[发明专利]一种多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元及电力调控方法

说明书

本发明公开一种多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元及电力调控方法，由下往上包括依次设置的衬底、过渡层、下电极、铁电层、介电和铁电周期性多层复合薄膜层和上电极。根据铁电层、介电和铁电周期性多层复合薄膜层中剩余的极化方向，以及施加垂直于衬底的力的大小，确定多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元的状态。本发明的力电调控方法利用电力施加以后多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元的电导能力，确定存储单元中的逻辑态，有效地提高铁电存储器的存储密度，同时能够基于读取电流的大小来识别存储的逻辑态，读取逻辑态的过程不会对所存储的数据造成影响，实现了非破坏性的读取，铁电涡旋畴纳米级尺寸有助于铁电存储器实现小型化。

技术领域

本发明涉及信息存储领域，特别是涉及一种多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元及电力调控方法。

背景技术

基于电容结构的铁电存储器利用铁电材料的自发极化特性进行数据存储，具有抗辐射、耐疲劳、保持性好等优点，在航天器、飞机黑匣子、高铁等方面具有重要的应用。但是，基于电容结构的铁电存储器在数据读取的过程中，经常涉及到部分存储单元中极化翻转的现象，会破坏存储单元中已经写入的数据，为保证数据的再次可读性，还需要进行再写入的操作。这种模式极大地增加了器件单元的体积和电路复杂程度，不利于器件的小型化、高密度存储，也限制了存储、读取速度的提高。事实上，铁电材料除了可以利用材料自身的剩余极化来进行数据存储以外，还可以利用铁电材料中特殊的畴结构来进行数据存储。畴就是铁电材料中自发极化取向一致的区域，而畴结构就是铁电材料中畴的构成情况。在铁电材料中存在一种特殊的电畴结构，这种电畴结构内部的畴并不是的自发极化一致的，而是形成类似于涡旋的特殊结构，这类特殊的电畴结构被称为铁电涡旋畴。自铁电涡旋畴被发现以来，如何利用铁电涡旋畴来进行数据存储就成了一个很重要的科学问题。铁电涡旋畴的擦除和写入被认为是一种非常有用的方式，但是实际研究结果表明，铁电涡旋畴的形成是应力、应变以及体系降低自身能量以达到稳态等多种原因引起的。到目前为止，完全的通过擦除/写入铁电涡旋畴并保持这种状态还未实现。尽管研究人员发现在垂直铁电涡旋畴轴向的方法施加力可以暂时的擦除铁电涡旋畴，但是在撤去力以后这种状态并不能保存，铁电涡旋畴会恢复原状。为了促进铁电涡旋畴在信息存储方面的应用，实现外场对铁电涡旋畴电导性能的调控是一种非常有效的方式。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元及电力调控方法，通过电、力调控方法能够使基于铁电涡旋畴结构来进行信息存储的铁电存储器件中实现至少4个逻辑态存储，有效地提高铁电存储器的存储密度。

本发明的技术方案如下：

一种多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元，其中，由下往上包括依次设置的衬底、过渡层、下电极、铁电层、介电和铁电周期性多层复合薄膜层和上电极。

所述的多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元，其中，过渡层、下电极、铁电层、介电和铁电周期性多层复合薄膜层为外延生长；

过渡层的厚度为1~200 nm，下电极的厚度为1~30 nm，过渡层与下电极的厚度之比为1:1~10:1。

所述的多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元，其中，所述下电极与所述铁电层的厚度为1:1~20:1。

所述的多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元，其中，上电极与下电极的厚度比值为1:1~10:1。

所述的多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元，其中，所述介电和铁电周期性多层复合薄膜层由n组组合膜复合而成，n大于或者等于3；每组组合膜为由下至上设置的介电膜、铁电膜。

所述的多涡旋铁电畴的多逻辑态存储单元，其中，介电膜的厚度是1 nm~100 nm，铁电膜的厚度是1 nm~5 nm，介电膜与铁电膜的厚度之比为1:10~20:1。