【《介电门控介质概述》3000字】

介电门控介质概述目录TOC\o"1-3"\h\u24833介电门控介质概述 1128761.1正常介电和高к材料 176841.2铁电晶体和薄膜 238441.3电解质 3VCM器件中的介电材料主要作为施加外部电压或电场的介质，要求材料具有较高的绝缘性。根据介质材料的工作原理和工作状态，可将其分为正常介电和高к材料、铁电材料、电解质三类。由于具有简单制造的优点，普通介电材料和高к材料可以通过分离正电荷和负电荷的中心而在磁性材料上产生静电场，这在没有电场的情况下是挥发性的。相比之下，铁电材料在高绝缘行为和残余极化方面表现突出，保证了非易失性操纵效应。同时，电解质(如离子液体)作为一种新型的介电材料，可以通过带电离子的运动而在介电/磁层界面形成双电层，从而产生较大的电场。一些基于电阻开关的VCM器件可以在没有介质材料的情况下工作。表2.4总结了部分介质材料的性能特点。1.1正常介电和高к材料为了实现VCM，通常需要根据载流子密度和磁特性的相应显著调制来产生较大的电场。因为在电容结构中，在门控效应下载流子密度的变化与CVG/e的值有关，其中C是单位面积的电容，VG表示栅极电压，e表示电子电荷，在电压相同的情况下，通过增加C值可以实现对铁磁性能的明显控制。普通介电材料的电容为C=кε0/d，其中к和ε0分别表示相对介电常数和真空介电常数，而d表示介电层厚度[37]。因此，为了获得更大的电容和显著的VCM，有必要增加介电层的к和减小介电层的d。表2.4概述了部分用于VCM的介电材料的种类和性能，即介电常数(к)、铁电居里温度(TC)、饱和极化(PS)和单位面积电容(C)。材料种类кTC或TM(K)PS(μC/cm2)C(μF/cm2)引用SiO2Dielectric3.9[38]HfO2Dielectric25[38]Al2O3Dielectric8.9-11.1[38]ZrO2Dielectric23[38]MgODielectric9.9[39]Cr2O3Dielectric11.9-13.3[40]YMO(YMnO3)FE209135.5-6.2-[41]BaTiO3(BTO)FE1200-1000039316-25-[41]BiFeO3(BFO)FE87-400110365-[43]PMN-PTFE2000-4000112-20258-[42]GdOxElectrolyte14[44]DEME-TFSIElectrolyte14.5180-9.2[45]二氧化硅(SiO2)是现代半导体中最常见的介电材料，在VCM中使用较早。然而，SiO2的相对介电常数(介电常数，к)仅为3.9，严重限制了电操纵效应。因此，在FET型器件中，一些高к材料如MgO、Al2O3、HfO2、ZrO2作为电极与铁磁材料之间的介电层，以扩大电场[38]。另一方面，MgO和Al2O3也可以作为MTJ型器件的隧穿势垒，从而为实际TMR的电学操作提供了良好的机会。为了避免由于可能的漏电而导致的晶体质量差而导致介电性的恶化，通常使用磁控溅射和原子层沉积(ALD)来制备介电材料[6]。磁控溅射有利于铁磁和介质材料之间的高质量界面，这对于精细界面磁性的电压控制尤为重要，而ALD具有高击穿场和小漏电流的优点，可以提供致密的介质层。1.2铁电晶体和薄膜铁电材料由于具有自发极化、逆压电和磁致伸缩效应以及反铁磁矩可能具有的多铁性而被广泛应用于VCM中，分别通过载流子密度调制、应变效应和交换耦合来获得有效的VCM。由于铁电层的反极化状态会使异质结构界面附近铁磁层中的载流子积累或耗尽，因此可以利用外部电压控制的极化反转来调制与载流子密度相关的磁性能。与普通介质材料相比，铁电材料(如BTO、PZT、PMN-PT等)的介电常数可以显著增大两个数量级，载流子密度的变化更为明显。值得注意的是，在铁电材料的TC下用电场扫过时，铁电极化呈现出类似于铁磁磁化的磁滞回线。因此，在FE/FM异质结构中，去除电压后铁电材料中的剩余极化保证了非易失性电操纵[46]。同时，利用铁电材料的逆压电效应和磁致伸缩效应，即出现电场诱导的晶格变化，上述铁磁材料中与应变相关的磁性可以通过电场来控制，如磁矩、各向异性甚至磁化转换[27]。在目前大量的铁电材料中，PMN-PT弛豫铁电体因其优异的超高应变和压电性能而被广泛应用于应变介导的VCM中。由于(001)PMN-PT晶体中沿[100]方向使用的平面内压电应变显示缺乏剩余应变的挥发性蝴蝶样行为，即在电压撤回后应变状态消失，磁化的电压控制在零场下只有一个磁化状态是不稳定的[27]。然而，在CoFeB中没有磁晶各向异性能(magnetocrystallineanisotropyenergy,MAE)和PMN-PT中109°铁电畴反转的共同作用下，观察到了电场控制的环状磁化，表现出典型的非易失性特征。此外，通过改变PMN-PT的法线方向从(001)到(011)，平面内压电应变也可以表现出类似环路的行为，这保证了磁性的非易失性电操纵。在PZT中也观察到类似的环状行为。像BFO和YMO等一些典型的多铁质材料同时具有铁电和反铁磁，而Cr2O3具有单轴反铁磁自旋结构和线性磁电效应，α(263K)=4.13ps/m[47]。考虑到电场可以改变反铁磁畴，从而引起交换偏置场的幅值和极化变化，这种多铁质/铁磁异质结构的VCM是基于铁磁与反铁磁阶之间的界面交换相互作用实现的。考虑到铁氧化物的敏感性质，通常需要较高的结晶质量才能获得良好的绝缘体和良好的铁电极化，特别是当铁电层的厚度变得很小时。此外，铁磁层和铁电层之间良好的界面可以提高VCM的效果。鉴于此，铁氧化物薄膜通常采用脉冲激光沉积(PLD)来制备，以保证良好的质量和性能。有时，当需要铁氧化物晶体时也会使用熔融法，例如通常用作单晶衬底的PMN-PT。1.3电解质电解质是一种以离子形式存在的本身带有电荷的物质，它可以在电压作用下将阴离子和阳离子分离到相反的电极，在VCM的应用中起着重要的作用。电解质包括具有独特的双电层结构的离子液体和具有高氧迁移率的固态电解质。双电层极大地提高了界面处的电场强度，成功地突破了许多系统中屏蔽长度较短的限制，而高氧迁移率与大量可转移氧离子相关联，有利于通过电化学过程通过电场有效地控制磁场。离子液体是一种典型的电解质材料，与传统的电解质溶液(如有机和水溶液)相比，离子液体由于暴露在空气中时的挥发性而不能保持浓度恒定，由于其在室温附近的高冰点而显示出作为场效应型器件的介质材料的优越性。同时，离子液体的低分子量使其比传统电解质具有更强的导电性，而高极化又保证了VCM的较大电场。此外，在离子液体系统中还表现出了高频特性，尽管聚合物介质场效应管由于高电阻率和慢的极化弛豫而具有众所周知的慢响应，但是在离子液体系统中却观察到了高达MHz数量级的快速工作速度[48]。在VCM过程中，离子液体的阳离子和阴离子在栅极电压的作用下分别驱动到栅极和沟道上，因此，在电极表面形成了双电层，其中正负电荷片相互耦合。相反的电荷来自离子液体中的离子和底部磁性层中的电子或空穴[49]。与正常电介质材料相比，双电层在约为10μF/cm2的非常大的电容中表现，因为由d表示的两个带电板之间的距离接近离子的大小（C=кε0/d）。因此，可以实现载流子密度的巨大变化ΔnS(ΔnS=CVG/e)，其水平为1015cm-2。在双电层的帮助下，这些高密度的载流子注入明显大于SiO2介质层的注入。相比之下，在常用的无机介质FET中，SiO2栅介质厚度为300nm，其电容约为10nF/cm2，典型的电荷调制仅为1013cm-2，而使用铁电栅介质的FET可支持载流子密度变化为1014cm-2。值得注意的是，随着二维电子气的电压控制、超导特性和通过双电层的金属-绝缘体转变，而磁性的电压控制，例如矫顽力、磁各向异性和双电层的磁相变，已经在许多调频金属和氧化物中实现。一些初步的研究表明，双电层的门控机制对工作温度、频率、氧气浓度、VG大小、湿度等非常敏感，这进一步增加了人们对这一问题的认识。氧化钆(GdOx)是一种具有高氧迁移率的固体电解质，在电场作用下可以作为氧离子的储存库。因此，在FET器件的正负电场作用下，GdOx中的氧离子可以被驱使靠近或远离铁磁材料与GdOx之间的界面，从而控制铁磁材料的界面氧化，这样，与氧化态相关的磁性可以在电场的作用下进行调制。由于离子在固体中的迁移速度较慢，通常需要外部加热来减少电场作用的操作时间[40]。为了将电解质引入VCM，电解质通常以场效