[发明专利]一种通过极化方向调控霍尔效应的结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过极化方向调控霍尔效应的结构。

背景技术

霍尔效应在1879年被E.H.霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的感应效果完全不同。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在导体的两端产生电压差。虽然这个效应多年前就已经被大家知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器。

然而，在铁磁材料中，霍尔电阻率ρ_H还包含其它部分的贡献，这主要来源于铁磁材料的自发磁化强度，可以用公式表示为：

ρ_H＝R_oB+4πR_sM(1)

式中，Ro为正常霍尔系数，而R_s为反常霍尔系数。在过去几年里，反常霍尔效应(AHE＝4πR_SM)主要用于研究和分析稀磁半导体(DSM)中的磁性机制和在自旋电子学方面具有潜在应用的材料。从公式(1)可以看出，反常霍尔效应部分正比于磁化强度M。然而，最近的一些实验表明，反常霍尔效应与磁化强度之间存在非单调的变化关系，有时候甚至会发生符号上的改变，因此，对反常霍尔效应机制的研究具有一定的意义。人们发现，除了磁性材料之外，在一些非磁性材料中，例如生长在磁性材料表面的非磁性层铂，也能观察到反常霍尔效应。

然而，当把很薄一层的铂薄膜沉积在较厚的磁性金属上，其导电性和磁性将会被磁性金属所掩盖。但是如果将铂沉积在绝缘的磁性材料上，便可以对其导电性和磁性进行测量和表征。因此，研究铂沉积在绝缘磁性材料上的反常霍尔效应具有及其重要的意义。

在众多材料中，铁酸铋(BiFeO₃，简写BFO)可以满足同时具有磁性和绝缘性的条件。首先，将铂沉积在BFO上研究反常霍尔效应的研究还没有见报道；其次，由于BFO是一种典型的多铁性材料，不但具有磁性，同时还具有铁电性，其铁电极化方向可以通过外场进行调控。而BFO中磁性来源于铁离子，在极化方向转变的过程中，铁离子的位置可能会发生移动，从而影响到上面一层薄膜铂的磁性，进一步影响到反常霍尔效应。而通过改变极化方向来调控反常霍尔效应的研究也没有见报道。第三，BFO由于具有较大的漏电流密度，想要大面积的对它进行极化是很困难的。如图1所示为测量霍尔效应的常用结构，在基片a1上沉积下电极a2，在下电极a2上沉积BFO薄膜层a3，在BFO薄膜层a3上沉积铂电极a4。这种结构通常只能对面积在0.6mm×0.6mm以内的BFO薄膜层a3进行极化，面积越大，BFO薄膜层a3漏电越严重。而且这种结构制作比较困难。

发明内容

为了研究铂沉积在绝缘磁性材料上的反常的霍尔效应，本发明提供一种通过极化方向调控霍尔效应的结构，该结构通过改变BFO薄膜的极化方向来改变BFO薄膜里面铁原子的位置，从而改变与之接触的铂电极薄膜被磁化的强度，从而调控铂电极反常的霍尔效应。本发明的结构，既可以测量霍尔效应，也可以改变BFO极化方向，从而实现过改变BFO薄膜的极化方向来调控铂薄膜的电学性质。本发明提供了一种可以改变BFO极化方向，通过极化方向来调控铂/BFO反常霍尔效应的结构。

本发明通过以下技术方案实现：

一种通过极化方向调控霍尔效应的结构，包括：

基片；

下电极层，沉积在基片上；

BFO薄膜层，沉积在下电极层上；

绝缘层，沉积在BFO薄膜层上；所述绝缘层上并排设有两个方孔；

所述绝缘层的两个方孔内均设有呈十字架形的铂电极，所述铂电极的下端面与BFO薄膜层接触，铂电极的上端高于方孔口部且铂电极的四个端部在绝缘层上向外延伸，两个铂电极位于两个方孔之间的两端部连接为一体；所述两个铂电极的六个端部均固定连接银电极。所述下电极层和银电极用于分别连接脉冲电源的正负极，对铂电极与下电极层之间施加电场，改变铂电极与下电极层之间的BFO薄膜的极化方向。

进一步，由于在测量霍尔效应的时候，施加电流平行于所述铂电极垂直于两个方孔的边，测量十字架形的铂电极另一边的两端之间的电压，为了使通过被测量电压的铂电极的边电流足够小以至于不影响被测电压的准确性，所以，所述铂电极垂直于两方孔的边的宽度大于铂电极另一边的宽度。