一种磁性可调的磁性绝缘体薄膜制造技术

本发明专利技术属于磁性材料技术领域，具体涉及一种磁性可调的磁性绝缘体薄膜，可应用于磁性存储器件。本发明专利技术为[磁性层/非磁层]

【技术实现步骤摘要】
一种磁性可调的磁性绝缘体薄膜


[0001]本专利技术属于磁性材料
，具体涉及一种磁性可调的磁性绝缘体薄膜，其垂直磁各向异性、磁阻尼系数和DMI磁性可调，可应用于磁性存储器件。

技术介绍

[0002]随着信息技术发展越来越快，人们对于提升信息存储器件的存储密度和读写速度，同时降低器件能耗的需求日益增加，因此利用电子自旋自由度来存储和处理信息的自旋电子学成为电子工业中非常有前景的领域。
[0003]最近，一类新型磁存储器，即自旋轨道力矩磁性随机存储器(SOT
‑
MRAM)具有低能耗、高存储密度、读写高速等优良特性，因而引起广泛关注。相对于第二代磁性存储器件，即自旋转移力矩磁性随机存储器(STT
‑
MRAM)来说，SOT
‑
MARM能耗更低、使用寿命更长、且写入速度更快。
[0004]SOT
‑
MARM是利用面内电流通过底层重金属，产生自旋流并注入到磁性层中，利用自旋轨道力矩效应并结合多种方式使磁性层的磁化方向产生确定性的翻转，进而来实现数据的写入。另外，另一类同样被认为具有极大发展潜力的磁存储器件是斯格明子赛道存储器(skyrmion racetrack memory)；它最大的特点是将比均匀磁化更加稳定的微小拓扑磁结构斯格明子作为磁存储单元，且可将存储的维度由二维扩展到三维，因此它的存储密度相对于机械硬盘或MRAM有更大的发展空间，也很有可能在将来成为第三代磁性存储器件。而磁性薄膜中小尺寸斯格明子的稳定，需要足够大的非共线交换相互作用DMI。DMI(Dzyaloshinskii
‑
Moriya Interaction)的本质即为原子的超交换相互作用与自旋轨道耦合共同作用的结果。DMI分为体DMI和界面DMI。体DMI一般由材料内部的磁性原子和具有强自旋轨道耦合的原子产生的，而界面DMI则是因为界面反转对称性破缺而引发的相互作用，这是一种存在于界面处的相互作用。由界面DMI产生的小型织构通常为奈尔型斯格明子，多存在具有界面DMI的薄膜或者多层膜结构中。界面DMI在铁磁纳米结构的磁动力学中起着关键作用。近年来，不断有研究报导关于一些较为独特的多层膜材料，拓宽了斯格明子存在的材料体系。
[0005]如前面所述，在巨大的潜在应用价值的驱动下，目前已经有大量的研究人员投入到SOT
‑
MRAM和斯格明子赛道存储器的研究中。人们正从不同的方面努力推动着二者朝着能量高效、高存储密度、读写高速的下一代磁存储器件的方向发展。在材料方面，SOT
‑
MRAM和斯格明子赛道存储器核心结构都是磁性层/非磁层双层膜异质结，且磁性层需要具有垂直磁各向异性的特点。目前此类课题中已被研究的垂直磁性绝缘体还非常有限，主要集中在BaFe
12
O
19
，Tm3Fe5O
12
和Gd3Fe5O
12
。而且磁性绝缘体相对于磁性金属的最大优势之一是他们的磁阻尼系数要小，从而能在更小的电流密度下更快地驱动其磁矩翻转。然而目前实验上能制备的垂直磁性绝缘体薄膜在这方面优势其实并不明显，它们的磁阻尼系数均在10
‑3量级甚至更大，仅仅能与一些较高质量的磁性金属薄膜相当，这将很大程度上限制SOT
‑
MRAM和斯格明子赛道存储器的发展。

技术实现思路

[0006]针对上述存在问题或不足，为解决垂直磁性绝缘体垂直磁各向异性低、磁阻尼系数大、DMI弱的问题，本专利技术提供了一种磁性可调的磁性绝缘体薄膜，在垂直磁各向异性、磁阻尼系数和DMI三方面可调。
[0007]一种磁性可调的磁性绝缘体薄膜，为[磁性层/非磁层]×
n
或[非磁层1/磁性层/非磁层2]×
n
垂直磁化的超晶格结构薄膜，n为叠层周期数，1<n<10。
[0008]所述磁性层为单层或双层的稀土铁石榴石化合物，厚度0.1
‑
100nm。
[0009]所述非磁层选用与磁性层晶体结构相同、晶格常数相近的非磁性石榴石，厚度0.1
‑
20nm。
[0010]由于稀土铁石榴石化合物具有很大的磁致伸缩常数因此可以利用非磁层与磁性层的晶格失配来诱导磁性层产生垂直磁各向异性，即当磁性层为具有负磁致伸缩系数的磁性石榴石材料时，非磁层选自晶格常数大于磁性层的非磁石榴石薄膜；当磁性层为具有正磁致伸缩系数的磁性石榴石材料时，非磁层选自晶格常数小于磁性层的非磁石榴石薄膜。
[0011]而实际制备时，非磁层的材料本身可作为衬底使用，因此可通过选取合适的非磁层，利用应力诱导的磁弹各向异性，并结合室温生长非晶薄膜然后高温退火晶化的方法获得高质量表面平整的垂直磁化的超晶格结构薄膜。需要强调的是稀土铁石榴石化合物是亚铁磁绝缘材料，其亚铁磁有序主要来源于a位Fe
3+
离子和d位Fe
3+
离子之间的超交换相互作用，而非磁性石榴石由于不含磁性Fe
3+
离子，因此非磁层对于本专利技术构造的磁性层/非磁层异质结构的磁性没有影响。
[0012]进一步的，所述磁性层与非磁层晶格失配大小的范围为0.1～2.5％。
[0013]进一步的，所述磁性层的材料为Y3Fe5O
12
(YIG)，Tm3Fe5O
12
(TmIG)，Gd3Fe5O
12
(GdIG)，Tb3Fe5O
12
(TbIG)，Dy3Fe5O
12
(DyIG)，Ho3Fe5O
12
(HoIG)，Er3Fe5O
12
(ErIG)，Yb3Fe5O
12
(YbIG)，Sm3Fe5O
12
(SmIG)或Eu3Fe5O
12
(EuIG)。
[0014]进一步的，所述非磁层的材料为Gd3Ga5O
12
(GGG)、掺杂GGG(substituted GGG，sGGG)、Y3Al5O
12
(YAG)、Tm3Ga5O
12
(TGG)、Nd3Ga5O
12
(NGG)、Y3(Sc2Ga3)O
12
(YSGG)、(Gd
0.63
Y
2.37
)(Sc2Ga3)O
12
(GYSGG)或Gd3(Sc2Ga3)O
12
(GSGG)。
[0015]进一步的，所述磁性层为双层磁性薄膜，双层磁性薄膜分别为面内磁化层和垂直磁化层，使得层间界面处存在层间交换耦合相互作用，以使垂直磁化层获得一个来自于面内磁化层的有效磁场以达到破坏对称性的目的，从而使得垂直磁化层的磁矩从上至下的翻转和从下至上的翻转所需要施加的电流方向不同，以实现零磁场下SOT磁化翻转。
[0016]例如：[EuI本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磁性可调的磁性绝缘体薄膜，其特征在于：为[磁性层/非磁层]
×
n
或[非磁层1/磁性层/非磁层2]
×
n
垂直磁化的超晶格结构薄膜，n为超晶格结构薄膜的周期数，1<n<10；所述磁性层为为单层或双层的稀土铁石榴石化合物，厚度0.1
‑
100nm；所述非磁层选用与磁性层晶体结构相同、晶格常数相近的非磁性石榴石，厚度0.1
‑
20nm；当磁性层为具有负磁致伸缩系数的磁性材料时，非磁层选自晶格常数大于磁性层的材料；当磁性层为具有正磁致伸缩系数的磁性材料时，非磁层选自晶格常数小于磁性层的材料。2.如权利要求1所述磁性可调的磁性绝缘体薄膜，其特征在于：所述磁性层与非磁层晶格失配大小的范围为0.1～2.5％。3.如权利要求1所述磁性可调的磁性绝缘体薄膜，其特征在于：所述磁性层的材料为Y3Fe5O
12
(YIG)，Tm3Fe5O
12
(TmIG)，Gd3Fe5O
12
(GdIG)，Tb3Fe5O
12
(TbIG)，Dy3Fe5O
12
(DyIG)，Ho3Fe5O
12
(HoIG)，Er3Fe5O
12
(ErIG)，Yb3Fe5O
12
...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，陈姝瑶，谭碧，谢云飞，刘冬华，邓龙江，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：