(57)【要約】  本発明は、電磁変換デバイスであって、中間層と、中間層の両側に位置する電極層とを含み、中間層が磁電層である、電磁変換デバイスを提供する。電磁変換デバイスは、電荷と磁束との直接変換を実現し、それゆえ、電子回路および情報機能デバイスの設計に新たな自由度を提供すべく第４の基本回路素子として使用することができる。さらに、電磁変換デバイスをメモリ素子として使用して不揮発性の磁電情報メモリを形成することができる。
2018507554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁変換デバイスであって、中間層と、該中間層の両側に位置する電極層とを含み、該中間層が磁電層である、電磁変換デバイス。
【請求項２】
前記磁電層が、線形磁電効果を有する材料で作られている、請求項１に記載の電磁変換デバイス。
【請求項３】
前記磁電層が、単結晶ＢａＳｒＣｏＺｎＦｅ１１ＡｌＯ２２、単一相材料Ｃｒ２Ｏ３、単一相材料ＢｉＦｅＯ３、単一相材料ＮｉＳＯ４・６Ｈ２Ｏ、複合材料ＣｏＦｅＢ／ＰＭＮ−ＰＴ、または複合材料ＦｅＧａＢ／ＰＺＮ−ＰＴで作られている、請求項２に記載の電磁変換デバイス。
【請求項４】
前記磁電層が、蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する磁電材料で作られている、請求項１に記載の電磁変換デバイス。
【請求項５】
蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する前記磁電材料が、単一相磁電材料、または強磁性／強誘電性複合材料である、請求項４に記載の電磁変換デバイス。
【請求項６】
前記単一相磁電材料が、ＣａＢａＣｏ４Ｏ７、Ｂａ０．５Ｓｒ１．５Ｃｏ２Ｆｅ１１ＡｌＯ２２、Ｂａ０．５Ｓｒ１．５Ｚｎ２（Ｆｅ０．９２Ａｌ０．０８）１２Ｏ２２、ＢａＦｅ１０．４Ｓｃ１．６Ｏ１９、ＧａＦｅＯ３またはＴｂ２（ＭｏＯ４）３である、請求項５に記載の電磁変換デバイス。
【請求項７】
前記強磁性／強誘電性複合材料の強磁性層が、Ｔｂ（１−ｘ）ＤｙｘＦｅ２−ｙ（０≦ｘ≦１、ｙ≦０．０６）、ＳｍＦｅ２、Ｔｂ（ＣｏＦｅ）２、Ｔｂ（ＮｉＦｅ）２、ＴｂＦｅ３、Ｐｒ２Ｃｏ１７、Ｎｉ１−ｘＣｏｘ（０≦ｘ≦１）、Ｎｉ１−ｘＦｅｘ（０≦ｘ≦１）、Ｆｅ１−ｘＣｏｘ（０≦ｘ≦１）、ＦｅＡｌ、ＦｅＣｏＶ、ＦｅＧａＢ、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ８０Ｂ１５Ｓｉ５、Ｆｅ６６Ｃｏ１２Ｂ１４Ｓｉ８、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｏＦｅ２Ｏ４またはＮｉＦｅ２Ｏ４であり、該強磁性／強誘電性複合材料の強誘電層が、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、Ｐｂ（Ｚｒ１ーｘＴｉｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、（Ｂａ１−ｘＳｒｘ）ＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、ＢｉＦｅＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＢａｘＳｒ１−ｘＮｂ１０Ｏ３０（０≦ｘ≦１）、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリトリフルオロエチレン（ＰＴｒＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とポリトリフルオロエチレン（ＰＴｒＦＥ）との二元重合体、ポリウレタンまたは奇数ナイロンである、請求項５に記載の電磁変換デバイス。
【請求項８】
前記中間層がシートである、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁変換デバイス。
【請求項９】
前記電極層が金属材料の層である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁変換デバイス。
【請求項１０】
前記金属材料が銀、銅または金である、請求項９に記載の電磁変換デバイス。
【請求項１１】
前記電極層が、良好な導電性を有する非金属材料の層である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁変換デバイス。
【請求項１２】
４端子デバイスであって、１つのインダクタと、請求項２または３に記載の１つの電磁変換デバイスとを含み、該電磁変換デバイスが磁気回路において該インダクタと完全に接続されている、４端子デバイス。
【請求項１３】
４端子デバイスであって、請求項２または３に記載の２つの電磁変換デバイスを含み、該２つの電磁変換デバイスが磁気回路において互いに完全に接続されている、４端子デバイス。
【請求項１４】
情報メモリであって、請求項４〜７のいずれか１項に記載の１つ以上の電磁変換デバイスから構成されるメモリ素子のアレイを含み、さらにメモリ素子の該アレイを取り囲む読み取りコイルを含む、情報メモリ。
【請求項１５】
前記読み取りコイルが金属ソレノイドである、請求項１４に記載の情報メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１５年２月１３日に出願された中国特許出願第２０１５１００７８５４０６号の優先権を主張するものであり、それは参照によってあたかも全体が本明細書中で述べられているかのように本明細書に組み込まれる。
本発明は、情報技術の分野に属し、より具体的には、電磁変換デバイスおよびそれを含む情報メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の回路理論によれば、抵抗器、コンデンサおよびインダクタは３つの基本回路素子であり、抵抗器は電流−電圧変換関係によって定義され、コンデンサは電圧−電荷変換関係によって定義され、インダクタは電流−磁束変換関係によって定義される。１９７１年に米国のカリフォルニア大学のＬｅｏｎ  Ｃｈｕａは、対称性の概念に基づき、式（１）で示される電荷と磁束との変換関係によって定義される第４の基本回路素子が存在するはずであることを理論的に提案した（参考  Ｍｅｍｒｉｓｔｏｒ−ｔｈｅ  ｍｉｓｓｉｎｇ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｅｌｅｍｅｎｔ、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｃｉｒｃｕｉｔ  Ｔｈｅｏｒｙ；第１８巻、５０７−５１９頁、１９７１）。当時は電荷−磁束変換についての物理学的な例が見つからず、そのためＬｅｏｎ  Ｃｈｕａは式（１）の両辺の時間ｔに関する導関数をとって式（２）を得、さらに式（３）を得た。しかしながら、式（３）で定義される回路素子Ｍは抵抗器Ｒと等価であり、したがって意味をなさない。Ｍを従来の抵抗器とは異なるものにするために、Ｌｅｏｎ  Ｃｈｕａは、Ｍを定数ではなく電荷ｑと時間ｔとに依存する変数とすることができると仮定し、そうして式（４）を得た。この場合、メモリスタ（ｍｅｍｒｉｓｔｏｒ）と称される非線形抵抗素子は、等式（４）にあるようにオームの法則から定義することができる。
【０００３】
式（１）
2018507554.tif 000003
式（２）
2018507554.tif 000004
式（３）
2018507554.tif 000005
式（４）
2018507554.tif 000006
【０００４】
この理論の提案からほぼ４０年後、ヒューレット・パッカード社の研究者らは、単純なＰｔ／ＴｉＯ２／Ｐｔサンドイッチ構造体が、理論的に予言されたメモリスタと同様のｉ−ｖ曲線を示すことを見出し、メモリスタが実験的に見つかったと公表した（参考  Ｔｈｅ  ｍｉｓｓｉｎｇ  ｍｅｍｒｉｓｔｏｒ  ｆｏｕｎｄ、Ｄ．Ｂ．Ｓｔｒｕｋｏｖ、Ｇ．Ｓ．Ｓｎｉｄｅｒ、Ｄ．Ｒ．Ｓｔｅｗａｒｔ、Ｒ．Ｓ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ、Ｎａｔｕｒｅ、第４５３巻、８０−８３頁、２００８）。
【０００５】
メモリスタは、その非線形メモリ機能ゆえに重要な応用可能性を有しているが、それを真の第４の基本回路素子と見なすことはできない。第１に、メモリスタは、第４の基本素子の本来の定義（式（１））を満足しない。換言すれば、メモリスタは電荷と磁束との変換関係によって直接定義されてはいない。第２に、メモリスタは本質的に抵抗デバイスであり、その作動および動作は磁束とは全く無関係であり、磁束メモリ機能を少しも有していない。第３に、非線形デバイスとしてのメモリスタは、状態が他の３つの線形基本素子と等しくなく、基本回路理論に矛盾を生んでいる。最後に、メモリスタが本質的に抵抗デバイスであり、作動時電力消費が大きく、電力消費の小さい理想的な電荷−磁束変換デバイスとは非常に異なっていることから、その用途は非常に限られている。したがって、電荷−磁束変換を直接実現するための本来の定義を厳密に満足する第４の基本回路素子は未だに見つかっていない。
【発明の概要】
【０００６】
上記に鑑み、本発明は、電磁変換デバイスであって、中間層と、中間層の両側に位置する電極層とを含み、中間層が磁電層である、電磁変換デバイスを提供することを目的とする。
【０００７】
磁電層は、線形トランスタを形成するように、線形磁電効果を有する材料で作られていることが好ましい。
【０００８】
線形磁電効果を有する磁電層は、単結晶ＢａＳｒＣｏＺｎＦｅ１１ＡｌＯ２２、単一相材料Ｃｒ２Ｏ３、単一相材料ＢｉＦｅＯ３、単一相材料ＮｉＳＯ４・６Ｈ２Ｏ、複合材料ＣｏＦｅＢ／ＰＭＮ−ＰＴ、または複合材料ＦｅＧａＢ／ＰＺＮ−ＰＴで作られていることが好ましい。
【０００９】
磁電層は、非線形メムトランスタを形成するように、蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する磁電材料で作られていることが好ましい。
【００１０】
蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する磁電材料は、単一相磁電材料、または強磁性／強誘電性複合材料であることが好ましい。
【００１１】
蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する磁電材料は、単一相磁電材料、または強磁性／強誘電性複合材料であることが好ましい。
【００１２】
好ましくは、蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する単一相磁電材料は、ＣａＢａＣｏ４Ｏ７、Ｂａ０．５Ｓｒ１．５Ｃｏ２Ｆｅ１１ＡｌＯ２２、Ｂａ０．５Ｓｒ１．５Ｚｎ２（Ｆｅ０．９２Ａｌ０．０８）１２Ｏ２２、ＢａＦｅ１０．４Ｓｃ１．６Ｏ１９、ＧａＦｅＯ３またはＴｂ２（ＭｏＯ４）３である。
【００１３】
好ましくは、蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する強磁性／強誘電性複合材料の強磁性層は、Ｔｂ（１−ｘ）ＤｙｘＦｅ２−ｙ（０≦ｘ≦１、ｙ≦０．０６）、ＳｍＦｅ２、Ｔｂ（ＣｏＦｅ）２、Ｔｂ（ＮｉＦｅ）２、ＴｂＦｅ３、Ｐｒ２Ｃｏ１７、Ｎｉ１−ｘＣｏｘ（０≦ｘ≦１）、Ｎｉ１−ｘＦｅｘ（０≦ｘ≦１）、Ｆｅ１−ｘＣｏｘ（０≦ｘ≦１）、ＦｅＡｌ、ＦｅＣｏＶ、ＦｅＧａＢ、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ８０Ｂ１５Ｓｉ５、Ｆｅ６６Ｃｏ１２Ｂ１４Ｓｉ８、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｏＦｅ２Ｏ４またはＮｉＦｅ２Ｏ４であり、その強誘電層は、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、Ｐｂ（Ｚｒ１ーｘＴｉｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、（Ｂａ１−ｘＳｒｘ）ＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、ＢｉＦｅＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＢａｘＳｒ１−ｘＮｂ１０Ｏ３０（０≦ｘ≦１）、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリトリフルオロエチレン（ＰＴｒＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とポリトリフルオロエチレン（ＰＴｒＦＥ）との二元重合体、ポリウレタンまたは奇数ナイロンである。
【００１４】
中間層は、シートであることが好ましい。
【００１５】
電極層は、金属材料の層であることが好ましい。
【００１６】
好ましくは、金属材料は、銀、銅または金である。
【００１７】
電極層は、良好な導電性を有する非金属材料の層であることが好ましい。
【００１８】
本発明の電磁変換デバイスは、電荷と磁束との間での直接変換を実現し、それゆえ、電子回路および情報機能デバイスの設計に新たな自由度を提供すべく第４の基本回路素子として使用することができる。さらに、本発明の電磁変換デバイスは、中間磁電層の材料に応じてトランスタおよびメムトランスタを含む。トランスタは、線形磁電効果を有する材料によって磁電層が作られている場合に、形成される。そして、メムトランスタは、蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する磁電材料によって磁電層が作られている場合に、形成される。メムトランスタの重要な利点の１つは、非常に小さい電力消費で新しい世代の不揮発性メモリを具現できることである。トランスタおよびメムトランスタは、デバイスとして非常に小さい内部電流を有する絶縁性の磁電媒体からなるため、ジュール損失も非常に小さい。電流駆動式抵抗型デバイスと比較して、トランスタおよびメムトランスタは、低電力消費という大きな利点を有する。
【００１９】
本発明はさらに、４端子デバイスであって、１つのインダクタと、本発明の１つのトランスタとを含み、トランスタが磁気回路においてインダクタと完全に接続されている、４端子デバイスを提供する。
【００２０】
本発明は、さらなる４端子デバイスであって、本発明の２つのトランスタを含み、２つのトランスタが磁気回路において互いに完全に接続されている、４端子デバイスを提供する。
【００２１】
本発明はまた、情報メモリであって、本発明の１つ以上のメムトランスタから構成されるメモリユニットのアレイを含み、さらにメモリユニットのアレイを取り囲む読み取りコイルを含む、情報メモリを提供する。好ましくは、読み取りコイルは金属ソレノイドである。
【００２２】
情報メモリは、下記利点を有する：（１）高速な読み書き、超低電力消費、および無限回数の書き込み；（２）電力供給が停止した場合に書込みデータが失われない、つまり不揮発性である；（３）大規模集積化および高密度記憶装置の実現に有利となる、単純な構造。したがって、それは情報技術の分野において重要な用途を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
添付の図を参照して本発明を実施形態と組み合わせてさらに説明することにする。
【図１】図１は、本発明の第４の基本回路素子を含む基本回路素子の完全な関係図である。
【図２ａ】図２ａは、本発明の縦型トランスタデバイスの作用図解である。
【図２ｂ】図２ｂは、本発明の横型トランスタデバイスの作用図解である。
【図３】図３は、本発明による線形トランスタおよび非線形メムトランスタの回路特性曲線を示す。
【図４】図４は、情報メモリとしての本発明の非線形メムトランスタの模式図である。
【図５】図５は、本発明の電磁変換デバイスの構造図である。
【図６】図６は、本発明の線形トランスタの性能測定結果を示す。
【図７】図７は、本発明の第２の実施形態による非線形メムトランスタの性能測定結果を示す。
【図８】図８は、本発明の第３の実施形態による非線形メムトランスタの性能測定結果を示す。
【図９ａ】図９ａは、本発明の４端子デバイスの模式図である。
【図９ｂ】図９ｂは、本発明の４端子デバイスの模式図である。
【図１０ａ】図１０ａは、磁電情報メモリとしての本発明による非線形メムトランスタの構造図である。
【図１０ｂ】図１０ｂは、図１０ａに示す磁電情報メモリの面内磁化を印加電場の関数として示す。
【図１０ｃ】図１０ｃは、図１０ａに示す磁電情報メモリの印加電場による磁電係数の反復可能な切り替えを示す。
【図１１】図１１は、本発明のメムトランスタのアレイと読み取りコイルとを含む磁電情報メモリの模式図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下の部では、本発明の目的、解決策および利点を明確にするために実施形態および添付の図面を参照して本発明をさらに詳しく説明することにする。本明細書に記載の具体的な実施形態は、いかなる限定をすることもなく単に本発明を解説することを意図したものに過ぎないことを理解されたい。
【００２５】
本発明は、本来の定義を満足する第４の基本的な回路素子として機能できる、磁電効果を用いて電荷と磁束との間での直接変換を実現するデバイスを提案する。このデバイスは、線形応答挙動および非線形応答挙動を有し、それぞれ線形「トランスタ」および非線形「メムトランスタ」（以下、略してトランスタおよびメムトランスタと呼ぶ）と呼ばれる。したがって、図１に示すように、基本回路素子（４つの線形素子、すなわち抵抗器、コンデンサ、インダクタおよびトランスタ、ならびに４つの非線形素子、すなわちメモリスタ、メムキャパシタ、メムインダクタおよびメムトランスタを含む）の完全な対称図を得ることができる。
【００２６】
図２ａおよび２ｂに示すように、本発明のトランスタデバイスは、磁電層２と、磁電層２の両側に位置する平行な電極層１および３とで構成される。図２ａおよび２ｂはそれぞれ、本発明による縦型トランスタデバイスおよび横型トランスタデバイスの作動原理を示す。種々の磁電効果（横結合または縦結合）に応じて、本発明のトランスタデバイスは、（図２ａに示すように電場の方向が磁束の方向と平行である）縦型、および（図２ｂに示すように電場の方向が磁束の方向に対して垂直である）横型を含む。Ｌａｎｄａｕ理論（Ｅｌｅｃｔｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ  ｏｆ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  ｍｅｄｉａ；Ｌ．Ｄ  Ｌａｎｄａｕ、Ｅ．Ｍ．Ｌｉｆｓｈｉｔｚ；Ｐｅｒｇａｍｏｎ  Ｐｒｅｓｓ；１９８０）に基づき、磁電媒体の自由エネルギーは式（５）で示される。
【００２７】
式（５）
2018507554.tif 000007
【００２８】
式中、ε０（μ０）およびχｅ（χυ）はそれぞれ、真空の誘電率（透磁率）および、磁電媒体の電気感受率（磁化率）であり、αは磁電媒体の線形磁電係数である。Ｆ（Ｅ，Ｈ）をＥおよびＨで微分することによってそれぞれ等式（６）および等式（７）が得られる。
【００２９】
式（６）
2018507554.tif 000008
式（７）
2018507554.tif 000009
【００３０】
図２ａに示す縦型トランスタデバイスの場合、面積Ｓを有する電極層１および３に結合した電荷は等式（８）に示すとおりであり、その一方で磁電媒体層２を通過する磁束は等式（９）で示される。
【００３１】
式（８）
2018507554.tif 000010
式（９）
2018507554.tif 000011
【００３２】
式中、Ｄ＝ε０Ｅ＋Ｐは磁電媒体中の電気変位である。εｒ＝χｅ＋１は磁電媒体の比誘電率である。Ｓは電極層の表面積である。Ｂ＝μ０（Ｈ＋Ｍ）は、磁電媒体中の磁束密度である。μｒ＝χν＋１は磁電媒体の比透磁率である。
【００３３】
一定またはゼロの外部電場の下では、磁束変化ｄφは、ｄＨ＝ｄφ／μ０μｒＳ（等式９）によって磁場Ｈの変化を引き起こすことになり、それゆえｄｑ＝αＳｄＨ（等式８）によって電極の結合電荷の変化を引き起こすことになる。この場合、等式（１０）で示されるように、ｄｑとｄφとの間での関係が成り立つ。
【００３４】
式（１０）
2018507554.tif 000012
【００３５】
一定またはゼロの外部磁場の場合、電極の結合電荷の変化ｄｑは、磁電力効果により磁束変化ｄφを誘起することになる。このときの磁束と電荷との間の関係は、式（８）および（９）から得ることができる。
【００３６】
式（１１）
2018507554.tif 000013
【００３７】
図２ｂに示す横型トランスタデバイスの場合、磁電媒体の側面の面積をＳ’として、電荷および磁束はそれぞれ、式（１２）および（１３）に示すとおりである。
【００３８】
式（１２）
2018507554.tif 000014
式（１３）
2018507554.tif 000015
【００３９】
式中のパラメータは、式（１３）中で磁束に関連する面積ＳがＳ’で置き換えられている点を除けば、前と同じである。同様に、式（１４）および（１５）で示されるように、ｄｑとｄφとの間で２つの直接的関係が成り立つ。
【００４０】
式（１４）
2018507554.tif 000016
式（１５）
2018507554.tif 000017
【００４１】
上記の導出から、トランスタデバイスは電荷と磁束との間での相互変換を直接実現でき、ゆえに第４の基本回路素子の本来の定義を満足できる、ということがわかる。本発明者らは、電荷および磁束に関係する係数α／ε０εｒまたはα／μ０μｒを、「トランスタンス」と呼ぶ新しい物理量として定義する。磁電係数αは正または負のいずれかとすることができるため、トランスタンスの値も正または負のいずれかとすることができ、そのことは他の３つの基本回路素子（抵抗器、コンデンサ、インダクタ）とは全く異なっている。これは図３に示されているとおりであり、図中、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤはそれぞれ、抵抗器のｉ−ｖ関係、コンデンサのｖ−ｑ関係、インダクタのｉ−φ関係、および本発明のトランスタのｑ−φ関係を示す。それゆえにトランスタは、抵抗器、コンデンサおよびインダクタの３つの基本素子の組み合わせによって得ることができない。
【００４２】
抵抗器、コンデンサおよびインダクタに対応する非線形メモリデバイスが存在し、それぞれ、メモリスタ、メムキャパシタおよびメムインダクタと呼ばれる。同様に、トランスタに対応する非線形メモリデバイス、すなわちメムトランスタも存在する。メムトランスタの非線形応答挙動は、他の３つの非線形メモリデバイスとは著しく異なり、図３に示すように独特の蝶形の非線形ヒステリシス曲線を示す。図中、Ｅ、Ｆ、ＧおよびＨはそれぞれ、メモリスタのｉ−ｖ関係、メムキャパシタのｖ−ｑ関係、メムインダクタのｉ−φ関係、および本発明のメムトランスタのｑ−φ関係を示す。
【００４３】
メムトランスタの非線形挙動（ｑ−φ関係）は、蝶形をした非線形ヒステリシス挙動を示す。上記式（８）および（９）からは、印加電場Ｅ（または電圧Ｖ）による磁化Ｍの変化がｑ−φ関係に対応しており、また図４に示すとおり蝶型の非線形ヒステリシス曲線を示す、ということが分かる。この場合、磁電係数α＝ｄＭ／ｄＥ（すなわち、Ｍ−Ｅ曲線の傾き）は、正または負のいずれかであり、電圧の変化に伴って正および負に切り替わる。したがって、正のαをデータ０、負のαをデータ１と定義することができる。
低電場領域では、αの符号は外部電場によって変化しない。臨界電界よりも高い電界が印加された後にのみ、αはその符号を反転させ、印加電圧が除去されても最後の状態を保持する。したがって、本発明のメムトランスタは、情報メモリとして使用することができ、不揮発性記憶装置を実現するために使用することができる。
【００４４】
このように、非線形磁電効果に基づき、磁電係数αの状態（正および負）を２進データ（０および１）として用いて不揮発性のデータ記憶を実現することができる。データ読み取りは、磁電係数αの測定結果に変換することができ、それは、下記の２つの方法で行うことができる。
【００４５】
（１）磁電係数を測定する静的な方法。
磁電係数の定義によれば、α＝ｄＭ／ｄＥ≒ｄＰ／ｄＨである。小さい直流磁場Ｈが磁電媒体に印加されると、電気分極変化ΔＰが発生し、さらにまた、小さい直流電圧Ｖが発生する。したがって、αの値および符号は、磁電効果によって誘起される直流電圧Ｖを測定することによって計算することができる。
【００４６】
（２）磁電係数を測定する動的な方法。
小さい交流磁場Ｈが磁電媒体に印加されると、同じ周波数の交流電圧が発生する。交流電圧の値および位相は、磁電係数の値および符号を計算すべくロックインアンプで測定される。印加磁場が小さく、結果として生じる電圧が低いため、読み取り操作はメモリ状態を破壊しないであろう。
【００４７】
以下、本発明のトランスタ、メムトランスタ、トランスタを含む４端子デバイス、およびメムトランスタを含む磁電情報メモリについて、具体例を参照しながら説明することにする。
【００４８】
第１の実施形態
図５は、中間単結晶ＢａＳｒＣｏＺｎＦｅ１１ＡｌＯ２２層と、この中間単結晶ＢａＳｒＣｏＺｎＦｅ１１ＡｌＯ２２層の両側に位置するＡｇ電極層とを含む、本発明による線形トランスタの構造を示す。単結晶ＢａＳｒＣｏＺｎＦｅ１１ＡｌＯ２２層は、長さ、幅および厚みが２ｍｍ、２ｍｍおよび０．３ｍｍでありかつ、広い表面が（００１）面である、シート層である。この実施形態の線形トランスタデバイスの、印加磁場Ｈの関数としての電気分極変化ΔＰは、磁電流測定によって評価され、それは、カンタム・デザイン社製の物理特性測定システム（ＰＰＭＳ）で実行される。ここで、測定温度は１００Ｋであり、磁場Ｈは、−１００Ｏｅから２００Ｏｅまで連続的に掃引される。磁電流はＫｅｉｔｈｌｅｙ６５１７Ｂ電位計で測定され、分極変化は電流を時間で積分することによって得られる。図６に示すΔＰ−Ｈ関係曲線（ΔＰ−Ｈ関係が電荷と磁束との間の関係を反映することは当業者によって容易に理解される）からは、デバイスを磁場で駆動する場合に電気分極が印加磁場に関して直線的に変化し、変換の傾きが負である、ということが分かり、電荷と磁束との間に線形変換関係が存在することが指し示され、それは、典型的な線形トランスタの予期された挙動である。
【００４９】
第２の実施形態
本発明の第２の実施形態による非線形メムトランスタの構造は、第１の実施形態の線形トランスタのそれに類似しているが、中間層が単結晶ＣａＢａＣｏ４Ｏ７層である点が異なっている。単結晶ＣａＢａＣｏ４Ｏ７層は、長さ、幅および厚みが２ｍｍ、１ｍｍおよび０．４ｍｍでありかつ、広い表面が（００１）面である、シート層である。この実施形態の非線形メムトランスタの、印加磁場Ｈの関数としての電気分極変化ΔＰは、磁電流測定によって評価され、それは、カンタム・デザイン社製の物理特性測定システム（ＰＰＭＳ）で実行される。ここで、測定温度は５Ｋであり、測定中の走査磁場は、−１２０ｋＯｅ〜＋１２０ｋＯｅの範囲であり、両端にある電極での電荷の変化はＫｅｉｔｈｌｅｙ６５１７Ｂ電位計で測定される。図７に示すΔＰ−Ｈ関係曲線（図７中の２つの曲線はそれぞれＨ増加およびＨ減少の走査に対応する）からは、電極面に垂直な磁場でデバイスを駆動する場合に電気分極がＨ増加走査とＨ減少走査とで異なった変化をする、ということが分かる。その結果、ΔＰ−Ｈ曲線は、ゼロ磁場において正と負との間で傾きが変化する蝶形の非線形ヒステリシス挙動を呈する。電荷と磁束との間に蝶形の非線形関係が存在し、それゆえにデバイスは、典型的な非線形メムトランスタの予期された挙動を有する、ということが分かる。
【００５０】
第３の実施形態
本発明の第３の実施形態による非線形メムトランスタの構造は、第１の実施形態の線形トランスタのそれに類似しており、中間層が単結晶Ｂａ０．５Ｓｒ１．５Ｃｏ２Ｆｅ１１ＡｌＯ２２層である点が異なっている。単結晶Ｂａ０．５Ｓｒ１．５Ｃｏ２Ｆｅ１１ＡｌＯ２２層は、長さ、幅および厚みが２．３６ｍｍ、２．３６ｍｍおよび０．３９ｍｍでありかつ、広い表面が（００１）面である、シート層である。この実施形態の非線形メムトランスタの、印加磁場Ｈの関数としての電気分極変化ΔＰは、磁電流測定によって評価され、それは、カンタム・デザイン社製の物理特性測定システム（ＰＰＭＳ）で実行される。ここで、測定温度は３００Ｋであり、測定中の走査磁場は、−２０００Ｏｅ〜＋２０００Ｏｅの範囲であり、両端にある電極での電荷の変化はＫｅｉｔｈｌｅｙ６５１７Ｂ電位計で測定される。図８に示すΔＰ−Ｈ関係曲線（図８中の２つの曲線はそれぞれＨ増加およびＨ減少の走査に対応する）からは、電極面に垂直な磁場でデバイスを駆動する場合に電気分極がＨ増加走査とＨ減少走査とで異なった変化をする、ということが分かる。その結果、ΔＰ−Ｈ曲線は、ゼロ磁場において正と負との間で傾きが変化する蝶形の非線形ヒステリシス挙動を呈する。電荷と磁束との間に蝶形の非線形関係が存在し、それゆえにデバイスは、典型的な非線形メムトランスタの予期された挙動を有する、ということが分かる。さらに、この実施形態によるメムトランスタの蝶形の非線形ヒステリシス挙動はより対称的であり、測定中に必要な磁場はより小さく、作用温度は室温である。
【００５１】
第４の実施形態
この実施形態では、第１の実施形態のトランスタを他の素子と組み合わせて新規なデバイスを形成する。図９ａに示すように、ジャイレータ（ｇｙｒａｔｏｒ）の挙動に類似して非相互的な電圧−電流関係：ｖ１＝−ｇｉ２およびｖ２＝ｇｉ１（式中、ｇはジャイレータ係数（単位はオーム）である）を有する新たな４端子デバイスを形成すべく、１つのトランスタが、磁気回路において磁心によって１つのインダクタと完全に接続されている（磁心が磁束を束縛する機能を有し、磁気回路が磁心に沿って磁束線の近接する回路である、ということは当業者によく知られている）。図９ｂに示すように、関係式ｉ２＝（Ｔ１／Ｔ２）ｉ１およびｉ１＝（Ｔ２／Ｔ１）ｉ２（式中、Ｔ１およびＴ２はそれぞれトランスタ１および２のトランスタンスである）を有する新たな４端子デバイスを形成すべく、２つのトランスタが磁気回路において磁心によって互いに完全に接続されている。上記の電流変換関係は、トランスおよびジャイレータの特性とは全く異なる。したがって、新たなデバイスは、新しいタイプの４端子回路デバイスである。
【００５２】
第５の実施形態
図１０ａは、情報メモリとして機能する本発明のメムトランスタの図であり、それは、強磁性材料の磁歪効果と強誘電材料の圧電効果とを有する強磁性／強誘電性ヘテロ構造体の非線形磁電効果に基づくものである。強磁性層は、磁歪係数が比較的大きく厚みが１ｍｍである多結晶ターフェノールＤ（Ｔｂ０．３Ｄｙ０．７Ｆｅ２）シートで作られている。強誘電層は、厚みが０．５ｍｍでありデバイス面積が５ｍｍ×５ｍｍである単結晶０．７Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−０．３ＰｂＴｉＯ３（ＰＭＮ−ＰＴ）シートである。強磁性層と強誘電層とを銀接着剤で接合し、上下面をそれぞれＡｇ電極の層で覆う。
【００５３】
まず、室温での試料の印加電圧（電場）の関数としての磁化変化を、カンタム・デザイン社製の磁気特性測定システム（ＭＰＭＳ）を使用して測定する。図１０ｂに示す測定結果から、デバイスの面内磁化が印加電圧（電場）に関して蝶形の非線形ヒステリシス曲線を呈することが分かる。これは、抗電場（Ｅ＝±２ｋＶ／ｃｍ）付近での強誘電分極の反転によるものである。そうしている間に磁電係数α＝μ０ｄＭ／ｄＥは、それに応じて正から負または負から正に変化する。α＞０を２進データ０として定義し、α＜０を２進データ１として定義することによって、デバイスを本発明の磁電不揮発性メモリとして使用することができる。
【００５４】
デバイスを読み取りコイル（ソレノイド）内に配置して、その不揮発性メモリ性能を試験する。直流／交流ソースメータ（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６２２１）から１００ｋＨｚ、２ｍＡの交流電流を出力し、ソレノイド内に１．２Ｏｅの交流磁場を生成させる。磁電効果が存在することによってＡＣ磁場は同じ周波数の交流電圧をデバイスの上部電極と下部電極との間に誘起することになる。ロックインアンプ（スタンフォードリサーチシステム、モデルＳＲ８３０）を使用して交流電圧の振幅および位相を検出することにより、磁電圧係数α＝ｄＥ／ｄＨの大きさおよび符号を計算することができる。正または負のパルス電圧をソースメータ（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ６５１７Ｂ）によって両側にあるＡｇ電極の間に印加して強誘電分極の向きを変化させ、さらにまたαの符号を変化させる。図１０ｃは、印加電場パルスに対する磁電圧係数αの経時的な応答を示す。正の電圧（電場）が印加される場合、αは正であり、経時的に正であり続ける。その後、負の電圧（電場）が印加される場合、αは正から負に変化し、経時的に負であり続ける。切り替えプロセスは、著しい減衰なしに多数回繰り返すことができる。これらの実験結果は、本発明の不揮発性メモリを好結果に実証している。
【００５５】
第６の実施形態
本実施形態は、図１１に示すように、メムトランスタのアレイと、メムトランスタのアレイを取り囲む読み取りコイルとを含む情報メモリを提供する。メムトランスタはメモリ素子として使用される。読み取りコイルは、小さい直流磁場または交流磁場を発生させるための金属ソレノイドから構成される。全てのメモリ素子は１つの読み取りコイルを共有することができる。各メムトランスタの両端にある金属電極は、電圧パルスを印加してデータを書き込むため、および磁電効果によって発生する小さい電圧を測定してデータを読み取るために、使用される。したがって、読み出し回路と書き込み回路とが組み合わさっており、それによってメモリの構造が大幅に簡素化される。メムトランスタアレイの作製は、当該技術分野において既知の方法を用いること、例えば、大面積の膜を作製し、次いでそれをナノテクノロジーによって数百万個の素子にしてアレイを形成することによって、実行され得る。
【００５６】
本発明のその他の実施形態によれば、電磁変換デバイスの中間層には、当該技術分野において既知のその他の磁電媒体が採用され得る。線形トランスタの中間層には、当該技術分野において既知の線形磁電効果を有する材料、例えば、Ｃｒ２Ｏ３、ＢｉＦｅＯ３およびＮｉＳＯ４・６Ｈ２Ｏなどの単一相材料ならびに、ＣｏＦｅＢ／ＰＭＮ−ＰＴおよびＦｅＧａＢ／ＰＺＮ−ＰＴなどの複合材料が採用され得る。非線形メムトランスタの中間層には、単一相磁電材料または強磁性／強誘電性複合ヘテロ構造体を含む、当該技術分野において既知の蝶形の非線形ヒステリシス曲線を有する磁電材料が採用され得る。単一相磁電材料の例は、Ｂａ０．３Ｓｒ１．７Ｃｏ２Ｆｅ１１ＡｌＯ２２、Ｂａ０．５Ｓｒ１．５Ｚｎ２（Ｆｅ０．９２Ａｌ０．０８）１２Ｏ２２、ＢａＦｅ１０．４Ｓｃ１．６Ｏ１９、ＣａＢａＣｏ４Ｏ７、ＧａＦｅＯ３またはＴｂ２（ＭｏＯ４）３である。強磁性／強誘電性複合ヘテロ構造体の強磁性層の例は、Ｔｂ（１−ｘ）ＤｙｘＦｅ２−ｙ（０≦ｘ≦１、ｙ≦０．０６）、ＳｍＦｅ２、Ｔｂ（ＣｏＦｅ）２、Ｔｂ（ＮｉＦｅ）２、ＴｂＦｅ３、Ｐｒ２Ｃｏ１７、Ｎｉ１−ｘＣｏｘ（０≦ｘ≦１）、Ｎｉ１−ｘＦｅｘ（０≦ｘ≦１）、Ｆｅ１−ｘＣｏｘ（０≦ｘ≦１）、ＦｅＡｌ、ＦｅＣｏＶ、ＦｅＧａＢ、ＣｏＦｅＢ、Ｆｅ８０Ｂ１５Ｓｉ５、Ｆｅ６６Ｃｏ１２Ｂ１４Ｓｉ８、Ｆｅ３Ｏ４、ＣｏＦｅ２Ｏ４またはＮｉＦｅ２Ｏ４である。そして、強磁性／強誘電性複合ヘテロ構造体の強誘電層の例は、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、（１−ｘ）Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ｘＰｂＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、Ｐｂ（Ｚｒ１−ｘＴｉｘ）Ｏ３（０≦ｘ≦１）、（Ｂａ１−ｘＳｒｘ）ＴｉＯ３（０≦ｘ≦１）、ＢｉＦｅＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、ＢａｘＳｒ１−ｘＮｂ１０Ｏ３０（０≦ｘ≦１）、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ１５、リン酸二水素カリウム（ＫＤＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリトリフルオロエチレン（ＰＴｒＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とポリトリフルオロエチレン（ＰＴｒＦＥ）との二元重合体、ポリウレタンまたは奇数ナイロンである。さらに、当業者であれば、特定の磁電媒体の磁電効果は印加電場が増加するにつれて線形から非線形へと変化するであろうことを容易に理解するであろう。
【００５７】
本発明のその他の実施形態によれば、電磁変換デバイスの中間層は、立方体形状である。
【００５８】
本発明のその他の実施形態によれば、電磁変換デバイスの電極層には、良好な導電性を有する金属材料および非金属材料、例えば、銅、金、導電性酸化物または黒鉛を含む、当該技術分野においてよく知られたその他の任意の電極材料が採用され得る。
【００５９】
本発明のその他の実施形態によれば、電磁変換デバイスの電極層は、中間層の一部を覆っている。
【００６０】
本発明のその他の実施形態によれば、非線形メムトランスタが情報メモリとして機能するためには、中間層は、好ましくは、強磁性／強誘電性複合ヘテロ構造体であり、強磁性層の厚みおよび強誘電層の厚みはいずれも１０ｎｍ〜１ｍｍの範囲である。
【００６１】
本発明のトランスタおよびメムトランスタの磁電層について数々の具体的な寸法が実施形態において示されているが、当業者であれば、実際の用途における磁束の特定の要件に基づいて磁電層の厚みが定められ得ることを容易に理解するであろう。例えば、メムトランスタを情報メモリとして使用するのであれば磁電層の厚みは１ｍｍ未満でなければならない。トランスタを４端子デバイスに適用する場合には通常、磁電媒体が比較的大きい磁束を有しかつその厚みを１ｍｍ〜１０ｃｍの範囲にできることが要求される。
【００６２】
本発明を好ましい実施形態により説明してきたが、本明細書に記載の実施形態に本発明を限定することが意図されるのではなく、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更および改変を行ってもよい。
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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