[发明专利]纳米多层膜、场效应管、传感器、随机存储器及制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铁电或多铁性材料领域，具体地说，涉及一种由电场驱动的有可逆电致电阻效应(Electroresistance effect，ER)的多层膜及其制备方法和用途。

背景技术

电致电阻效应是材料的电阻在外加电场下产生明显的变化，表现为特有的电阻-电场曲线。利用这一效应可以通过调节外加电场来对材料的电阻进行调控。当外加电场为正或负向时，材料的电阻表现为高或低阻态。电致电阻效应的高、低电阻态正好对应电子信息中的“0”和“1”两个状态。为此利用该种电致电阻效应可以发展许多电子器件，如电场调制型场效应管、开关型电场传感器、电场驱动型随机存储器(Electric-field-switching Random Access Memory，ERAM)(简称电随机存储器)等电子器件。(参考文献：S.Rizwan and X.F.Han^*et al.，CPL Vol.28，No.10(2011)107504)。一般而言将这种效应归因于非完全屏蔽的电荷在界面处产生的非对称的电势分布影响了电子的电导或隧穿电导。因此，基于该种电致电阻效应的电场驱动型随机存储器不同于基于相变理论的随机存储器(相变随机存储器，Phase-change Random Access Memory，PCRAM)；不同于基于以铁电薄膜电容效应为基础的铁电存储器(Ferroelectric Random Access Memory，FeRAM)；也不同于基于各种金属氧化物薄膜为存储介质单元及其导电通道(conductance filament channel)机制调控的电阻型随机存储器(Resistance Random Access Memory，RRAM)。

目前铁电材料由于可电场调控的自发电极化以及其它独特的物理性质，逐渐地成为非易失性随机存储材料的一个重要的研究方向。然而其中最重要的一个方面是在铁电隧穿结中电极化反转造成的电阻的翻转。钙钛矿结构的铁电材料由于特有的电极化特性在非易失性存储器、焦热电探测器、开关型传感器等微电器件中的应用，逐渐重新引起大家的关注。如何在室温下获得较大的电致电阻效应是实现电致电阻效应在实际自旋电子学器件应用中重要关键技术。

发明内容

本发明的目的在于提出一种电场调控型纳米多层膜、电场调制型场效应管、开关型电场传感器及电场驱动型随机存储器及其制备方法。该电场调控型纳米多层膜具有显著的可逆电致电阻效应及其不同的电阻态。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

为实现上述目的，本发明提出一种电场调控型纳米多层膜，由下至上依次包括：

底层；

基片衬底；

缓冲层

绝缘势垒层

导电层；

顶部覆盖层；

其中所述底层为导电材料，作为下电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；基片衬底为铁电或多铁性材料，可在电场的作用下改变和调控其电极化强度的大小及其方向；缓冲层作为上电极用于在铁电或多铁性材料上施加电场；中间的绝缘势垒层为氧化物；顶部覆盖层为保护层，防止中间导电层被氧化；通过在所述的底层和缓冲层(上下电极)之间施加电场，由于基片衬底(铁电或多铁性材料)的电极化强度大小及其方向的改变，影响和改变相邻导电层的面内电导，可获得不同电场下不同的电阻态，导致可逆电致电阻效应的产生。

其中，所述纳米多层膜中，所述的底层包括导电金属材料。

其中，所述纳米多层膜中，所述的导电层包括非磁金属层、磁性金属层、反铁磁性层、导电分子材料、拓扑绝缘体材料、或掺杂导电半导体材料等。

其中，所述纳米多层膜中，所述的非磁金属层由非磁金属或其合金组成，厚度为2-100nm；所述的磁性金属层由磁性金属或其合金制成，厚度为2-100nm或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2-100nm；所述的磁性金属层包括直接或间接钉扎结构，直接钉扎结构包括反铁磁性层/铁磁性层；间接钉扎结构包括反铁磁性层/第一铁磁性层/非磁性金属层/第二铁磁性层。

其中反铁磁性层由反铁磁性材料构成，所述反铁磁性材料包括具有反铁磁性的合金或氧化物。

其中，所述纳米多层膜中，所述铁磁性层、第一铁磁性层和第二铁磁性层由铁磁性金属或其合金制成，厚度为2～100nm；或由稀磁半导体材料或半金属材料制成，厚度为2～100nm。

其中，所述纳米多层膜中，所述顶部覆盖层包括由非易氧化金属材料制成的单层或多层薄膜，厚度为2～200nm。