CN104347226A - 一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜 - Google Patents
一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜 Download PDFInfo
- Publication number
- CN104347226A CN104347226A CN201310311148.2A CN201310311148A CN104347226A CN 104347226 A CN104347226 A CN 104347226A CN 201310311148 A CN201310311148 A CN 201310311148A CN 104347226 A CN104347226 A CN 104347226A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- magnetic
- skyrmion
- thickness
- ferromagnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Landscapes
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
Abstract
本发明提供了一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，包括依次设置的衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、自由层、覆盖层，其中，所述自由层为磁性斯格明子层或者其钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层，并将此基于磁性斯格明子层的磁性多层膜为基础制作隧穿磁电阻磁性隧道结、巨磁电阻纳米多层膜和巨磁电阻纳米柱。能够在较低临界电流密度下实现自由层磁矩的翻转，并实现磁性多层膜体系在高电阻态和低电阻态之间的转变；磁性多层膜的自由层和钉扎层均为磁性斯格明子层，能够在较低临界电流密度下实现自由层磁矩的翻转，从而操控磁性多层膜体系在高电阻态和低电阻态间变化，从而实现“0”和“1”的数据存储及相关的磁性传感器功能。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子学材料与原理型器件领域，具体地说，涉及一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜。
背景技术
一般的隧穿磁电阻磁性隧道结、巨磁电阻纳米多层膜和巨磁电阻纳米柱的核心结构包括两层铁磁性薄膜、及其中间一层隔离层（通常称为三明治结构）。当两层铁磁性薄膜的磁矩处于平行排列的状态，体系表现出较低的电阻值（低电阻态）；当两层铁磁性薄膜的磁矩处于反平行排列的状态，体系表现出较高的电阻值（高电阻态）。高/低电阻值决定了隧穿磁电阻效应（中间隔离层为绝缘薄膜，如Al2O3、MgO、MgAlO等）和巨磁电阻效应（中间隔离层为导电薄膜，如Cu、Cr等）比值的大小。对于一般的磁性隧道结、巨磁电阻多层膜和巨磁电阻纳米柱，只有当通过它的电流密度达到106～107A/cm2量级时，自由层的磁矩才会发生翻转。
上述磁性隧道结、巨磁电阻多层膜和巨磁电阻纳米柱，其若实现自由层的磁矩翻转需要较大的电流密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，能够在较低的电流密度下，实现自由层磁矩的翻转。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，包括依次设置的衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、自由层、覆盖层，其中，所述自由层为磁性斯格明子层。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述钉扎层为铁磁层，或者为由反铁磁层和铁磁层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部铁磁层、夹层和顶部铁磁层组成的多层膜结构。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层具有面内各向异性或垂直各向异性。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述磁性斯格明子钉扎层为磁性斯格明子层，或者为由反铁磁层和磁性斯格明子层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部磁性斯格明子层、夹层和顶部磁性斯格明子层组成的多层膜结构。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述磁性斯格明子层为具有面内涡旋磁矩结构的合金材料、多铁材料或者反铁磁材料；所述磁性斯格明子层的厚度为2-30nm。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，具有面内各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中的底部铁磁层和顶部铁磁层的厚度为2-20nm，其构成材料为自旋极化率大于50%的铁磁金属，或者所述铁磁性金属的合金，或者稀磁半导体材料，或者半金属材料。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，具有垂直各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层为：厚度为1-1.5nm的自旋极化率比较高的铁磁合金；或者[Co/(Pd,Pt)]n多层膜，其中Co的厚度为0.2-1nm，Pd或者Pt厚度为1-2nm，周期n为2～10；或者L10相的(Co,Fe)-Pt合金，厚度为5-30nm；或者稀土-过渡金属合金，其厚度为5-30nm。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述衬底为绝缘材料，其厚度为0.3-1mm；
所述缓冲层是能够和衬底紧密结合的非磁性单层金属层或多层复合金属薄膜；
所述夹层为非磁性金属层，其厚度为0.2-1.5nm；
所述反磁层为厚度为3～30nm的反铁磁性的合金材料，或者厚度为5～50nm且具有反铁磁性的氧化物；
所述隔离层为厚度为1-5nm的绝缘层，或者厚度为0.2-100nm的非磁性金属层；
所述覆盖层为不易被氧化且导电性良好的金属层，其厚度为10-100nm。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述磁性斯格明子层的翻转电流密度为102A/cm2量级。
本发明的有益效果为：本发明通过提供一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，该多层膜的自由层为磁性斯格明子层和/或其钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层，并将此基于磁性斯格明子层的磁性多层膜为基础制作隧穿磁电阻磁性隧道结、巨磁电阻纳米多层膜和巨磁电阻纳米柱。能够在较低临界电流密度（102A/cm2量级）下实现自由层磁矩的翻转，并实现磁性多层膜体系在高电阻态和低电阻态之间的转变；磁性多层膜的自由层和钉扎层均为磁性斯格明子层，能够在较低临界电流密度（102A/cm2量级）下实现自由层磁矩的翻转，从而操控磁性多层膜体系在高电阻态和低电阻态间变化，从而实现“0”和“1”的数据存储及相关的磁性传感器功能。
附图说明
图1是本发明具体实施方式一提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图2是本发明具体实施方式二提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图3是本发明具体实施方式三提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图4是本发明具体实施方式四提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图5是本发明具体实施方式五提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图6是本发明具体实施方式六提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图7是本发明具体实施方式七提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图8是本发明具体实施方式八提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图9是本发明具体实施方式九提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施方式一
本申请提供了一种基于磁性斯格明子层的多层膜，其可以在较低的翻转电流密度下实现磁矩翻转，并适用于制造隧穿磁电阻磁性隧道结、巨磁电阻纳米多层膜和巨磁电阻纳米柱。
上述基于磁性斯格明子层的多层膜，包括依次设置的衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、自由层、覆盖层，其中，自由层为磁性斯格明子层。
且上述钉扎层为铁磁层，或者为由反铁磁层和铁磁层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部铁磁层、夹层和顶部铁磁层组成的多层膜结构。
上述铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层均分为两类，其中第一类具有面内各向异性，第二类具有垂直各向异性。即铁磁层具有面内各向异性或垂直各向异性，双层膜中的铁磁层具有面内各向异性或垂直各向异性，多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层均具有面内各向异性或垂直各向异性。
其中，具有面内各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中的底部铁磁层和顶部铁磁层的厚度为2-20nm，其构成材料为采用自旋极化率比较高（即自旋极化率大于50%）的铁磁金属，优选Co、Fe、Ni；或者上述铁磁性金属的合金薄膜，优选CoFe、CoFeB、NiFeCr或NiFe等铁磁性合金，厚度为2～20nm；以及GaMnAs、GaMnN等稀磁半导体材料和CoMnSi、CoFeAl、CoFeSi、CoMnAl、CoFeAlSi、CoMnGe、CoMnGa、CoMnGeGa、La1-xSrxMnO3、La1-xCaxMnO3等半金属材料，厚度为2～50nm。具有垂直各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层为：采用自旋极化率比较高的铁磁合金，优选CoFeB，厚度为1～1.5nm；以及[Co/(Pd,Pt)]n多层膜，Co厚度为0.2～1nm，Pd或者Pt厚度为1～2nm，周期n为2～10；以及L10相的(Co,Fe)-Pt合金，厚度为5～30nm；以及稀土-过渡金属合金，优选GdCoFe、TbCoFe，厚度为5～30nm。
构成钉扎层的反铁磁层包括具有反铁磁性的合金材料，优选PtMn、IrMn、FeMn和NiMn，厚度为3～30nm；以及具有反铁磁性的氧化物，优选CoO、NiO，厚度为5～50nm。
构成钉扎层的夹层为非磁性金属层，一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度为0.2～1.5nm。
在此实施方式中，优选的，钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层。更为具体的：磁性斯格明子钉扎层为磁性斯格明子层，或者为由反铁磁层和磁性斯格明子层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部磁性斯格明子层、夹层和顶部磁性斯格明子层组成的多层膜结构。
其中，构成自由层或钉扎层的磁性斯格明子层为具有面内涡旋磁矩结构的合金材料，优选FeCoSi、MnSi、FeGe，厚度为2～30nm；以及具有面内涡旋磁矩结构的多铁材料Cu2OSeO3，厚度为2～30nm；以及具有面内涡旋磁矩结构的反铁磁材料La2CuxLi1-xO4，厚度为2～30nm。
且上述磁性斯格明子层临界翻转电流密度为102A/cm2量级。
衬底为绝缘材料，优选Si、SiC、玻璃、MgO、SrTiO3或Si-SiO2衬底，厚度为0.3～1mm。
缓冲层是能够和衬底结合较紧密的非磁性金属层（包括单层或者多层复合金属薄膜），其材料优选Ta、Ru、Cr、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、CuN等，厚度可为2～100nm。
隔离层为绝缘层或非磁性金属层；
其中：绝缘层为绝缘物质，一般采用AlOx、MgO、Mg1-xZnxO、AlN、Ta2O5、ZnO、HfO2、TiO2、Alq3、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs等材料制作，优选MgO、AlOx、Mg1-xZnxO、AlN和Alq3、LB有机复合薄膜，厚度一般在为1～5nm。
非磁性金属层，一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度为0.2～100nm。
覆盖层为不易被氧化且导电性比较好的的金属层（包括单层或者多层复合金属薄膜），其材料优选Ta、Ru、Cu、Ag、Au、Al、Pt等，厚度为10～100nm，用于保护磁性多层膜结构不被氧化。
为了对上述基于磁性斯格明子层的多层膜进行进一步的解释，本实施方式还提供了上述多层膜的制备过程：
利用磁控溅射、分子束外延、热蒸发、电子束蒸发、原子层沉积和脉冲激光束沉积等薄膜制备技术生长磁性多层膜结构：该多层膜结构依次为衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层，以及衬底、缓冲层、磁性斯格明子钉扎层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。以上述的磁性多层膜结构（隔离层为绝缘层）为基础，采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子薄膜作为自由层以及磁性斯格明子薄膜作为自由层和钉扎层的磁性隧道结；通过上述的磁性多层膜结构（隔离层为金属层），可以直接用磁性斯格明子薄膜作为自由层以及磁性斯格明子薄膜为自由层和钉扎层的巨磁电阻纳米多层膜；以述的磁性多层膜结构（隔离层为金属层）为基础，采用微纳加工工艺包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层以及磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的巨磁电阻纳米柱。
下面结合具体实施例对本发明作进一步地描述。
图1为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：依次为衬底、缓冲层、铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，铁磁层具有面内各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
在此实施方式中，上述多层膜的具体制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积铁磁层CoFeB4nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积隔离层AlOx1nm;
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层AlOx上沉积磁性斯格明子自由层FeCoSi5nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeCoSi上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式二
图2为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，铁磁层具有面内各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta5nm；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积铁磁层CoFeB4nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积隔离层MgO1nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层MnSi5nm;
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层MnSi上沉积覆盖层Ta5nm。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的隧穿磁电阻磁性隧道结。
实施方式三
图3为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、底部铁磁层、夹层、顶部铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，底部铁磁层和顶部铁磁层均具有面内各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(30nm)/Ta(5nm)；；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积底部铁磁层CoFe2.5nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在底部铁磁层CoFe上沉积夹层Ru0.9nm；
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在夹层Ru上沉积顶部铁磁层CoFeB3nm；
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在顶部铁磁层CoFeB上沉积隔离层MgO1nm;
7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层FeGe5nm;
8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeGe上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式四
图4为中磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，铁磁层具有垂直各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(10nm)/Ta(5nm)；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积铁磁层CoFeB1nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积隔离层MgO1nm;
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层FeCoSi5nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeCoSi上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式五
图5为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，铁磁层具有垂直各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta5nm；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积铁磁层[Pd(1nm)/Co(0.2nm)]56nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层[Pd/Co]5上沉积隔离层MgO1nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层MnSi5nm;
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层MnSi上沉积覆盖层Ta5nm。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式六
图6为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、底部铁磁层、夹层、顶部铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，底部铁磁层和顶部铁磁层均具有垂直各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(30nm)/Ta(5nm)；；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积底部铁磁层[Pt(1nm)/Co(0.3nm)]1013nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在底部铁磁层[Pt/Co]10上沉积夹层Ru0.9nm；
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在夹层Ru上沉积顶部铁磁层[Co(0.3nm)/Pt(1nm)]56.5nm；
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在顶部铁磁层[Co/Pt]5上沉积隔离层MgO1nm;
7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层FeGe5nm;
8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeGe上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式七
图7为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、磁性斯格明子层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，磁性斯格明子自由层和磁性斯格明子层均具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积磁性斯格明子层FeCoSi10nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子层FeCoSi上沉积隔离层AlOx1nm;
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层AlOx上沉积磁性斯格明子自由层MnSi5nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层MnSi上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的隧穿磁电阻磁性隧道结。
实施方式八
图8为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：衬底//缓冲层/反铁磁层/磁性斯格明子层/隔离层/磁性斯格明子自由层/覆盖层。其中隔离层为绝缘层，磁性斯格明子自由层和磁性斯格明子层具有面内涡旋磁矩结构。
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta5nm；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积磁性斯格明子层FeCoSi10nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子层FeCoSi上沉积隔离层MgO1nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层MnSi5nm;
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层MnSi上沉积覆盖层Ta5nm。
通过后续的常规半导体微纳加工工艺包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的隧穿磁电阻磁性隧道结。
实施方式九
图9为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、底部磁性斯格明子层、夹层、顶部磁性斯格明子层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，磁性斯格明子自由层、底部磁性斯格明子层和顶部磁性斯格明子层均具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(30nm)/Ta(5nm)；；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积底部磁性斯格明子层FeCoSi5nm;
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在底部磁性斯格明子层FeCoSi上沉积夹层Ru0.9nm；
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在夹层Ru上沉积顶部磁性斯格明子层FeCoSi5nm;
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在顶部磁性斯格明子层FeCoSi上沉积隔离层MgO1nm;
7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层FeGe5nm;
8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeGe上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的磁性隧道结。
实施方式十
在此实施方式中，磁性多层膜的结构与上述实施方式1-9任意一个多层膜的结构类似，其区别在于是隔离层由绝缘层变为金属层，如1纳米厚的Cu或Cr薄膜。在此实施方式中磁性多层膜结构，可以直接用作磁性斯格明子层作为自由层以及磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的巨磁电阻纳米多层膜。
实施方式十一
在此实施方式中，磁性多层膜的结构与上述实施方式1-9任意一个多层膜的结构类似，其区别在于中间层由绝缘层变为金属层，如1纳米厚的Ag薄膜。在此实施方式中磁性多层膜结构，通过后续的常规半导体微纳加工工艺包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的巨磁电阻纳米柱。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，包括依次设置的衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、自由层、覆盖层，其特征在于，所述自由层为磁性斯格明子层。
2.如权利要求1所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述钉扎层为铁磁层，或者为由反铁磁层和铁磁层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部铁磁层、夹层和顶部铁磁层组成的多层膜结构。
3.如权利要求2所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层具有面内各向异性或垂直各向异性。
4.如权利要求2所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层。
5.如权利要求2所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性斯格明子钉扎层为磁性斯格明子层，或者为由反铁磁层和磁性斯格明子层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部磁性斯格明子层、夹层和顶部磁性斯格明子层组成的多层膜结构。
6.如权利要求1-4任意一项所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性斯格明子层为具有面内涡旋磁矩结构的合金材料、多铁材料或者反铁磁材料；所述磁性斯格明子层的厚度为2-30nm。
7.如权利要求3所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，具有面内各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中的底部铁磁层和顶部铁磁层的厚度为2-20nm，其构成材料为自旋极化率大于50%的铁磁金属，或者所述铁磁性金属的合金，或者稀磁半导体材料，或者半金属材料。
8.如权利要求3所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，具有垂直各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层为：厚度为1-1.5nm的自旋极化率比较高的铁磁合金；或者[Co/(Pd,Pt)]n多层膜，其中Co的厚度为0.2-1nm，Pd或者Pt厚度为1-2nm，周期n为2～10；或者L10相的(Co,Fe)-Pt合金，厚度为5-30nm；或者稀土-过渡金属合金，其厚度为5-30nm。
9.如权利要求2所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，
所述衬底为绝缘材料，其厚度为0.3-1mm；
所述缓冲层是能够和衬底紧密结合的非磁性单层金属层或多层复合金属薄膜；
所述夹层为非磁性金属层，其厚度为0.2-1.5nm；
所述反磁层为厚度为3～30nm的反铁磁性的合金材料，或者厚度为5～50nm且具有反铁磁性的氧化物；
所述隔离层为厚度为1-5nm的绝缘层，或者厚度为0.2-100nm的非磁性金属层；
所述覆盖层为不易被氧化且导电性良好的金属层，其厚度为10-100nm。
10.如权利要求6所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性斯格明子层的翻转电流密度为102A/cm2量级。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310311148.2A CN104347226B (zh) | 2013-07-23 | 2013-07-23 | 一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201310311148.2A CN104347226B (zh) | 2013-07-23 | 2013-07-23 | 一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN104347226A true CN104347226A (zh) | 2015-02-11 |
| CN104347226B CN104347226B (zh) | 2017-05-10 |
Family
ID=52502654
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201310311148.2A Active CN104347226B (zh) | 2013-07-23 | 2013-07-23 | 一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN104347226B (zh) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108154990A (zh) * | 2016-12-02 | 2018-06-12 | 中国科学院物理研究所 | 多层膜中非易失性斯格明子的生成方法 |
| TWI640000B (zh) * | 2015-03-31 | 2018-11-01 | 國立研究開發法人科學技術振興機構 | Smear generation device, sigmoid generation method and magnetic memory device |
| CN110211614A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-06 | 湖北大学 | 一种基于磁性斯格明子的锁存器与触发器及控制方法 |
| CN110246959A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-09-17 | 深圳市思品科技有限公司 | 一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器 |
| CN110911085A (zh) * | 2019-08-22 | 2020-03-24 | 钢铁研究总院 | 具有斯格明子结构的低矫顽力的稀土-Fe-B复合薄膜及制备方法 |
| CN111074129A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-04-28 | 杭州电子科技大学 | 一种稀土基磁性斯格明子材料、制备方法及其应用 |
| CN111415001A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-07-14 | 香港中文大学（深圳） | 基于斯格明子的电子神经元及人工神经网络 |
| CN111446361A (zh) * | 2020-04-05 | 2020-07-24 | 华中科技大学 | 一种热辅助磁性斯格明子存储器及数据写入方法 |
| CN111785828A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-10-16 | 北京航空航天大学 | 基于斯格明子的人工突触器件 |
| CN113285017A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-20 | 南京邮电大学 | 基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件 |
| WO2022062427A1 (zh) * | 2021-05-17 | 2022-03-31 | 中国科学院微电子研究所 | 全电控自旋电子神经元器件、神经元电路和神经网络 |
| CN117202765A (zh) * | 2023-10-26 | 2023-12-08 | 北京科技大学 | 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040136120A1 (en) * | 2003-01-15 | 2004-07-15 | Hitachi, Ltd. | Three terminal magnetic head and magnetic recording apparatus provided with the said head |
| US20050266274A1 (en) * | 2004-06-01 | 2005-12-01 | Alps Electric Co., Ltd. | Magnetic sensor using half-metal for pinned magnetic layer |
| US20070297103A1 (en) * | 2006-06-21 | 2007-12-27 | Headway Technologies, Inc. | Novel way to reduce the ordering temperature for Co2MnSi-like Heusler alloys for CPP, TMR, MRAM, or other spintronics device applications |
| CN101252166A (zh) * | 2007-02-19 | 2008-08-27 | 富士通株式会社 | 磁阻器件、磁头、磁存储设备以及磁存储器 |
| CN103109322A (zh) * | 2010-07-16 | 2013-05-15 | 格兰迪斯股份有限公司 | 用于提供具有层叠的自由层的磁隧穿结元件的方法和系统以及使用这样的磁性元件的存储器 |
-
2013
- 2013-07-23 CN CN201310311148.2A patent/CN104347226B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040136120A1 (en) * | 2003-01-15 | 2004-07-15 | Hitachi, Ltd. | Three terminal magnetic head and magnetic recording apparatus provided with the said head |
| US20050266274A1 (en) * | 2004-06-01 | 2005-12-01 | Alps Electric Co., Ltd. | Magnetic sensor using half-metal for pinned magnetic layer |
| US20070297103A1 (en) * | 2006-06-21 | 2007-12-27 | Headway Technologies, Inc. | Novel way to reduce the ordering temperature for Co2MnSi-like Heusler alloys for CPP, TMR, MRAM, or other spintronics device applications |
| CN101252166A (zh) * | 2007-02-19 | 2008-08-27 | 富士通株式会社 | 磁阻器件、磁头、磁存储设备以及磁存储器 |
| CN103109322A (zh) * | 2010-07-16 | 2013-05-15 | 格兰迪斯股份有限公司 | 用于提供具有层叠的自由层的磁隧穿结元件的方法和系统以及使用这样的磁性元件的存储器 |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI640000B (zh) * | 2015-03-31 | 2018-11-01 | 國立研究開發法人科學技術振興機構 | Smear generation device, sigmoid generation method and magnetic memory device |
| US10134460B2 (en) | 2015-03-31 | 2018-11-20 | Japan Science And Technology Agency | Skyrmion generation device, skyrmion generation method, and magnetic memory device |
| CN108154990A (zh) * | 2016-12-02 | 2018-06-12 | 中国科学院物理研究所 | 多层膜中非易失性斯格明子的生成方法 |
| CN110246959A (zh) * | 2019-06-10 | 2019-09-17 | 深圳市思品科技有限公司 | 一种基于反铁磁斯格明子的微波振荡器 |
| CN110211614B (zh) * | 2019-06-13 | 2021-03-02 | 湖北大学 | 一种基于磁性斯格明子的锁存器与触发器及控制方法 |
| CN110211614A (zh) * | 2019-06-13 | 2019-09-06 | 湖北大学 | 一种基于磁性斯格明子的锁存器与触发器及控制方法 |
| CN110911085A (zh) * | 2019-08-22 | 2020-03-24 | 钢铁研究总院 | 具有斯格明子结构的低矫顽力的稀土-Fe-B复合薄膜及制备方法 |
| CN111074129A (zh) * | 2019-12-05 | 2020-04-28 | 杭州电子科技大学 | 一种稀土基磁性斯格明子材料、制备方法及其应用 |
| CN111415001A (zh) * | 2020-03-11 | 2020-07-14 | 香港中文大学（深圳） | 基于斯格明子的电子神经元及人工神经网络 |
| CN111415001B (zh) * | 2020-03-11 | 2023-03-21 | 香港中文大学（深圳） | 基于斯格明子的电子神经元及人工神经网络 |
| CN111446361A (zh) * | 2020-04-05 | 2020-07-24 | 华中科技大学 | 一种热辅助磁性斯格明子存储器及数据写入方法 |
| CN111785828A (zh) * | 2020-07-03 | 2020-10-16 | 北京航空航天大学 | 基于斯格明子的人工突触器件 |
| CN113285017A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-20 | 南京邮电大学 | 基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件 |
| CN113285017B (zh) * | 2021-04-23 | 2022-08-05 | 南京邮电大学 | 基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件 |
| WO2022062427A1 (zh) * | 2021-05-17 | 2022-03-31 | 中国科学院微电子研究所 | 全电控自旋电子神经元器件、神经元电路和神经网络 |
| CN117202765A (zh) * | 2023-10-26 | 2023-12-08 | 北京科技大学 | 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法 |
| CN117202765B (zh) * | 2023-10-26 | 2024-02-09 | 北京科技大学 | 降低自旋轨道矩临界电流密度的磁性多层膜及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104347226B (zh) | 2017-05-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN104347226B (zh) | 一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜 | |
| US9484527B2 (en) | Nanometer magnetic multilayer film for temperature sensor and manufacturing method therefor | |
| CN110741487B (zh) | 对于具有垂直磁异向性的磁性装置应用在高温退火后保持矫顽磁场 | |
| US8268641B2 (en) | Spin transfer MRAM device with novel magnetic synthetic free layer | |
| CN108352447B (zh) | 于高温退火后保持高矫顽力的具有垂直磁各向异性的磁性组件 | |
| CN109755382B (zh) | 一种垂直磁电阻元件的顶覆盖层及其制作方法 | |
| US8772886B2 (en) | Spin transfer torque magnetic random access memory (STTMRAM) having graded synthetic free layer | |
| US7480173B2 (en) | Spin transfer MRAM device with novel magnetic free layer | |
| EP1801895B1 (en) | MgO/Nife MTJ for high performance MRAM application | |
| US7679155B2 (en) | Multiple magneto-resistance devices based on doped magnesium oxide | |
| CN108182958B (zh) | 用于多层磁性材料的改良式晶种层 | |
| EP2718928B1 (en) | Spin-torque magnetoresistive memory element and method of fabricating same | |
| KR100663857B1 (ko) | 스핀 주입 디바이스 및 이를 사용한 자기 장치, 그리고이들에 사용되는 자성 박막 | |
| JP4834834B2 (ja) | トンネル磁気抵抗素子、不揮発性磁気メモリ、発光素子および３端子素子 | |
| CN108232003A (zh) | 一种垂直型磁电阻元件及其制造方法 | |
| WO2012128891A1 (en) | Magnetic tunnel junction with iron dusting layer between free layer and tunnel barrier | |
| WO2012148587A1 (en) | Magnetic stacks with perpendicular magnetic anisotropy for spin momentum transfer magnetoresistive random access memory | |
| CN103531707A (zh) | 磁性隧道结 | |
| CN102637939B (zh) | 一种基于垂直磁化自由层的自旋微波振荡器及其制造方法 | |
| JP2011233900A (ja) | スピントロニクス素子、スピントロニクス素子の性能向上方法および製造方法、ならびに磁気読み取りヘッドおよびその製造方法 | |
| CN106129245B (zh) | 基于铁磁绝缘体的磁隧道结 | |
| US11316102B2 (en) | Composite multi-stack seed layer to improve PMA for perpendicular magnetic pinning | |
| CN108987563A (zh) | 磁性结、磁性存储器以及提供所述磁性结的方法 | |
| CN111244266A (zh) | 磁存储器 | |
| CN1988199A (zh) | 一种适于器件化的磁性隧道结及其用途 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |