及一種成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜及其在器件中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
自1975年Julliére在Fe/Ge/Co三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合(磁性材料/絕緣體或半導(dǎo)體/磁性材料)多層膜中發(fā)現(xiàn)隧穿磁電阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)效應(yīng)以來，人們對(duì)一系列FM/I(S)/FM復(fù)合多層膜進(jìn)行了廣泛而系統(tǒng)的研究。如圖1所示的FM/I(S)/FM復(fù)合多層膜中，F(xiàn)M代表鐵磁性金屬或半金屬層，I(S)代表絕緣體(或半導(dǎo)體)勢(shì)壘層。研究發(fā)現(xiàn)這類復(fù)合多層膜具有低飽和磁場(chǎng)和小矯頑力等特性，可應(yīng)用于磁敏傳感器和磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)存儲(chǔ)單元以及其它自旋電子學(xué)器件。
1993年，Helmolt等人在La2/3Ba1/3MnO3單層薄膜中觀察到了龐磁電阻(ColossalMagnetoresistance，CMR)效應(yīng)，表明鈣鈦礦類氧化物具有重要的應(yīng)用前景。對(duì)于鈣鈦礦類氧化物這類半金屬材料，由于只有一個(gè)自旋子能帶在費(fèi)米面上有傳導(dǎo)電子，并且所有的傳導(dǎo)電子都具有相同的自旋方向，自旋極化率(P)可達(dá)到100％。因此，原則上利用這類半金屬材料制備的自旋閥型磁性多層膜或磁性隧道結(jié)，理論上可以獲得巨大的磁電阻效應(yīng)。
如文獻(xiàn)1J.Z.Sun，W.J.Gallagher，P.R.Duncombe，L.Krusin-Elbaum，R.A.Altman，A.Gupta，Yu Lu，G.Q.Gong，and Gang Xiao，Appl.Phys.Lett.69，3266(1996)中所述，IBM公司的Sun等人將鈣鈦礦類氧化物L(fēng)a0.67Sr0.33MnO3等應(yīng)用到復(fù)合多層膜FM/I(S)/EM結(jié)構(gòu)中，率先研究了這類混合價(jià)化合物的隧穿磁電阻效應(yīng)，并在La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3/La0.67Sr0.33MnO3隧道結(jié)中觀察到其隧穿磁電阻比值在低溫下(T＝191K)為2％。如文獻(xiàn)2H.Q.Yin，J.S.Zhou，K.Sugawara，J.B.Goodenough，J.Magn.Magn.Mater.222，115(2000)和文獻(xiàn)3D.Ozkaya，A.K.Petford-Long，Moon-Ho Jo，andM.G.Blamire，J.Appl.Phys.89，6757(2001)中所述，Yin和Ozkaya等人分別公開了同構(gòu)異質(zhì)的La0.67Sr0.33MnO3/La0.85Sr0.15MnO3/La0.67Sr0.33MnO3和La0.7Ca0.3MnO3/La0.45Ca0.55MnO3/La0.7Ca0.3MnO3鈣鈦礦類氧化物的三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合多層膜，并觀察到其在低溫下具有6％和18％的隧穿磁電阻效應(yīng)。
這些基于鈣鈦礦類氧化物復(fù)合多層膜的隧穿磁電阻比值一般比較低，遠(yuǎn)不如理論預(yù)計(jì)的值高，這是因?yàn)樵趶?fù)合多層膜的界面間存在著擴(kuò)散，使得鈣鈦礦類氧化物不能保持完好的晶體結(jié)構(gòu)和所希望的正確成分，因而未能獲得足夠高的磁電阻比值，導(dǎo)致其半金屬特性并沒有完全呈現(xiàn)出來，不利于實(shí)際器件的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)制備的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜在界面間存在擴(kuò)散，導(dǎo)致其隧穿磁電阻比值低，不利于實(shí)際器件應(yīng)用的缺陷，從而提供一種相鄰材料層之間具有良好的晶格匹配性、極小的界面應(yīng)力、較好的界面層狀結(jié)構(gòu)，可以保證獲得高質(zhì)量的勢(shì)壘層及勢(shì)壘界面，使得其隧穿磁電阻比值高的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，及其用途。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其核心結(jié)構(gòu)包括四層第一半金屬鐵磁性層(以下簡(jiǎn)稱FM1)、絕緣體勢(shì)壘層(以下簡(jiǎn)稱I)、第二半金屬鐵磁性層(以下簡(jiǎn)稱FM2)、反鐵磁性釘扎層(以下簡(jiǎn)稱AFM)，即FM1/I/FM2/AFM，或者是AFM/FM1/I/FM2；所述的半金屬鐵磁性層、絕緣體勢(shì)壘層、反鐵磁性釘扎層的膜厚均為0.1～200nm。
本發(fā)明提供另一種成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其核心結(jié)構(gòu)包括七層第一反鐵磁性釘扎層(以下簡(jiǎn)稱AFM1)、第一半金屬鐵磁性層(以下簡(jiǎn)稱FM1)、第一絕緣體勢(shì)壘層(以下簡(jiǎn)稱I1)、第二半金屬鐵磁性層(以下簡(jiǎn)稱FM2)、第二絕緣體勢(shì)壘層(以下簡(jiǎn)稱I2)、第三半金屬鐵磁性層(以下簡(jiǎn)稱FM3)、第二反鐵磁性釘扎層(以下簡(jiǎn)稱AFM2)，即AFM1/FM1/I1/FM2/I2/FM3/AFM2，所述的半金屬鐵磁性層、絕緣體勢(shì)壘層、反鐵磁性釘扎層的膜厚均為0.1～200nm。
其中，所有半金屬鐵磁性層FM1、FM2、FM3和絕緣體勢(shì)壘層I、I1、I2均為鈣鈦礦類氧化物薄膜。所述的鈣鈦礦類氧化物為A1-xBxMO3型氧化物；A為選自原子序數(shù)57至71元素中的一種或多種，B為選自堿金屬或堿土金屬中的一種或多種；M為選自原子序數(shù)22～30，40～51和73～80元素中的一種或多種。
優(yōu)選地，所述的半金屬鐵磁性層的鈣鈦礦類氧化物為L(zhǎng)a1-xSrxMnO3(0.16＜x＜1.0)，La1-xCaxMnO3(0.18＜x＜0.5)，或Pr1-xSrxMnO3(0.3＜x＜1.0)。
對(duì)應(yīng)地，所述的絕緣體勢(shì)壘層為同種材料的鈣鈦礦類氧化物，其為L(zhǎng)a1-ySryMnO3(0＜y＜0.16)，La1-yCayMnO3(0＜y＜0.18或0.5＜y＜1.0)，或Pr1-ySryMnO3(0＜y＜0.3)。
所述的反鐵磁性釘扎層為反鐵磁性金屬及其合金或反鐵磁性人工釘扎材料，如Cr、Ir-Mn、Pt-Mn、Fe-Mn、Cr-Pt、CoO、NiO、Co/Ru/Co、Co-Fe/Ru/Co-Fe、Co/Cu/Co或反鐵磁性鈣鈦礦稀土錳氧化物等。
本發(fā)明提供的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，是在任意一種選定的現(xiàn)有技術(shù)的襯底上，利用常規(guī)的薄膜制備方法和相應(yīng)的微加工工藝制備而成。所述的薄膜制備方法可以為磁控濺射、分子束外延(MBE)、電子束蒸發(fā)、脈沖激光沉積(PLD)、金屬氧化物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)或溶膠-凝膠法等。所述的微加工工藝可以為光刻法、金屬掩膜法、離子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕和化學(xué)反應(yīng)刻蝕等。
本發(fā)明提供的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜可用于高靈敏度的磁敏、電敏、光敏和氣敏傳感器、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)存儲(chǔ)單元以及其它自旋電子學(xué)器件。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜是采用成分調(diào)制的方法制備的復(fù)合多層膜，其優(yōu)異之處在于本發(fā)明提供的是一種成分調(diào)制的鈣鈦礦類氧化物半金屬?gòu)?fù)合多層膜材料，其相鄰材料層之間具有良好的晶格匹配性、極小的界面應(yīng)力、較好的界面層狀結(jié)構(gòu)等，即使少量界面處的調(diào)制(摻雜)原子發(fā)生擴(kuò)散也只能產(chǎn)生壓縮或減薄勢(shì)壘層的效果，不會(huì)破壞勢(shì)壘層的絕緣性，也不會(huì)降低勢(shì)壘層兩邊半金屬鐵磁性層表面的自旋極化率，從而保證獲得高質(zhì)量的勢(shì)壘層及勢(shì)壘界面，充分實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦類氧化物的半金屬鐵磁性、反鐵磁性性、絕緣性、順磁性質(zhì)等物理特性，使得其隧穿磁電阻比值非常高。采用這種復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)的器件，其器件的性能得以顯著提高，在一定溫度和外加磁場(chǎng)作用下，可以呈現(xiàn)出高隧穿磁電阻和高磁場(chǎng)靈敏度的特點(diǎn)。特別適合應(yīng)用于高靈敏度的磁敏、電敏、光敏和氣敏傳感器、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(MRAM)存儲(chǔ)單元以及其它自旋電子學(xué)器件。
例如，以本發(fā)明實(shí)施例7制備的鍶成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合四層膜La0.7Sr0.3MnO3(FM1)/La0.96Sr0.04MnO3(I)/La0.7Sr0.3MnO3(FM2)/Ir-Mn構(gòu)成的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)SrTiO3(001)-Sub./La0.7Sr0.3MnO3(001)[100nm]/La0.96Sr0.04MnO3(001)[5nm]/La0.7Sr0.3MnO3(001)[100nm]/Ir-Mn[15nm]，在4.2K觀測(cè)到了高達(dá)9050％的高磁電阻比值，第一次從材料的器件應(yīng)用層次上證明了La1-xSrxMnO3自旋極化率可達(dá)100％，具有半金屬性質(zhì)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中通常采用的三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合多層膜FM/I(S)/FM的示意圖；其中FM代表鐵磁性金屬層，I(S)代表絕緣體(或半導(dǎo)體)勢(shì)壘層；圖2是由實(shí)施例1制備的四層核心層復(fù)合多層膜構(gòu)成的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)的剖面示意圖；其中，1為半金屬鐵磁性層La0.7Sr0.3MnO3、2為絕緣體勢(shì)壘層La0.96Sr0.04MnO3、3為反鐵磁性釘扎層Ir-Mn、4為襯底SrTiO3、5為SiO2、6為頂電極、7為底電極；圖3是實(shí)施例7制備的鍶成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合四層膜La0.7Sr0.3MnO3/La0.96Sr0.04MnO3/La0.7Sr0.3MnO3/Ir-Mn構(gòu)成的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)的隧穿磁電阻TMR和電阻R與磁場(chǎng)H的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1～12選擇Sr成分范圍在0.16＜x＜1.0的鐵磁性金屬氧化物L(fēng)a1-xSrxMnO3(FM)作為半金屬鐵磁性層，選擇Sr成分范圍在0＜y＜0.16的La1-ySryMnO3(I)作為絕緣體勢(shì)壘層。利用磁控濺射化學(xué)反應(yīng)沉積和熱處理的方法在(001)取向SrTiO3單晶襯底上制備出一系列本發(fā)明的鍶成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合四層膜——具有同種材料成分鍶的三明治結(jié)構(gòu)的La1-xSrxMnO3(FM1)/La1-ySryMnO3(I)/La1-xSrxMnO3(FM2)(其中，0.16＜x＜1.0，0＜y＜0.16)的隧道結(jié)外延薄膜。然后再次利用磁控濺射方法在三層隧道結(jié)外延膜上方繼續(xù)沉積反鐵磁性釘扎層等薄膜；最后利用深紫外曝光光刻和Ar離子束刻蝕等常規(guī)微加工工藝技術(shù)，制備出相應(yīng)的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)，其剖面示意圖如圖2所示。也可以先沉積反鐵磁性釘扎層AFM，再沉積具有同種材料成分鍶的三明治結(jié)構(gòu)La1-xSrxMnO3(FM1)/La1-ySryMnO3(I)/La1-xSrxMnO3(FM2)，并利用同樣的制備器件的方法制備四層核心結(jié)構(gòu)為AFM/La1-xSrxMnO3(FM1)/La1-ySryMnO3(I)/La1-xSrxMnO3(FM2)(其中，0.16＜x＜1.0，0＜y＜0.16)的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)。其組成和性能列于表1。
對(duì)于實(shí)施例7制備的鍶成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合四層膜La0.7Sr0.3MnO3(FM1)/La0.96Sr0.04MnO3(I)/La0.7Sr0.3MnO3(FM2)/Ir-Mn構(gòu)成的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)SrTiO3(001)-Sub./La0.7Sr0.3MnO3(001)[100nm]/La0.96Sr0.04MnO3(001)[5nm]/La0.7Sr0.3MnO3(001)[100nm]/Ir-Mn[15nm]，其隧穿磁電阻TMR和電阻R與磁場(chǎng)H的關(guān)系如圖3示，其隧穿磁電阻(TMR)比值可高達(dá)9050％(溫度T＝4.2K，外加磁場(chǎng)H＝12T)，自旋極化率(P＝99％)接近100％，第一次從材料的器件應(yīng)用層次上證明了La1-xSrxMnO3具有半金屬性質(zhì)。
表1、Sr成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜的組成和性能

實(shí)施例1～12中所有復(fù)合多層膜器件的運(yùn)作原理是基于隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)，它是在自旋相關(guān)隧穿的輸運(yùn)機(jī)制下產(chǎn)生的。例如，對(duì)于本實(shí)施例1～12中的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)，其隧穿磁電阻TMR＝(RAP-RP)/RP＝2P1P2/(1-P1P2)，其中RAP和RP分別為兩半金屬鐵磁性層磁化強(qiáng)度處于反平行和平行時(shí)復(fù)合磁性隧道結(jié)的電阻值，P1和P2分別為兩半金屬鐵磁性層的自旋極化率。
實(shí)施例13～24同于實(shí)施例1～12，選擇Sr成分范圍在0.16＜x＜1.0的鐵磁性金屬氧化物L(fēng)a1-xSrxMnO3(FM)作為半金屬鐵磁性層，選擇Sr成分范圍在0＜y＜0.16的La1-ySryMnO3(I)作為絕緣體勢(shì)壘層。并利用同樣的制備器件的方法可以制備出一系列本發(fā)明的鍶成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合七層膜——具有同種材料成分鍶的AFM1/La1-xSrxMnO3(FM1)/La1-ySryMnO3(I1)/La1-xSrxMnO3(FM2)/La1-ySryMnO3(I2)/La1-xSrxMn3(FM3)/AFM2(其中，0.16＜x＜1.0，0＜y＜0.16)為核心結(jié)構(gòu)的的鈣鈦礦類氧化物雙勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)。其組成和性能列于表2。
在這種雙勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)中，第一和第二反鐵磁性釘扎層(AFM1和AFM2)具有釘扎作用；第一半金屬鐵磁性層(FM1)的磁化方向是相對(duì)固定的；第二半金屬鐵磁性層(FM2)的磁化方向是任意的；第三半金屬鐵磁性層(FM3)的磁化方向是被反鐵磁性性釘扎層(AFM2)固定的。
表2、Sr成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜的組成和性能

實(shí)施例13～24中所有復(fù)合多層膜器件的運(yùn)作原理同實(shí)施例1～12，基于隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)，它是在自旋相關(guān)隧穿的輸運(yùn)機(jī)制下產(chǎn)生的。例如，對(duì)于本實(shí)施例13～24中的雙勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)，其有效的隧穿磁電阻可用公式TMR＝(R↑↓↑-R↑↑↑)/R↑↑↑=2P2(P1+P3)/[1+P1P3-P2(P1+P3)]來表示，其中R↑↑↑表示三個(gè)半金屬鐵磁性層的磁化強(qiáng)度方向相互平行時(shí)的電阻，R↑↓↑表示第二半金屬鐵磁性層的磁化強(qiáng)度相反排列時(shí)的電阻。P1、P2、P3分別表示第一半金屬鐵磁性層(FM1)、第二半金屬鐵磁性層(FM2)、第三半金屬鐵磁性層(FM3)的自旋極化率。
實(shí)施例25～33類似實(shí)施例1～12，選擇Ca成分范圍在0.18＜x＜0.5的鐵磁性金屬氧化物L(fēng)a1-xCaxMnO3作為半金屬鐵磁性層(FM)，選擇Ca成分范圍在0＜y＜0.18或0.5＜y＜1.0的La1-yCayMnO3作為絕緣體勢(shì)壘層(I)；并利用實(shí)施例1～12復(fù)合多層膜器件的制備方法，制備出一系列本發(fā)明的鈣成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合四層膜——具有同種材料成分鈣的復(fù)合多層膜的四層核心結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)a1-xCaxMnO3(FM1)/La1-yCayMnO3(I)/La1-xCaxMnO3(FM2)/AFM(其中，0.18＜x＜0.5，0＜y＜0.18或0.5＜y＜1.0)或結(jié)構(gòu)為AFM/La1-xCaxMnO3(FM1)/La1-yCayMnO3(I)/La1-xCaxMnO3(FM2)的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)。其組成和性能列于表3。
表3、Ca成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜的組成和性能

實(shí)施例34～42同實(shí)施例25～33，選擇Ca成分范圍在0.18＜x＜0.5的鐵磁性金屬氧化物L(fēng)a1-xCaxMnO3作為半金屬鐵磁性層(FM)，選擇Ca成分范圍在0＜y＜0.18或0.5＜y＜1.0的La1-yCayMnO3作為絕緣體勢(shì)壘層(I)；并利用實(shí)施例1～12復(fù)合多層膜器件的制備方法制備出一系列本發(fā)明的鈣成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合七層膜——具有同種材料成分鈣的的復(fù)合多層膜的七層核心結(jié)構(gòu)為AFM1/La1-xCaxMnO3(FM1)/La1-yCayMnO3(I1)/La1-xCaxMnO3(FM2)/La1-yCayMnO3(I2)/La1-xCaxMnO3(FM3)/AFM2(其中0.18＜x＜0.5，0＜y＜0.18或0.5＜y＜1.0)的雙勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)。其組成和性能列于表4。
表4、Ca成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜的組成和性能

實(shí)施例43～51類似實(shí)施例1～12，選擇Sr成分范圍在0.3＜x＜1.0的鐵磁性金屬氧化物Pr1-xSrxMnO3作為半金屬鐵磁性層(FM)，選擇Sr成分范圍在0＜y＜0.3的Pr1-ySryMnO3作為絕緣體勢(shì)壘層(I)；并利用實(shí)施例1～12復(fù)合多層膜器件的制備方法制備出一系列本發(fā)明的鍶成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合四層膜——具有同種材料成分鍶的復(fù)合多層膜的四層核心結(jié)構(gòu)為Pr1-xSrxMnO3(FM1)/Pr1-ySryMnO3(I)/Pr1-xSrxMnO3(FM2)/AFM(其中0.3＜x＜1.0，0＜y＜0.3)或結(jié)構(gòu)為AFM/Pr1-xSrxMnO3(FM1)/Pr1-ySryMnO3(I)/Pr1-xSrxMnO3(FM2)(其中0.3＜x＜1.0，0＜y＜0.3)的單勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)。其組成和性能列于表5。
表5、Sr成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜的組成和性能

實(shí)施例52～60同實(shí)施例43～51，選擇Sr成分范圍在0.3＜x＜1.0的鐵磁性金屬氧化物Pr1-xSrxMnO3作為半金屬鐵磁性層(FM)，選擇Sr成分范圍在0＜y＜0.3的Pr1-ySryMnO3作為絕緣體勢(shì)壘層(I)；并利用實(shí)施例1～12復(fù)合多層膜器件的制備方法制備出一系列本發(fā)明的鍶成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合七層膜——具有同種材料成分鍶的復(fù)合多層膜的七層核心結(jié)構(gòu)為AFM1/Pr1-xSrxMnO3(FM1)/Pr1-ySryMnO3(I1)/Pr1-xSrxMnO3(FM2)/Pr1-ySryMnO3(I2)/Pr1-xSrxMnO3(FM3)/AFM2(其中0.3＜x＜1.0，0＜y＜0.3)的雙勢(shì)壘復(fù)合磁性隧道結(jié)。其組成和性能列于表6。
表6、Sr成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜的組成和性能

由上述實(shí)施例可以看出，本發(fā)明提供的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜由于其相鄰材料層之間具有良好的晶格匹配性、極小的界面應(yīng)力、較好的界面層狀結(jié)構(gòu)等，即使少量界面處的調(diào)制(摻雜)原子發(fā)生擴(kuò)散也只能產(chǎn)生壓縮或減薄勢(shì)壘層的效果，不會(huì)破壞勢(shì)壘層的絕緣性，也不會(huì)降低勢(shì)壘層兩邊半金屬鐵磁性層表面的自旋極化率，從而保證獲得高質(zhì)量的勢(shì)壘層及勢(shì)壘界面，充分實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦類氧化物的半金屬鐵磁性、反鐵磁性性、絕緣性、順磁性質(zhì)等物理特性，使得其隧穿磁電阻比值非常高。因而采用這種復(fù)合多層膜結(jié)構(gòu)的器件，其器件的性能必然得以顯著提高，具有廣闊的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.一種成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其核心結(jié)構(gòu)為第一半金屬鐵磁性層/絕緣體勢(shì)壘層/第二半金屬鐵磁性層/反鐵磁性釘扎層，或反鐵磁性釘扎層/第一半金屬鐵磁性層/絕緣體勢(shì)壘層/第二半金屬鐵磁性層。
2.如權(quán)利要求1所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其特征在于所述的半金屬鐵磁性層和絕緣體勢(shì)壘層均為鈣鈦礦類氧化物薄膜；所述的反鐵磁性釘扎層為反鐵磁性金屬及其合金或反鐵磁性人工釘扎材料；所述的半金屬鐵磁性層、絕緣體勢(shì)壘層、反鐵磁性釘扎層的膜厚均為0.1～200nm。
3.如權(quán)利要求2所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其特征在于所述的反鐵磁性金屬及其合金包括Cr、Ir-Mn、Pt-Mn、Fe-Mn、Cr-Pt、CoO、NiO、Co/Ru/Co、Co-Fe/Ru/Co-Fe、Co/Cu/Co或反鐵磁性鈣鈦礦稀土錳氧化物。
4.如權(quán)利要求2所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其特征在于所述的鈣鈦礦類氧化物為A1-xBxMO3型氧化物；A為選自原子序數(shù)57至71元素中的一種或多種，B為選自堿金屬或堿土金屬中的一種或多種；M為選自原子序數(shù)22～30，40～51和73～80元素中的一種或多種。
5.如權(quán)利要求2或4所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其特征在于所述的半金屬鐵磁性層的鈣鈦礦類氧化物為L(zhǎng)a1-xSrxMnO3，其中0.16＜x＜1.0；或是La1-xCaxMnO3，其中0.18＜x＜0.5；或是Pr1-xSrxMnO3，其中0.3＜x＜1.0；對(duì)應(yīng)地，所述的絕緣體勢(shì)壘層為同種材料的鈣鈦礦類氧化物，其為L(zhǎng)a1-ySryMnO3，其中0＜y＜0.16；或是La1-yCayMnO3，其中0＜y＜0.18或0.5＜y＜1.0；或是Pr1-ySryMnO3，其中0＜y＜0.3。
6.一種成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其核心結(jié)構(gòu)為第一反鐵磁性釘扎層/第一半金屬鐵磁性層/第一絕緣體勢(shì)壘層/第二半金屬鐵磁性層/第二絕緣體勢(shì)壘層/第三半金屬鐵磁性層/第二反鐵磁性釘扎層。
7.如權(quán)利要求6所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其特征在于所述的半金屬鐵磁性層和絕緣體勢(shì)壘層均為鈣鈦礦類氧化物薄膜；所述的反鐵磁性釘扎層為反鐵磁性金屬及其合金或反鐵磁性人工釘扎材料；所述的半金屬鐵磁性層、絕緣體勢(shì)壘層、反鐵磁性釘扎層的膜厚均為0.1～200nm。
8.如權(quán)利要求7所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其特征在于所述的反鐵磁性金屬及其合金包括Cr、Ir-Mn、Pt-Mn、Fe-Mn、Cr-Pt、CoO、NiO、Co/Ru/Co、Co-Fe/Ru/Co-Fe、Co/Cu/Co或反鐵磁性鈣鈦礦稀土錳氧化物。
9.如權(quán)利要求7所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其特征在于所述的鈣鈦礦類氧化物為A1-xBxMO3型氧化物；A為選自原子序數(shù)57至71元素中的一種或多種，B為選自堿金屬或堿土金屬中的一種或多種；M為選自原子序數(shù)22～30，40～51和73～80元素中的一種或多種。
10.如權(quán)利要求7或9所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，其特征在于所述的半金屬鐵磁性層的鈣鈦礦類氧化物為L(zhǎng)a1-xSrxMnO3，其中0.16＜x＜1.0；或是La1-xCaxMnO3，其中0.18＜x＜0.5；或是Pr1-xSrxMnO3，其中0.3＜x＜1.0；對(duì)應(yīng)地，所述的絕緣體勢(shì)壘層為同種材料的鈣鈦礦類氧化物，其為L(zhǎng)a1-ySryMnO3，其中0＜y＜0.16；或是La1-yCayMnO3，其中0＜y＜0.18或0.5＜y＜1.0；或是Pr1-ySryMnO3，其中0＜y＜0.3。
11.一種權(quán)利要求1或6所述的成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜的應(yīng)用，其可用于高靈敏度的磁敏、電敏、光敏和氣敏傳感器、磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元以及其它自旋電子學(xué)器件。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種成分調(diào)制的鈣鈦礦類半金屬?gòu)?fù)合多層膜，及其在器件中的應(yīng)用。該復(fù)合多層膜的核心結(jié)構(gòu)為FM1/I/FM2/AFM，或AFM/FM1/I/FM2，或AFM1/FM1/ I1/FM2/I2/FM3/AFM2。所有半金屬鐵磁性層FM1、FM2、FM3和絕緣體勢(shì)壘層I、I1、I2均為鈣鈦礦類氧化物薄膜；所述的鈣鈦礦類氧化物為A
文檔編號(hào)B32B15/01GK1827364SQ200510008
公開日2006年9月6日 申請(qǐng)日期2005年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月28日
發(fā)明者豐家峰, 韓秀峰, 詹文山, 杜永勝, 嚴(yán)輝, 于敦波, 張國(guó)成 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所