【摘 要】
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以自旋流驱动磁化翻转的非易失性磁性随机存储（Magnetic Random Access Memory,MRAM）是下一代存储技术中的有力竞争者。而随着其在嵌入式存储及单一构架内存结构中的适应性发展,如何进一步降低存储单元驱动翻转能耗,成为MRAM发展中亟待解决的问题。而多铁性材料中铁电性与铁磁性共存,以磁电耦合效应为桥梁,可实现电压对磁性的调控,为电压替代磁场及辅助自旋流调控磁矩实现超低功耗存储
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以自旋流驱动磁化翻转的非易失性磁性随机存储（Magnetic Random Access Memory,MRAM）是下一代存储技术中的有力竞争者。而随着其在嵌入式存储及单一构架内存结构中的适应性发展,如何进一步降低存储单元驱动翻转能耗,成为MRAM发展中亟待解决的问题。而多铁性材料中铁电性与铁磁性共存,以磁电耦合效应为桥梁,可实现电压对磁性的调控,为电压替代磁场及辅助自旋流调控磁矩实现超低功耗存储开辟了一条新的途径。其中,以应力为媒介的铁磁/铁电多铁异质结,由于其结构简单、磁电耦合效应大、可室温操作等优势脱颖而出,在实用方面具有巨大潜力。因此,本论文以铁磁/铁电多铁异质结为核心研究单元,基于逆磁电耦合效应,开展了电压调控微观机制、辅助压控及全电压调控磁性薄膜及存储单元磁矩翻转研究,实现了从各向异性磁电阻、巨磁电阻到隧道磁电阻多种磁存储结构超低功耗的磁化翻转,为MRAM的低功耗发展奠定了实验及理论基础;同时,通过对研究的拓展,提出了一种开关场范围可调的巨磁阻传感器,为压控多功能磁性器件的发展提供了新思路。以下为本论文的主要研究内容:1.基于逆磁电耦合机理结合微磁学仿真,提出应变调控辅助低磁场翻转磁矩模式,可有效突破逆磁电耦合效应对磁矩90°翻转限制,实现磁矩180°完全翻转,且最大可将常规翻转磁场降低88%。2.在理论研究基础上,选用常规具有线性应变特性的Pb(Mg1/3Nb2/3)0.7Ti0.3O3（PMN-PT）及特殊具有缺陷偶极子的PMN-PT基片作为逆磁电耦合效应引入基底,着重研究了具有缺陷偶极子的PMN-PT铁电单晶的应变特性、铁电性以及铁电畴极化与晶格应变对原位电压的微观响应机理,确定了PMN-PT中缺陷偶极子可有效提供非易失应变,为磁性薄膜及存储单元磁矩翻转的非易失性调控奠定了基础。3.为实现逆磁电耦合效应对磁性薄膜及存储单元磁矩翻转的调控,研究中首先选择了具有大磁致伸缩系数的Ni80Co20材料,制备了NiCo/PMN-PT异质结。在常规具有线性应变特性的PMN-PT基片上,通过磁场下取向沉积,首先沿45°方向诱导了NiCo薄膜易磁化轴,在施加合适的电压下使薄膜磁矩分别转向PMN-PT的[001]（0°方向）和[1-10]（90°方向）方向,以此实现了电压调控下NiCo薄膜可逆、可重复的三种不同磁化状态,且利用各向异性磁电阻效应,提出了全电压调控、低功耗的三态磁存储单元;其次,在具有缺陷偶极子的PMN-PT基底上制备了NiCo/PMN-PT异质结。诱导NiCo薄膜的易磁化轴在[1-10]方向,施加正电压脉冲后可使薄膜磁矩转到[001]方向,且该电压脉冲大小具有较宽的可选范围;而在施加负电压脉冲后薄膜磁矩回到[1-10]方向。因此,通过磁阻测试可在零磁场时得到可逆、可重复、非易失性的各向异性磁电阻变化,从而实现了无磁场下电压调控的非易失性磁存储。4.在应变调控单层磁性薄膜磁矩的基础上,研究中将MRAM核心存储单元自旋阀及隧道结制备于PMN-PT上,研究了逆磁电耦合效应对存储单元的性能调控:以巨磁阻自旋阀（磁性隧道结）多铁异质结研究了电压非易失性调控自旋阀（磁性隧道结）中自由层磁矩90°翻转,实现了无磁场下电压调控的非易失性磁存储;而后提出了利用电压脉冲按时序辅以一小磁场,实现了自旋阀（磁性隧道结）存储单元自由层180°磁化翻转及对信息“0”、“1”的有效、重复写入,成功实现了较低功耗下大巨磁电阻、隧道磁电阻效应的调控,为推动超低功耗的非易失性磁电存储器件的发展提供了基础,为发展低写入电流的磁阻存储器件提供了明确的可行性证据。5.在电压调控存储单元磁化翻转的基础上,研究中将逆磁电耦合效应拓展到巨磁阻开关传感器中,通过施加正、负电压脉冲使自旋阀中自由层磁矩分别转向[1-10]方向或初始[001]方向,使得自由层饱和场大小可调,实现了传感单元制备完成后按应用需求对其开关场的调整;同时通过在探测过程中合适时序引入正、负电压脉冲,可在同一巨磁阻开关中获得±100 Oe、±350 Oe、-350～+100 Oe及-100～+350 Oe的四个开关场范围,为压控多功能磁性器件的发展提供了新思路。
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