CN105931662B - 一种基于光调控的有机自旋存储单元 - Google Patents

一种基于光调控的有机自旋存储单元 Download PDF

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Abstract

一种基于光调控的有机自旋存储单元，该存储单元的结构由下至上依次为垂直堆叠的底端电极、铁磁金属层一、有机非铁磁层、铁磁金属层二、顶端电极；所述底端电极，包括金、铂、铜或其他非铁磁金属材料中的一种或多种；所述铁磁金属层一，包括铁、钴、镍、钴铁硼、镍铁、镧锶锰氧、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种；所述非铁磁有机层材料，包括三(8‑羟基喹啉)铝(Alq3)、α‑六噻吩(6T)或其他光敏有机材料中的一种或多种；所述铁磁金属层二，包括钴、钴铁、钴铁硼、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种；所述顶端电极，包括金、铂、铜或其他非铁磁金属材料中的一种或多种。

Description

一种基于光调控的有机自旋存储单元
【技术领域】
本发明涉及一种基于光调控的有机自旋存储单元，用于实现存储状态的光写入，属于自旋存储器技术领域。
【背景技术】
近些年来，新兴起的存储器技术正受到越来越多的关注并开始替代传统的存储器行业。其中最为成功的是自旋转移矩磁性随机存储器(Spin Transfer Torque MagneticRandom Access Memory，STT-MRAM)，它既具有很高的读写速度，而且集成度更高，漏电流更小，还具有掉电后信息不丢失的优势。自旋转移矩磁性随机存储器已逐步开始进行大规模工业生产，并进入市场。
目前自旋存储器件领域一个常用的存储单元结构是自旋阀，它的基本结构是垂直堆叠的铁磁层/非铁磁层/铁磁层，为防止铁磁层的氧化，常在铁磁层上加盖包覆层。铁磁层用于产生特定的自旋极化方向，常用的铁磁层包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)等铁磁金属及其合金；包覆层常用的的材料有金(Au)、铂(Pt)等。非铁磁层主要用于自旋传输，其材料特性对自旋阀的性能有较大影响。目前非铁磁层常用的材料分成两类，一类是无机材料(包括非铁磁金属和无机半导体)，一类是有机半导体材料。有机半导体除了成本低廉、重量轻、便于常温操作、电子属性可调、分子合成灵活等优点之外，其最大的优点是相比于其他无机半导体或金属材料具有更弱的自旋轨道相互作用、超精细相互作用和自旋散射机制，这使得它具有极长的自旋弛豫时间和自旋扩散长度，能够长距离自旋传输，在自旋器件制备中具有更大灵活性和便捷性。另外，有机半导体还可以通过光、热等外界条件改变其能带结构，从而影响自旋阀量子阱态能级分布，改变层间交换耦合的情况来改变电阻，使有机半导体具有更大的发展空间。
传统的自旋存储器件的读写方式为：磁写入，电读取。由于自旋阀的电阻取决于两个铁磁电极相对的磁化方向，因此具体应用中通过改变外加磁场来改变铁磁电极磁化方向，实现电阻大小的改变，分别实现“0”和“1”数据的存储，但是，这种自旋阀存储器件存在如下缺点：
1.写入过程中，需要大磁场实现铁磁电极磁化翻转，而大磁场需要外加很大电流，这就导致器件的写入功耗十分显著。
2.由于铁磁电极的磁滞回效应，磁场变化的速率受到限制，因此存储器件具有较大的写入延迟。
3.随着器件单元的集成化和小型化，相邻存储单元的磁场可能会相互影响，这就要求磁场的调控更加精细，从而加大了器件的制造难度和生产成本。
【发明内容】
一、发明目的：
针对上述背景中提到的自旋存储单元自旋阀存在的功耗、速率、成本、制作工艺等的问题，本发明提出了一种基于光调控的有机自旋存储单元，它克服了现有技术的不足，实现了光写入电读取，可以提高存储器的集成度和读写速率并降低功耗。
二、技术方案：
本发明的技术方案是，一种基于光调控的有机自旋存储单元，该存储单元的结构由下至上依次为垂直堆叠的底端电极、铁磁金属层一、非铁磁有机层、铁磁金属层二、顶端电极。
所述底端电极，包括金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)或其他非铁磁金属材料中的一种或多种。
所述铁磁金属层一，包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)、镧锶锰氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种。
所述非铁磁有机层材料，包括三(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、α-六噻吩(6T)或其他光敏有机材料中的一种或多种。
所述铁磁金属层二，包括钴(Co)、钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种。
所述顶端电极，包括金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)或其他非铁磁金属材料中的一种或多种。
本发明所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元可通过采用传统的电子束蒸发、热蒸发、原子层沉积或磁控溅射的方法将基于光调控的有机自旋存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后借助光刻、刻蚀等微纳加工工艺进行器件制备；具体制备方法为：在超真空蒸发腔内，采用磁控溅射、电子束蒸发等方法依次沉积底端电极和铁磁金属层一于衬底表面，通过热蒸发的方式使非铁磁有机层材料以0.3nm/min-0.5nm/min的速率生长于铁磁金属层一上，随后依次沉积铁磁金属层二和顶端电极，完成多层膜沉积后，采用微纳加工的方法(光刻、刻蚀、包埋、沉积)实现器件图形化，完成基于光调控的有机自旋存储单元的制备。
本发明所述衬底包括但不限于硅片、石英片等衬底。
本发明可以通过控制外部光照条件来改变中间非铁磁有机层的能带结构，导致量子阱态排布发生变化，进而影响两铁磁电极的层间交换耦合类型(铁磁耦合和反铁磁耦合的相互转换)，实现单个铁磁电极的磁化翻转，从而改变器件磁阻，分别实现数据“0”和“1”的存储状态的写入。
三、优点及功效:
本发明提出了一种基于光调控的有机自旋存储单元，可以实现磁光存储，相比于传统的自旋存储单元，有以下优势：
(1)通过光写入，代替了传统磁写入过程中外加电流改变磁场时的发热损耗，从而降低存储器件的功耗；
(2)光照条件的改变可瞬时完成，有机层光激发的响应时间在皮秒量级，保证了存储器件的读写速率；
(3)通过控制光照位置，可以实现单个存储单元状态的改变，不存在传统磁写入式存储单元的相互干扰问题，提高了器件的集成度，也便于制作加工；
(4)除了进行存储，本发明所述模型还可用于光信号探测等领域。
【附图说明】
图1为基于光调控的有机自旋存储单元的结构示意图。
图2-a为相位累积模型下量子势阱示意图。
图2-b为有机非铁磁层费米面附近量子阱态分布示意图。
图3-a为无光照下量子阱态分布示意图。
图3-b为紫外光照射后量子阱态分布偏移示意图。
图3-c为光照条件切换使自由层磁化方向改变示意图。
图4为基于光调控的有机自旋存储单元的工作模式示意图。
其中，图1到图4中的参数定义为：
↑：表示自旋阀自由层的磁场极化方向向上；
↓：表示自旋阀自由层的磁场极化方向向下；
表示自旋阀固定层的磁场极化方向向上，且不可变；
RP：表示自旋阀中固定层与自由层的相对磁场方向处于平行状态，此时自旋阀表现为低电阻状态，电阻值记为RP；
RAP：表示自旋阀中固定层与自由层的相对磁场方向处于反平行状态，此时自旋阀现为高电阻状态，电阻值记为RAP；
“1”：表示存储单元写入的逻辑数据1；
“0”：表示存储单元写入的逻辑数据0。
k：电子波矢。
【具体实施方式】
参照附图，进一步说明本发明一种基于光调控的有机自旋存储单元的实质性特点。
本发明提出了一种基于光调控的有机自旋存储单元，其既可以用于大容量磁光存储，也可以用于光信号探测，因此可以采用该存储单元对存储器层次结构进行设计。
在此公开了详细的示例性实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述示例实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。另外，将不会详细描述或将省略本发明的众所周知的元件，器件与子电路，以免混淆本发明的实施例的相关细节。图1为本发明一种基于光调控的有机自旋存储单元的结构示意图。
本发明所示存储单元从下到上由底端电极(10-50nm)、铁磁金属一(1-100nm)、有机非铁磁有机层(1-10nm)、铁磁金属二(1-100nm)及顶端电极(10-50nm)共五层构成；
所述底端电极，包括金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)或其他非铁磁金属材料中的一种或多种；
所述铁磁金属层一，包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)、镧锶锰氧(LSMO)、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种；
所述非铁磁有机层材料，包括三(8-羟基喹啉)铝(Alq3)、α-六噻吩(6T)或其他光敏有机材料中的一种或多种；
所述铁磁金属层二，包括钴(Co)、钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)、赫斯勒合金或其他铁磁材料中的一种或多种；
所述顶端电极，包括金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)或其他非铁磁金属材料中的一种或多种。
通过采用传统的分子束外延、电子束蒸发、热蒸发、原子层沉积或磁控溅射的方法将存储单元的各层物质按照从下到上的顺序镀在衬底上，然后进行光刻、刻蚀等微纳加工工艺来制备该存储单元；其形状可以制成正方形、长方形(长宽比可以是任意值)、圆形或椭圆形(长宽比可以是任意值)，特征尺寸在5nm-100μm。其中一个铁磁层的磁化方向是固定的，称为固定层，而另一个铁磁层的磁化方向是自由的，称为自由层，对于哪个铁磁层属于固定层还是自由层没有严格规定，即可以是铁磁层一为固定层，则铁磁层二为自由层，也可以是铁磁层二为固定层，则铁磁层一为自由层。通过光照改变自由层的磁化方向，可以改变两个铁磁层的相对磁化方向，从而可以得到不同的电阻状态，更具体地，平行时呈现出低阻态RP，反平行时呈现出高阻态RAP。
图2-a和2-b为本实施例中相位累积模型下量子阱态结构示意图。
下面叙述过程中，两铁磁金属层和非铁磁有机层材料以Co/Alq3/Co为例。如图2-a所示，在该结构中，Co金属中自旋少数电子带隙限制Alq3中自旋向下电子排布，对自旋向下电子形成量子阱态，有机层厚度d即为势阱宽度。设电子波矢为k，该势阱中电子波动方程为
其中，和分别为电子波动方程在势阱两边界处的相位增益，a为有机分子层Alq3厚度。取决于能带结构和电子能量，可由光照条件改变。υ为有机分子层数与量子势阱中半波长数之差。根据该方程，可得到图2-b有机非铁磁层费米面附近量子阱态分布示意图，其中横轴和纵轴分别表示有机层厚度和电子能量，实线和虚线分别表示量子阱态的峰值和谷值。
图3-a、3-b和3-c为本发明一种基于光调控的有机自旋存储单元的光照使自由层磁化方向改变机理示意图。层间交换耦合类型的选择符合能量最低原则。在图3-a中，设有机层厚度为30ML(图中竖直虚线)，初始条件为无光照射，两铁磁层在铁磁耦合时能量最低，磁化方向处于平行排列状态,自旋阀表现为低电阻状态。图3-b为紫外光照射后的变化：当紫外光照射时，有机层电子获得能量发生跃迁(光激发响应时间在皮秒量级)，相位增益和发生改变，量子阱态分布发生偏移。当一个量子阱态从上方穿越费米能级到达费米能级下方，会使铁磁耦合状态能量增加并高于反铁磁耦合状态能量。根据能量最低原则，铁磁耦合不再稳定，因此变为反铁磁耦合来降低系统的能量，固定层电极磁化方向保持恒定，自由层磁化方向翻转并与固定层反平行排列，自旋阀表现为高电阻状态。图3-c为外部条件在有光照和无光照之间切换时，自由层磁化方向变化示意图。
图4为本发明种基于光调控的有机自旋存储单元的工作模式示意图，具体如下：
当两铁磁层磁化方向平行排列时，器件处在低阻态，存储值为“0”；当两铁磁层磁化方向反平行排列时，器件处于高阻态，存储值为“1”。当光照条件在无光照和紫外光(λ＝365nm)之间切换，层间交换耦合类型在铁磁耦合和反铁磁耦合之间切换，相应地，自旋存储单元电阻在低阻态RP和高阻态RAP之间切换，分别存储数据“0”和“1”。

Claims (9)

1.一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：该存储单元的结构由下至上依次为垂直堆叠的底端电极、铁磁金属层一、非铁磁有机层、铁磁金属层二及顶端电极；所述底端电极为非铁磁金属材料；所述铁磁金属层一为铁磁材料；所述非铁磁有机层材料为光敏有机材料；所述铁磁金属层二为铁磁材料；所述顶端电极为非铁磁金属材料；通过控制外部光照条件来改变中间非铁磁有机层的能带结构，使量子阱态排布发生变化，使铁磁耦合和反铁磁耦合相互转换，实现单个铁磁电极的磁化翻转，从而改变器件磁阻，分别实现数据“0”和“1”的存储状态的写入；所述外部光照条件包括光照位置。
2.根据权利要求1所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：所述底端电极为金Au、铂Pt或铜Cu的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：所述铁磁金属层为铁Fe、钴Co、镍Ni、钴铁硼CoFeB、镍铁NiFe、镧锶锰氧LSMO或赫斯勒合金的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：所述非铁磁有机层材料为三(8-羟基喹啉)铝Alq3或α-六噻吩(6T)的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：所述铁磁金属层二为钴Co、钴铁CoFe、钴铁硼CoFeB或赫斯勒合金的一种或多种。
6.根据权利要求1所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：所述顶端电极为金Au、铂Pt或铜Cu的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：所述存储单元制备方法为：在超真空蒸发腔内，采用磁控溅射、电子束蒸发的方法依次沉积底端电极和铁磁金属层一于衬底表面，通过热蒸发的方式使非铁磁有机层材料以0.3nm/min—0.5nm/min的速率生长于铁磁金属层一上，随后依次沉积铁磁金属层二和顶端电极，完成多层膜沉积后，采用微纳加工的方法实现器件图形化，完成基于光调控的有机自旋存储单元的制备；通过控制外部光照条件来改变中间非铁磁有机层的能带结构，使量子阱态排布发生变化，使铁磁耦合和反铁磁耦合相互转换，实现单个铁磁电极的磁化翻转，从而改变器件磁阻，分别实现数据“0”和“1”的存储状态的写入；所述外部光照条件包括光照位置。
8.根据权利要求7所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：所述微纳加工的方法为光刻、刻蚀、包埋及沉积。
9.根据权利要求7所述的一种基于光调控的有机自旋存储单元，其特征在于：所述衬底包括硅片和石英片。
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