一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件及其实现方法。本发明专利技术通过源漏电极通入直流的写入电流，产生面外的轨道磁矩的极化，进而产生面外反阻尼矩效应，在面外反阻尼矩效应下无需额外的磁场辅助就能够实现垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化翻转，称为轨道转移矩；撤去写入电流后垂直磁各向异性自由铁磁层保持改变后的磁化状态，从而具有非易失性；通过源漏电极通入直流的读取电流，通过测量电极得到异质结的霍尔电阻，从而反应垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化状态；改变写入电流方向，实现反向的轨道转移矩，从而使得垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化反向翻转；轨道转移矩实现磁化翻转所需的临界电流更小，从而可以大大降低器件的功耗。大降低器件的功耗。大降低器件的功耗。

【技术实现步骤摘要】
一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件及其实现方法


[0001]本专利技术涉及凝聚态物理的自旋电子学领域，具体涉及一种无需外磁场辅助的垂直磁各向异性磁化翻转器件及其实现方法。

技术介绍

[0002]自旋电子学(spintronics)利用电子的自旋和磁矩自由度，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩输运。自旋电子学是一门新兴的学科和技术，在硬盘磁头、磁随机存储器、自旋场发射晶体管及自旋发光二极管等方面均有应用潜力。在自旋电子学领域，一个重要的发现即巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance)。巨磁电阻效应指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时存在巨大变化的现象。它通常产生于层状的磁性薄膜结构中。该结构即磁隧穿结，具体包含两个铁磁层，两个铁磁层之间则通过一个绝缘体薄膜分开。当两个铁磁层磁化方向相同时，载流子受到的与自旋相关的散射最小，体系的隧穿电阻处于低电阻状态；而当二者磁化方向相反时，载流子受到的与自旋相关的散射最大，隧穿电阻处于高电阻状态。巨磁电阻效应已经被成功应用于硬盘磁头，具有重要的商业价值。巨磁电阻效应从物理发现（19本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述基于轨道转移矩的磁化翻转器件包括：衬底、绝缘介质层、源漏电极、测量电极、异质结、顶栅和背栅；其中，在衬底的正面形成绝缘介质层；在衬底的背面形成背栅；在绝缘介质层上形成源漏电极和一对测量电极，源漏电极互相平行，一对测量电极互相平行，且源漏电极与一对测量电极互相垂直，源漏电极和一对测量电极构成十字交叉型的底电极；在底电极上形成异质结，异质结包括二维层状二阶非线性霍尔效应层和垂直磁各向异性自由铁磁层，二维层状二阶非线性霍尔效应层采用具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料存在周期性晶格势，其中的电子以准粒子的形式发挥作用，即布洛赫电子，布洛赫电子形成布洛赫波包，布洛赫波包具有绕自身旋转的角动量，从而使得电子在具有自旋磁矩之外，具有一个额外的轨道磁矩，轨道磁矩由于二维维度限制排列在面外方向，并且二维层状二阶非线性霍尔效应层属于具有非零的贝利曲率偶极矩的二维体系；异质结与底电极中的每一个电极均有接触；在异质结上形成顶栅，顶栅包括底部的绝缘层和在绝缘层上的顶部电极；顶栅的绝缘层需完全覆盖异质结，以实现封装；顶栅的顶部电极覆盖异质结的沟道，即顶部电极覆盖电流流经异质结的通路；背栅连接至第一直流电压源的正极，第一直流电压源的负极接地，顶栅的顶部电极连接至第二直流电压源的正极，第二直流电压源的负极接地；源电极连接至电流源的正极，电流源的负极接地，漏电极接地；一对测量电极分别连接至电压表的正负极；第一直流电压源施加背栅电压V
B
，使得在背栅和异质结的下表面之间形成电势差，第二直流电压源施加顶栅电压V
T
，使得顶栅的顶部电极和异质结的上表面之间形成电势差；通过背栅和顶栅的场效应调节异质结的载流子浓度，并且在异质结的上下表面分别引入非均衡的电荷分布，从而在异质结中引起一个垂直于异质结表面的面外电场，通过背栅电压V
B
和顶栅电压V
T
调节异质结的载流子浓度和面外电场，使得二维层状二阶非线性霍尔效应层具有最大的贝利曲率偶极矩；电流源通过源漏电极通入直流的写入电流I
p
，在二维层状二阶非线性霍尔效应层的贝利曲率偶极矩与写入电流共同作用下产生面外的轨道磁矩的极化，轨道磁矩的极化方向与写入电流的方向有关，轨道磁矩的极化产生面外反阻尼矩效应，这种基于轨道磁矩的面外反阻尼矩称为轨道转移矩，这一面外反阻尼矩同时与写入电流和贝利曲率偶极矩成线性关系，当写入电流的方向与贝利曲率偶极矩平行时，产生的面外反阻尼矩最大；在面外反阻尼矩效应下无需额外的磁场辅助就能够实现垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化翻转，即实现了基于轨道转移矩的垂直磁各向异性磁化翻转；撤去写入电流，由于垂直磁各向异性自由铁磁层具有回滞特性，撤去写入电流后垂直磁各向异性自由铁磁层保持改变后的磁化状态，从而具有非易失性；电流源通过源漏电极通入直流的读取电流i，电压表通过测量电极得到异质结的霍尔电阻，从而得到垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化状态；改变写入电流的方向，即电流源通过源漏电极通入写入电流
‑
I
p
，使得轨道磁矩的极化方向反向，实现反向的轨道转移矩，从而使得垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化反向翻转。2.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述衬底采用导电材料。3.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述顶栅的顶部电极、背栅电极、源漏电极和测量电极均采用导电金属。
4.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述二维层状二阶非线性霍尔效应层采用双层二碲化钨WTe2、应变双层石墨烯、单轴应变的单层二碲化钨WSe2和空间反演对称性破缺的外尔半金属中的一种；所述垂直磁各向异性层状铁磁层采用薄层铁锗碲Fe3GeTe2、二碲化铬CrTe2和三碘化铬CrI3中的一种。5.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述写入电流大于异质结中能够实现垂直磁各向异性磁化翻转的临界电流。6.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述读取电流远小于临界电流。7.一种如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：1) 器件制备：a) 提供衬底，在衬底的正面形成绝缘介质层；b) 在衬底的背面形成背栅；c) 利用光刻技术和镀膜技术在绝缘介质层上形成源漏电极和一对测量电极，源漏电极互相...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖志敏，叶兴国，朱鹏飞，徐文正，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：