一种基于亚铁磁梯度多层膜的调控自旋轨道矩效率的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于亚铁磁梯度多层膜的调控自旋轨道矩效率的方法，即利用自旋霍尔效应和体

【技术实现步骤摘要】
一种基于亚铁磁梯度多层膜的调控自旋轨道矩效率的方法


[0001]本专利技术属于信息
，具体提供一种基于亚铁磁梯度多层膜的调控自旋轨道矩效率的方法
。

技术介绍

[0002]基于自旋轨道矩
(Spin
‑
orbit torque,SOT)
效应的自旋电子学器件具有低功耗
、
快速读写和非易失的优点，在磁性存储技术中具有广阔的应用前景
。SOT
实现磁性存储的具体方式是，利用极化的自旋流对磁性材料的磁矩施加转矩作用，驱动磁矩完成翻转
。
强自旋轨道耦合的重金属材料中的自旋霍尔效应是极化自旋流的主要来源，但重金属和磁性材料之间的界面散射减弱了极化自旋流的
SOT
作用效果
。
[0003]在具有空间反演对称性破缺的体系中，
Rashba
效应可以产生非零的极化自旋流
。
基于此，在磁性多层膜中人为地构造成分梯度，就可以相应地产生空间反演对称性破缺，进而通过体
Rashba
效应产生净的极化自旋流，最终可以驱动磁性多层膜自身的磁矩的翻转
。
[0004]在同时含有重金属材料和成分梯度磁性多层膜的材料结构中，重金属材料中的自旋霍尔效应和成分梯度磁性多层膜中的体
Rashba
效应会同时提供极化自旋流，但两种极化自旋流的相互作用尚不明确
。
阐明两种极化自旋流在驱动磁矩翻转过程中的竞争或协同机制，将为下一代高性能
、
低功耗自旋电子学器件的研究奠定基础
。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于亚铁磁梯度多层膜的调控自旋轨道矩效率的方法，目的是利用亚铁磁梯度多层膜中体
Rashba
效应提供的额外的极化自旋流弥补重金属和磁性材料界面处极化自旋流的损失，实现
SOT
效率的增强
。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种基于亚铁磁梯度多层膜的调控自旋轨道矩效率的方法：利用自旋霍尔效应和体
Rashba
效应的综合作用设计亚铁磁梯度多层膜结构，所述亚铁磁梯度多层膜结构为：衬底
/
缓冲层
/N
层磁性层
/
保护层，
N
为大于等于1的自然数，每层磁性层由一层
Tb
层和一层
Co
层组成，不同磁性层中
Tb
层厚度不变，
Co
层的厚度线性地递增或递减，
Co
层厚度梯度方向的翻转会改变自旋霍尔效应和体
Rashba
效应的协同或竞争作用，从而提高或降低自旋轨道矩效率
。
[0008]本专利技术所述缓冲层和保护层由自旋霍尔角符号相反的重金属材料制备而成，缓冲层和保护层向中间磁性层提供自旋极化方向相同的自旋流
。
[0009]本专利技术还提供了一种可调控自旋轨道矩效率的亚铁磁梯度多层膜，所述亚铁磁梯度多层膜结构为：衬底
/Ta
缓冲层
/N
层磁性层
/Pt
保护层，其中
N
为大于等于1的自然数，每层磁性层由一层
Tb
层和一层
Co
层组成，其中不同磁性层中
Tb
层厚度不变，
Co
层的厚度线性地递增或递减
。
[0010]本专利技术所述缓冲层和保护层分别选用具有强自旋轨道耦合的重金属材料
Ta
和
Pt
，
由于
Ta
和
Pt
具有相反的自旋霍尔角符号，所以缓冲层和保护层会向中间梯度亚铁磁层注入具有相同极化方向的自旋流
。Co
层厚度的递增或递减的梯度变化产生的空间反演对称性破缺诱导出了体
Rashba
效应；通过体
Rashba
效应极化的自旋流具有和重金属材料自旋霍尔效应提供的自旋流相同或相反的极化方向，两种不同来源的极化自旋流之间的协同或竞争作用实现了对自旋轨道矩效率的有效调控
。
[0011]作为优选的技术方案：
[0012]所述
Tb
层的厚度为
0.6
纳米，
Co
层的厚度为
0.3
‑
1.1
纳米，且
Co
层的厚度以
0.1
纳米或
0.2
纳米为变化步长线性地逐层递增或递减
。
本专利技术构造出具有纵向成分梯度的
TbCo
多层膜，
Co
层厚度的梯度变化产生了成分的空间反演对称性破缺，通过体
Rashba
效应可以提供非零的极化自旋流
。
[0013]所述衬底为单晶硅或热氧化处理过的硅基片
。
[0014]为了避免刻蚀过程中氩离子轰击对稀土磁性的不利影响，本专利技术通过光刻剥离工艺
(Lift
‑
off)
制备所述可调控自旋轨道矩效率的亚铁磁梯度多层膜，包括如下步骤：
[0015]第一步：衬底涂光刻胶
、
显影曝光
、
形成霍尔棒的空心图案；
[0016]第二步：在衬底上溅射
Ta
制备
Ta
缓冲层，然后在
Ta
缓冲层上面交替制备
Tb
和
Co
多层膜，获得具有成分梯度的
TbCo
磁性层
(
其中，
Co
层的溅射过程中，固定溅射功率不变，通过增加或减少溅射时间线性地改变
Co
层的厚度
)
；
[0017]第三步：乙醇清洗
、
超声除胶
、
获得霍尔棒器件；
[0018]第四步：生长电极获得用于电输运测试的亚铁磁梯度多层膜自旋电子学器件
。
[0019]本专利技术所述亚铁磁梯度多层膜可用于制备磁性存储自旋电子学器件，特别是基于自旋轨道矩效应的磁性随机存储器
(SOT
‑
MRAM)。
[0020]本专利技术所述自旋轨道矩效率的关键参数是通过谐波霍尔电压测试法
(Harmonic Hall voltage measurement)
获得的
。
本专利技术发现，与无成分梯度的亚铁磁多层膜相比较，
Co
层厚度逐层递增
(
递减
)
的梯度亚铁磁多层膜中的自旋轨道矩效率获得了减弱
(
提高
)。
[0021]本专利技术首次利用具有成分梯度的亚铁磁稀土过渡金属多层膜材料中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于亚铁磁梯度多层膜的调控自旋轨道矩效率的方法，其特征在于：利用自旋霍尔效应和体
Rashba
效应的综合作用设计亚铁磁梯度多层膜结构，所述亚铁磁梯度多层膜结构为：衬底
/
缓冲层
/N
层磁性层
/
保护层，
N
为大于等于1的自然数，每层磁性层由一层
Tb
层和一层
Co
层组成，不同磁性层中
Tb
层厚度不变，
Co
层的厚度线性地递增或递减，
Co
层厚度梯度方向的翻转会改变自旋霍尔效应和体
Rashba
效应的协同或竞争作用，从而提高或降低自旋轨道矩效率
。2.
按照权利要求1所述基于亚铁磁梯度多层膜的调控自旋轨道矩效率的方法，其特征在于：所述缓冲层和保护层由重金属材料制备而成，缓冲层和保护层向中间磁性层提供自旋极化方向相同的自旋流
。3.
一种可调控自旋轨道矩效率的亚铁磁梯度多层膜，其特征在于，所述亚铁磁梯度多层膜结构为：衬底
/Ta
缓冲层
/N
层磁性层
/Pt
保护层，其中
N
为大于等于1的自然数，每层磁性层由一层
Tb
层和一层
Co
层组成，其中不同磁性层中
Tb
层厚度不变，
Co
层的厚度线性地递增或递减
。4.
按照权利要求3所述可调控自旋轨道矩效率的亚铁磁梯度多层膜，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘龙，刘伟，赵晓天，张志东，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：