[发明专利]一种温度控制的磁电子器件、其制备方法及应用

说明书

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系统结构复杂、功耗高，同时也不利于控制系统的小型化。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（Spin Caloritronics）。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10^6～7A/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。