利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用制造技术

本发明专利技术涉及一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用，该单层铁磁材料为厚度在1～100nm的薄膜，具有强自旋轨道耦合作用，通入电流后产生自旋力矩，并利用自旋力矩翻转该单层铁磁材料的自身磁矩。本发明专利技术在单层铁磁中利用电流产生自旋力矩，并利用此自旋力矩翻转该单层铁磁自身的磁矩，可应用于磁性随机存储器与自旋逻辑器件，基于本发明专利技术技术的器件可以具有不受限制的厚度从而具有更高的热稳定性，即非易失性，在应用上将简化器件的架构和制备工艺，具有巨大的成本优势。

【技术实现步骤摘要】
利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用
本专利技术涉及单层铁磁材料，具体涉及一种利用电流驱动单层铁磁材料磁矩翻转的技术及其应用。
技术介绍
磁随机存储器以磁性材料的磁矩方向作为信息载体，具有非易失性，读写速度快，存储密度高等优点。自旋逻辑器件基于新兴的自旋电子学，利用自旋进行逻辑运算，具有超低功耗的优点。磁随机存储器和自旋逻辑器件，均需要使用电流操控磁性材料的磁矩或者磁化状态，目前有两种主流技术可以实现这种操控，即自旋转移矩(Spintransfertorque,STT)技术和自旋轨道矩(spinorbittorque,SOT)技术。自旋转移矩技术早于自旋轨道矩技术出现。采用自旋转移矩技术的器件需要两种不同的磁性层，一般的结构为磁性层1/中间层(通常为氧化层如MgO)/磁性层2，其中一种磁性层的磁矩方向固定不变，作为参考层，另一种磁性层的磁矩方向可在向上和向下两种状态中切换，作为存储层，又称自由层。电流流经参考层成为自旋极化电流，这种自旋极化电流流入存储层，对存储层施加力矩作用，从而实现翻转存储层磁矩的功能。由于自旋转移矩效应的强弱很大程度上依赖于磁性材料的极化率，这种器件通常需要很大的电流密度才能完成翻转磁矩的操作。而且，高密度电流容易击穿中间层，造成器件损坏。自旋轨道矩效应是2010前后发现的一种新效应，它与自旋转移矩效应有着物理机制上的本质区别。基于自旋轨道矩技术的器件一般只需要一种铁磁层，其结构通常为非磁性金属层/铁磁层双层膜。电流流经非磁性金属层，通过自旋霍尔效应(SpinHalleffect,SHE)或者拉什巴效应(Rashbaeffect)产生自旋流或者界面自旋累积，从而对铁磁层施加力矩作用，实现翻转铁磁层磁矩的功能。自旋轨道矩效应的大小主要取决于重金属层的自旋轨道耦合(Spinorbitcoupling,SOC)强度，通过选取合适的强自旋轨道耦合材料，能使得这种器件以较小的电流密度实现翻转磁矩的操作。然而，当前的这种双层膜中产生的自旋轨道矩强烈地依赖于非磁性金属层/铁磁层界面的性质，因而要求铁磁层厚度非常的薄(<2纳米)，这不利于器件的热稳定性。另一方面，使用双层膜也将增加器件制备工艺的复杂程度。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题而提供一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，该单层铁磁材料为厚度在1～100nm的薄膜，其具有铁磁性和强自旋轨道耦合作用，通入电流后产生自旋力矩，并利用自旋力矩翻转该单层铁磁材料的自身磁矩，在单层铁磁材料中可实现利用电流产生作用于该单层铁磁材料磁矩的自旋力矩，并且此自旋力矩可以翻转单层铁磁材料的磁矩。所述单层铁磁材料为Fe与金属元素X的合金薄膜，所述金属元素X选自Pt，Pd，Ta，W，Bi或Gd的一种，所述Fe也可用Co、Ni或它们的合金替换。优选地，所述单层铁磁材料为FePt、FePd、CoPt、CoPd、MnBi、GdFeCo或CoGd的合金薄膜进一步优选为FePt，所述FePt合金薄膜中Pt原子所占FePt总原子数的33-59％，呈现L10有序晶体结构。为了提高单层铁磁材料的晶体质量、平整度、热稳定性和抗氧化能力等特性，所述单层铁磁材料和基底之间可以加入缓冲层，或者在单层铁磁材料之上覆盖保护层。所述缓冲层为金属材料或氧化物，所述金属材料为Cu、Ti或Al等，所述氧化物为MgO、TaOx或AlOx等，所述保护层为MgO、TaOx、AlOx、SiO2或TaN等。一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料的应用，该单层铁磁材料用于构建磁随机存储器的存储单元与自旋逻辑器的运算单元。优选地，所述存储单元从下到上依次包括单层铁磁材料构成的磁性存储层、中间层与磁性参考层。优选地，所述中间层为氧化物或者非磁性金属，所述磁性参考层可采用与磁性存储层相同或不同的材料。所述单层铁磁材料可以是具有垂直磁各向异性的铁磁层，也可以是具有面内磁各向异性的铁磁层。结合附图1，对本专利技术的技术进行说明。如图1所示，为利用电流将单层铁磁层的磁矩由向下翻转为向上的过程示意图。单层铁磁层为长方体形状，厚度t在纳米(nm)量级，为1～100nm。单层铁磁层磁矩的初始状态为方向向下，沿L方向施加一从左向右的电流，此电流对单层铁磁层的磁矩产生自旋力矩的作用，驱动磁矩由向下翻转为向上，撤去电流，单层铁磁层磁矩稳定在向上状态。如图2所示，为利用电流将单层铁磁层的磁矩由向上翻转为向下的过程示意图，单层铁磁层磁矩的初始状态为方向向上。沿L方向施加一从右向左的电流，此电流对单层铁磁层的磁矩产生自旋力矩的作用，驱动磁矩由向上翻转为向下，撤去电流，单层铁磁层磁矩稳定在向下状态。在上面进行的说明中，单层铁磁层为长方体形状，但实际应用中，单层铁磁层的形状可以为其它，比如正方体、棱柱体、椭圆柱、圆柱等等，其尺寸可以按照实际需求进行设计。自旋力矩包括自旋轨道矩，或者自旋转移矩和自旋轨道矩的联合。与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：(1)相比目前普遍采用由非磁性金属层/铁磁层构成的双层膜产生自旋轨道力矩或者铁磁/中间层/铁磁多层膜产生的自旋转移力矩，本专利技术创新性地在单层铁磁合金薄膜中产生自旋力矩，并能利用此自旋力矩翻转薄膜自身的磁矩，不需要很大的电流密度完成翻转磁矩操作，不容易击穿中间层而造成器件损坏；(2)区别于双层膜产生的自旋轨道矩强烈地依赖于界面的性质从而要求非常薄的铁磁层厚度(<2nm)，本专利技术使用单层膜产生的自旋力矩主要由材料的本体性质决定，可以具有不受限制的厚度从而具有更高的热稳定性，即非易失性；(3)目前基于非磁性金属层/铁磁层双层膜设计的自旋轨道矩器件，每个单元需要三个接线端，如图3(a)所示，而基于本专利技术技术设计的自旋轨道矩器件，可以实现每个单元只需要两个接线端，如图3(b)所示，这在应用上将简化器件的架构和制备工艺，具有巨大的成本优势。附图说明图1为利用电流将单层铁磁层的磁矩由向下翻转为向上的过程示意图；图2为利用电流将单层铁磁层的磁矩由向上翻转为向下的过程示意图；图3为三端自旋轨道矩器件示意图(a)和两端自旋轨道矩器件示意图(b)；图4为利用电流操控单层铁磁层磁矩并探测磁矩状态的实施例示意图；图5为利用电流操控8nm厚FePt磁性层磁矩并用反常霍尔电阻反应磁矩状态所得的数据；图6为利用本专利技术构建的磁性隧道结的结构示意图以及写入数据操作示意图；图7为利用本专利技术构建的磁性隧道结的结构示意图以及读取数据操作示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。实施例1如图4所示，一种利用本专利技术操控单层铁磁层磁矩并探测磁矩状态的实施例，将单层铁磁层利用微纳加工技术制备成如图所示的霍尔棒形状，图中201、202作为施加电流的两个电极，203、204作为测量电压的两个电极。由于铁磁材料具有反常霍尔效应，并且反常霍尔电阻RH正比于薄膜法线方向的磁矩m，即RH∝m，因此通过测量203和204电极之间的反常霍尔电阻值，即可知道铁磁层磁矩的方向。首先，沿从201到202方向施加一辅助磁场，再在201和202电极之间施加一写入电流IW，此电流可正可负，正定义为电流从201流向202本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，其特征在于，该单层铁磁材料为厚度在1～100nm的薄膜，其具有铁磁性和强自旋轨道耦合作用，通入电流后产生自旋力矩，并利用自旋力矩翻转该单层铁磁材料的自身磁矩。

【技术特征摘要】
1.一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，其特征在于，该单层铁磁材料为厚度在1～100nm的薄膜，其具有铁磁性和强自旋轨道耦合作用，通入电流后产生自旋力矩，并利用自旋力矩翻转该单层铁磁材料的自身磁矩。2.根据权利要求1所述的一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，其特征在于，所述单层铁磁材料为Fe与金属元素X的合金薄膜，所述金属元素X选自Pt，Pd，Ta，W，Bi或Gd的一种，所述Fe也可用Co、Ni或它们的合金替换。3.根据权利要求2所述的一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，其特征在于，所述单层铁磁材料为FePt、FePd、CoPt、CoPd、MnBi、GdFeCo或CoGd的合金薄膜。4.根据权利要求3所述的一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，其特征在于，所述单层铁磁材料为FePt的合金薄膜，所述FePt合金薄膜中Pt原子所占FePt总原子数的33-59％。5.根据权利要求1所述的一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，其特征在于，所述单层...

【专利技术属性】
技术研发人员：丘学鹏，唐猛，周仕明，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31