CN108470826A - 磁性多层膜结构、磁存储器、自旋逻辑器件和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及磁性多层膜结构、磁存储器、自旋逻辑器件和电子设备。根据一实施例，一种磁性多层膜结构包括：参考磁层，其具有固定的磁矩；自由磁层，其具有自由翻转的磁矩；以及非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间，其中，所述自由磁层由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，且其中，所述自由磁层配置为接收面内电流以翻转所述自由磁层的磁矩。所述磁性多层膜结构还包括在自由磁层的与非磁间隔层相反一侧的反铁磁偏置层，或沿与面内电流垂直的方向延伸的电流布线。在该磁性多层膜结构中，可以直接通过向自由磁层施加面内电流来翻转自由磁层的磁矩，因此大大简化了结构和翻转过程。
Description
技术领域
本发明总体上涉及自旋电子学领域，更特别地，涉及一种磁性多层膜结构、包括该磁性多层膜结构的磁器件、以及包括该磁器件的电子设备。
背景技术
磁自旋阀(MSV)和磁隧道结(MTJ)具有类似的磁性多层膜结构，其一般都包括自由磁层、参考磁层、以及位于二者之间的非磁间隔层，其中磁自旋阀的非磁间隔层由导电金属例如Cu、Ru等形成，磁性隧道结的非磁间隔层由绝缘材料例如MgO、Al2O3等形成。参考磁层的磁矩被固定，而自由磁层的磁矩可以自由翻转。该磁性多层膜结构的电阻与自由磁层的磁矩和参考磁层的磁矩之间的夹角θ的余弦值cos(θ)成比例。当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩彼此平行排列时，电阻最低；当自由磁层的磁矩与参考磁层的磁矩反平行排列时，电阻最高。利用这种性质，磁自旋阀和磁隧道结可用于各种磁器件，例如传感器、存储器、逻辑器件等。
在存储器、逻辑器件等应用中，为了翻转自由磁层的磁矩，传统方法包括使用彼此交叉的两个外磁场，这种方法因为能耗很大，并且容易影响相邻单元的自由磁层，因此并未被实际使用。后来，又发展了许多纯电流翻转或者电流与磁场组合翻转的方法，包括自旋转移矩(STT)翻转方法、自旋霍尔效应(SHE)翻转方法等。STT翻转方法需要使用垂直流过隧道结的翻转电流，电流过小则难以实现翻转，过大则又可能击穿隧道结，因此存在阵列均匀性以及电流控制方面的难题。SHE翻转方法则是利用电流流过诸如Pt 之类的金属时，由于自旋轨道耦合，在金属表面出现自旋极化电子的自旋霍尔效应，配合偏置磁场，来翻转自由磁层的磁矩。在这种方法中，需要制作与自由磁层接触的SHE金属层，结构更复杂，而且因为仅靠SHE金属表面的自旋极化电子来翻转自由磁层的磁矩，翻转效率不高，难以翻转较厚的自由磁层的磁矩。
因此，仍需要一种更简单的方法和结构，其可以容易地翻转自由磁层的磁矩。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种磁性多层膜结构，其具有简单的结构，并且能够容易地翻转其中的自由磁层的磁矩。
本发明的另一方面还提供利用该磁性多层膜结构实现的磁存储器、自旋逻辑器件，以及包括该磁存储器和/或自旋逻辑器件的电子设备。
根据一示例性实施例，提供一种磁性多层膜结构，包括：参考磁层，其具有固定的磁矩；自由磁层，其具有自由翻转的磁矩；以及非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间，其中，所述自由磁层由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，且其中，所述自由磁层配置为接收面内电流以翻转所述自由磁层的磁矩。
在一些示例中，所述面内电流为沿一面内方向的正向电流或反向电流，以根据所述面内电流的方向来翻转所述自由磁层的磁矩。
在一些示例中，所述自由磁层由FePt、FePd、CoPt或CoPd形成。
在一些示例中，所述自由磁层形成为L10取向，所述参考磁层和所述自由磁层都具有垂直磁矩和垂直各向异性。
在一些示例中，所述磁性多层膜结构还包括：第一反铁磁偏置层，形成在所述自由磁层的与所述非磁间隔层相反的一侧，用于为所述自由磁层提供面内偏置磁场，所述面内偏置磁场的方向与所述面内电流的方向平行或反平行。
在一些示例中，所述磁性多层膜结构还包括：第二反铁磁偏置层，形成在所述参考磁层的与所述非磁间隔层相反的一侧，用于固定所述参考磁层的磁矩。
在一些示例中，所述磁性多层膜结构还包括：电流布线，与所述自由磁层和所述参考磁层间隔开，并且沿与所述面内电流垂直的方向延伸，以用于向所述自由磁层施加与所述面内电流平行或反平行的偏置磁场。
在一些示例中，所述非磁间隔层由非磁金属或非磁绝缘材料形成。
根据另一示例性实施例，提供一种磁存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：参考磁层，其具有固定的磁矩；自由磁层，其具有自由翻转的磁矩；以及非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间，其中，所述自由磁层由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，且其中，所述自由磁层配置为接收面内电流以翻转所述自由磁层的磁矩。
在一些示例中，所述多个存储单元沿行方向和列方向布置成阵列，所述磁存储器还包括：第一位线，沿所述行方向延伸，且连接到每行存储单元的自由磁层的第一端；源极线，沿所述行方向延伸，且通过晶体管连接到每行存储单元的自由磁层的与所述第一端相反的第二端，以用于向所述自由磁层施加所述面内电流；第二位线，沿所述行方向延伸，且连接到每行存储单元的参考磁层；以及选择线，沿所述列方向延伸，且连接到每列晶体管的控制端。
在一些示例中，所述面内电流在所述列方向上。
在一些示例中，每个存储单元还包括：反铁磁偏置层，形成在所述自由磁层的与所述非磁间隔层相反的一侧，用于为所述自由磁层提供面内偏置磁场，所述面内偏置磁层在所述列方向上。
根据另一示例性实施例，提供一种自旋逻辑器件，包括：参考磁层，其具有固定的磁矩；自由磁层，其具有自由翻转的磁矩，并且由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，所述自由磁层配置为接收第一逻辑输入电流和第二逻辑输入电流，所述第一逻辑输入电流和所述第二逻辑输入电流二者都是面内电流；非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间；以及电流布线，连接到所述参考磁层，用于施加垂直流过所述非磁间隔层的读取电流。
在一些示例中，所述第一逻辑输入电流和所述第二逻辑输入电流彼此平行并且在第一方向上。
在一些示例中，所述电流布线沿第二方向延伸以用于传输沿所述第二方向的翻转电流，所述第二方向垂直于所述第一方向。
根据另一示例性实施例，提供一种电子设备，包括上述磁存储器和自旋逻辑器件中的至少一种。
在一些示例中，所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
图1示出根据本发明一示例性实施例的磁性多层膜结构的示意图。
图2示出根据本发明另一示例性实施例的磁性多层膜结构的示意图。
图3示出根据本发明一实施例的磁存储器的示意性电路图。
图4示出根据本发明一实施例的自旋逻辑器件。
图5示出根据本发明另一实施例的自旋逻辑器件。
图6示出根据本发明另一实施例的电子设备。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施例。
图1示出根据本发明一示例性实施例的磁性多层膜结构10的示意图。如图1所示，磁性多层膜结构10包括自由磁层12、参考磁层16、以及位于自由磁层12和参考磁层16之间的非磁间隔层(SP)14。
参考磁层16，其也称为固定磁层，可由铁磁材料形成，例如Co、Fe、 Ni以及包括Co、Fe、Ni的合金，诸如CoFe、NiFe、CoFeB等。可用于参考磁层16的其他材料的示例是本领域已知的，这里不再一一说明。在一些实施例中，参考磁层16可以由具有较高矫顽力的铁磁材料形成，或者形成为具有人工反铁磁结构(SAF)，使得其磁矩不易随外磁场而旋转，即在正常运行期间被固定，这种结构一般也称为自钉扎结构。在另一些实施例中，参考磁层16的磁矩可以被其他层固定，例如图1所示的反铁磁钉扎层17，也可以称为反铁磁偏置层17。反铁磁钉扎层17可向参考磁层16提供偏置磁层，以钉扎或者说固定参考磁层16的磁矩。反铁磁钉扎层17可采用直接钉扎结构，例如包括由诸如IrMn之类的反铁磁材料形成的单个钉扎层，其厚度可以在1nm至30nm的范围，或者也可以采用人工反铁磁结构来进行钉扎。
非磁间隔层14可由非磁导电材料形成，例如Cu、Ru等，此时磁性多层膜结构10形成为自旋阀结构，或者可由非磁绝缘层形成，例如MgO、Al2O3等，此时磁性多层膜结构10形成为隧道结结构。
自由磁层12可以由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成。铁磁金属的示例包括Fe、Co、Ni等，自旋霍尔效应(SHE)金属一般为重金属，其示例包括Pt、Pd等。优选地，自由磁层12可以由FePt、FePd、CoPt 和CoPd中的一种或多种形成。当由这些材料形成时，优选地，自由磁层12 可以形成为(001)晶体取向，从而具有垂直磁矩。相应地，参考磁层16也形成为具有垂直磁矩。与参考磁层16不同的是，自由磁层12的磁矩可以自由翻转，而不被固定。
此外，在自由磁层12的与非磁间隔层14相反的一侧，还可以形成有反铁磁偏置层11，顾名思义，其也由反铁磁材料形成。反铁磁偏置层11用于向自由磁层12提供面内偏置磁场，图1示为偏置磁场HB，其有助于后面描述的磁矩翻转操作。不过应理解的是，反铁磁偏置层11提供的面内偏置磁场HB并不足以固定自由磁层12的磁矩。因此，优选地，反铁磁偏置层11 的厚度可以小于反铁磁偏置层17的厚度。
本发明人发现，利用上述结构，当对自由磁层12施加与面内偏置磁场 HB平行或反平行的面内电流时，可以直接翻转自由磁层12的磁矩，即在垂直向上和垂直向下方向之间翻转。在图1的示例中，反铁磁偏置层11向自由磁层12提供的面内偏置磁场HB设置为在正X方向上，当然其也可以设置为在负X方向上。向自由磁层12施加的面内翻转电流Is可以在正X方向和负X方向上。取决于翻转电流Is的方向以及偏置磁场HB的方向，即可改变自由磁层12的磁矩方向。一般而言，对于一磁性多层膜结构10，偏置磁场 HB的方向是固定的，因此可以通过选择性施加某一方向的翻转电流Is来翻转自由磁层12的磁矩。但是应理解，当翻转电流Is的方向不变，而改变偏置磁场HB的方向时，也可以改变自由磁层12的磁矩方向。
不被特定理论所束缚，本发明人相信上述翻转的原理在于自由磁层12 中的自旋霍尔效应金属成分通过自旋霍尔效应产生的自旋极化电子在偏置磁场HB的辅助下，翻转了铁磁金属成分的磁矩。与常规的包括单独的自旋霍尔效应层和自由磁层的结构相比，在本发明中通过采用特殊材料的自由磁层12，并且使翻转电流流过自由磁层12本身，实现了显著更大的翻转效率。因此，采用较小的面内翻转电流Is即可翻转自由磁层12的磁矩。另一方面，由于翻转效率的提高，自由磁层12可以形成得更厚。例如，在一些实施例中，自由磁层12可以形成为1-20nm范围内的厚度。
图2示出根据本发明另一示例性实施例的磁性多层膜结构10'的示意图。与图1的磁性多层膜结构10相比，图2中用相同的附图标记表示相同的元件，这里将省略对其的重复描述。
如图2所示，与图1的磁性多层膜结构10相比，磁性多层膜结构10' 不包括反铁磁偏置层11，而是在自由磁层12下方形成有电流布线13。电流布线13与自由磁层12和参考磁层16间隔开，并且沿与面内翻转电流Is垂直的方向延伸，从而电流布线13在自由磁层12处产生的奥斯特磁场HB可以基本与面内翻转电流Is平行或反平行。图2示出了电流布线13位于自由磁层12下方，但是其也可以位于参考磁层16上方。可以理解，图2的磁性多层膜结构10'的翻转原理与图1的磁性多层膜结构10相同，除了偏置磁场 HB由电流布线13而非反铁磁偏置层11产生之外。由于偏置磁场HB由电流布线13产生，因此可以通过改变电流布线13中的电流的方向来方便地改变偏置磁场HB的方向，从而实现更灵活的磁矩翻转。
上面描述了磁性多层膜结构的基本结构和翻转原理，下面将描述其典型应用。应理解，上述磁性多层膜结构可以代替常规的磁自旋阀和磁隧道结用于各种应用中，下面描述的磁存储器和自旋逻辑器件仅是典型示例，而非限制。
图3示出根据本发明一实施例的磁存储器100的示意性电路图，其包括多个作为存储单元的上述磁性多层膜结构10或10'。具体而言，如图3所示，磁存储器100包括多个存储单元C11-C34，其沿行方向和列方向布置成阵列。每个存储单元C11-C34可包括图1的磁性多层膜结构10，或者可包括图2 的磁性多层膜结构10'(应理解，不包括电流布线13)。每行存储单元例如 C11-C14的参考磁层16一侧可连接到同一条第一位线例如BL11，每行存储单元例如C11-C14的自由磁层12的第一端可连接到同一条第二位线例如 BL21，每行存储单元例如C11-C14的自由磁层12的与第一端相反的第二端可通过晶体管T连接到同一条源极线例如SL1，每列存储单元例如C11-C31 对应的晶体管T的控制端(或者说栅极)连接到同一条选择线例如SEL1。这样，通过第一位线BL11-BL13与源极线SL1-SL3可向每个存储单元 C11-C34中的自由磁层12施加面内翻转电流Is，在图3的示例中为列方向电流，其可以翻转自由磁层12的磁矩，因此也可以称为写入电流；通过第二位线BL21-BL23与源极线SL1-SL3可向每个存储单元C11-C34中的磁性多层膜结构10或10'施加垂直流过非磁间隔层14的电流，该电流可以读取磁性多层膜结构10或10'的电阻状态，其对应于所存储的数据，因此该电流可以称为写入电流。在图3的示例中，位线和源极线沿行方向延伸，选择线沿列方向延伸，写入电流沿列方向流过自由磁层12的层平面，读取电流沿垂直方向流过磁性多层膜结构。但是应理解，根据本发明教导的原理，本领域技术人员也可以对该布局进行形式和细节上的许多改变。
下面描述磁存储器100的操作。应注意，当每个存储单元C11-C34包括磁性多层膜结构10或10'时，其读取操作相同，写入操作稍有不同。
读取时，在选定行的第一位线例如BL12上施加读取电流，并且在选定列的选择线例如SEL3上施加选择信号以导通该列的晶体管T，则可以读取预定存储单元例如C23中的电阻状态。通过该操作，可以读取任意存储单元的电阻状态。
写入时，如果每个存储单元C11-C34包括磁性多层膜结构10，则在选定行的第二位线例如BL23上施加写入电流(翻转电流Is)，并且在选定列的选择线例如SEL1上施加选择信号以导通该列的晶体管T，则可以翻转预定存储单元例如C31中的自由磁层12的磁矩，实现期望的电阻状态，完成写入。应理解，所写入的电阻状态由写入电流的方向确定。另一方面，如果每个存储单元C11-C34包括磁性多层膜结构10'，则除了在选定行的第二位线例如BL23上施加写入电流(翻转电流Is)，并且在选定列的选择线例如SEL1 上施加选择信号以导通该列的晶体管T之外，还需要在该行的第一位线例如 BL13的两端施加偏置电流Ib以产生偏置磁场HB，以翻转预定存储单元例如 C31中的自由磁层12的磁矩，实现期望的电阻状态，完成写入。可以理解，此时第一位线BL1还起到了图2所示的电流布线13的作用，所写入的电阻状态由翻转电流Is和偏置电流Ib的方向确定。通过上述操作，可以在任意存储单元中写入期望的电阻状态。
图4示出根据本发明一示例性实施例的自旋逻辑器件200，其可包括图 1所示的磁性多层膜结构10，在图4中省略了钉扎层17。如图4所示，自由磁层12可配置为接收第一逻辑输入电流I1和第二逻辑输入电流I2，其都是面内电流。例如，自由磁层12的相对两端(图4中为Y方向上的相对两端) 可以具有多个端子，其连接到相应的布线以接收逻辑输入电流I1和I2。逻辑输入电流I1和I2可设置为其单个都不足以翻转自由磁层12的磁矩，只有当两个电流同时施加时，才能翻转自由磁层12的磁矩。自旋逻辑器件200还包括电流布线210，其可以连接到参考磁层16一侧，以用于施加垂直流过非磁间隔层14的读取电流I3，其可以从自由磁层12一侧的任一端子流出，从而可以读取磁性多层膜结构10的电阻状态。
图5示出根据本发明一示例性实施例的自旋逻辑器件300，其可包括图 2所示的磁性多层膜结构10'，在图5中省略了钉扎层17。参照图5，自旋逻辑器件300包括电流布线310，其连接到参考磁层16一侧，并且沿与自由磁层12中的逻辑输入电流垂直的方向延伸。由于自旋逻辑器件300的磁性多层膜结构10'中不包括反铁磁偏置层11，因此可以在电流布线310中施加电流I4，其可以在自由磁层12中产生所需的偏置磁场HB。在进行逻辑操作以及复位操作时，除了输入逻辑电流I1和I2之外，还应输入预定的偏置电流I4。图5的自旋逻辑器件300的其他方面与图4的自旋逻辑器件200基本相同，这里省略对其的重复描述。
下面描述图4的自旋逻辑器件200和图5的自旋逻辑器件300的操作。初始时，可以将自旋逻辑器件200/300设置为初始状态，其可以是逻辑“0”状态，也可以是逻辑“1”状态。然后，输入逻辑输入电流I1和I2，每个电流可以根据其大小而与逻辑“0”或“1”对应。对于图5的自旋逻辑器件300，则还应提供偏置电流I4。然后，可以输入读取电流I3，以读取磁性多层膜结构的电阻状态，其可以对应于逻辑“0”或“1”。此时，即完成了一次逻辑操作。
可以理解，在进行上述逻辑操作时，自由磁层的磁矩可能会被翻转，从而导致磁性多层膜结构的电阻状态被改变，其将会影响后面的逻辑操作。因此，在进行每次逻辑操作之前或之后，可以进行重置操作，以将自旋逻辑器件200/300恢复成初始状态。对于自旋逻辑器件200而言，可以通过施加预定大小和方向的逻辑输入电流I1和I2，即可将其恢复成期望的初始状态；对于自旋逻辑器件300而言，则除了需要施加预定大小和方向的逻辑输入电流I1和I2之外，还需要施加预定大小和方向的偏置电流I4，即可将其恢复成期望的初始状态。自由磁层的翻转原理已在上面结合图1和图2进行了详细描述，这里不再重复。
下面举例进行说明。初始时，自旋逻辑器件可以设置为与逻辑“0”对应的低阻态。当逻辑输入电流I1和I2中的任一个或两者都为与逻辑“0”对应的低电流时，均不足以翻转自由磁层的磁矩，此时逻辑输出为“0”；只有当逻辑输入电流I1和I2两者都为与逻辑“1”对应的高电流时，自由磁层的磁矩被翻转，此时逻辑输出为“1”。从而，可以实现逻辑“与”(AND)操作，其真值表如下面的表1所示。
表1：逻辑与“AND”的真值表
| 输入电流I1 | 输入电流I2 | 逻辑输出 |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 |
相反，如果初始时自旋逻辑器件设置为与逻辑“1”对应的高阻态，则仅当逻辑输入电流I1和I2两者都为与逻辑“1”对应的高电流时，自由磁层的磁矩被翻转，此时逻辑输出变为“0”。从而，可以实现逻辑“与非”(NAND) 操作，其真值表如下面的表2所示。
表2：逻辑与非“NAND”的真值表
| 输入电流I1 | 输入电流I2 | 逻辑输出 |
| 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 |
如果初始时自旋逻辑器件设置为逻辑“1”，固定一个电流I2为与逻辑“1”对应的高电流，只将电流I1作为逻辑输入，则可以实现逻辑“非”(NAND) 操作，其真值表如下面的表3所示。
表3：逻辑非“NOT”的真值表
| 输入电流I1 | 逻辑输出 |
| 1 | 0 |
| 0 | 1 |
如果初始时自旋逻辑器件可以设置为与逻辑“0”对应的低阻态，并且当逻辑输入电流I1和I2两者都为与逻辑“0”对应的低电流时，不足以翻转自由磁层的磁矩，而当逻辑输入电流I1和I2中的任意一个为与逻辑“1”对应的高电流时，即可翻转自由磁层的磁矩，则可以实现逻辑“或”(OR)操作，其真值表如下面的表4所示。
表4：逻辑或“OR”的真值表
| 输入电流I1 | 输入电流I2 | 逻辑输出 |
| 1 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 |
如果初始时自旋逻辑器件可以设置为与逻辑“1”对应的低阻态，并且当逻辑输入电流I1和I2两者都为与逻辑“0”对应的低电流时，不足以翻转自由磁层的磁矩，而当逻辑输入电流I1和I2中的任意一个为与逻辑“1”对应的高电流时，即可翻转自由磁层的磁矩，则可以实现逻辑“或非”(NOR) 操作，其真值表如下面的表5所示。
表5：逻辑或非“NOR”的真值表
| 输入电流I1 | 输入电流I2 | 输出 |
| 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 1 |
如上所述，已经实现了“非”、“与”、“与非”、“或”和“或非”五种基本的逻辑操作。通过多个逻辑元件的组合，即可实现任意所需的逻辑操作。逻辑器件的组合方式是相关领域已知的，这里不再赘述。
图6示出根据本发明一实施例的电子设备400，其中可以使用上述实施例中描述的磁存储器和自旋逻辑器件。如图6所示，电子设备400包括输入模块410、处理模块420、存储模块430和输出模块440。
输入模块410可以配置为接收用户的输入。例如，输入模块410可以是键盘、麦克风、触摸屏等。处理模块420可以对数据进行处理。例如，处理模块420可以是中央处理单元。处理模块420可以包括逻辑电路，其包括上述自旋逻辑器件中的任意一种或多种。存储模块430可以是磁存储模块，其可以包括上述磁存储器中的任意一种或多种。存储模块430可存储供处理模块420使用的数据，诸如操作系统、指令、文档、音频和视频数据等等。处理模块420可以将处理之后的数据传输至输出模块440以供输出。输出模块 440可以是例如扬声器、显示器等。在一些实施例中，输出模块440和输入模块410可以集成为一个模块，例如为触摸屏显示器。输入模块410、处理模块420、存储模块430和输出模块440可以通过总线450彼此通信。可以理解的是，电子设备400可以是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。
尽管已经图示并描述了本申请的具体实施例和应用，但是要理解，所述实施例不限于在这里公开的确切结构和组件，并且可以在本申请的方法和设备的安排、操作和细节上做出对于本领域技术人员而言明显的各种修改、改变和变化，而没有脱离如在所附权利要求中限定的本公开的精神和范围。
Claims (17)
1.一种磁性多层膜结构，包括：
参考磁层，其具有固定的磁矩；
自由磁层，其具有自由翻转的磁矩；以及
非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间，
其中，所述自由磁层由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，且
其中，所述自由磁层配置为接收面内电流以翻转所述自由磁层的磁矩。
2.如权利要求1所述的磁性多层膜结构，其中，所述面内电流为沿一面内方向的正向电流或反向电流，以根据所述面内电流的方向来翻转所述自由磁层的磁矩。
3.如权利要求1所述的磁性多层膜结构，其中，所述自由磁层由FePt、FePd、CoPt、CoPd或兼具垂直各向异性和重金属元素的类似合金构成。
4.如权利要求3所述的磁性多层膜结构，其中，所述参考磁层和所述自由磁层都具有垂直磁矩和垂直磁各向异性。
5.如权利要求1所述的磁性多层膜结构，还包括：
第一反铁磁偏置层，形成在所述自由磁层的与所述非磁间隔层相反的一侧，用于为所述自由磁层提供面内偏置磁场，所述面内偏置磁场的方向与所述面内电流的方向平行或反平行。
6.如权利要求5所述的磁性多层膜结构，还包括：
第二反铁磁偏置层，形成在所述参考磁层的与所述非磁间隔层相反的一侧，用于固定所述参考磁层的磁矩，其中，所述第二反铁磁偏置层利用直接钉扎结构或人工反铁磁结构进行钉扎。
7.如权利要求1所述的磁性多层膜结构，还包括：
电流布线，与所述自由磁层和所述参考磁层间隔开，并且沿与所述面内电流垂直的方向延伸，以用于向所述自由磁层施加与所述面内电流平行或反平行的偏置磁场。
8.如权利要求1所述的磁性多层膜结构，其中，所述非磁间隔层由非磁金属或非磁绝缘材料形成。
9.一种磁存储器，包括多个存储单元，每个存储单元包括：
参考磁层，其具有固定的磁矩；
自由磁层，其具有自由翻转的磁矩；以及
非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间，
其中，所述自由磁层由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，且
其中，所述自由磁层配置为接收面内电流以翻转所述自由磁层的磁矩。
10.如权利要求9所述的磁存储器，其中，所述多个存储单元沿行方向和列方向布置成阵列，所述磁存储器还包括：
第一位线，沿所述行方向延伸，且连接到每行存储单元的自由磁层的第一端；
源极线，沿所述行方向延伸，且通过晶体管连接到每行存储单元的自由磁层的与所述第一端相反的第二端，以用于向所述自由磁层施加所述面内电流；
第二位线，沿所述行方向延伸，且连接到每行存储单元的参考磁层；以及
选择线，沿所述列方向延伸，且连接到每列晶体管的控制端。
11.如权利要求10所述的磁存储器，其中，所述面内电流在所述列方向上。
12.如权利要求10所述的磁存储器，其中，每个存储单元还包括：
反铁磁偏置层，形成在所述自由磁层的与所述非磁间隔层相反的一侧，用于为所述自由磁层提供面内偏置磁场，所述面内偏置磁层在所述列方向上。
13.一种自旋逻辑器件，包括：
参考磁层，其具有固定的磁矩；
自由磁层，其具有自由翻转的磁矩，并且由铁磁金属与自旋霍尔效应(SHE)金属的合金形成，所述自由磁层配置为接收第一逻辑输入电流和第二逻辑输入电流，所述第一逻辑输入电流和所述第二逻辑输入电流二者都是面内电流；
非磁间隔层，其位于所述参考磁层和所述自由磁层之间；以及
电流布线，连接到所述参考磁层，用于施加垂直流过所述非磁间隔层的读取电流。
14.如权利要求13所述的自旋逻辑器件，其中，所述第一逻辑输入电流和所述第二逻辑输入电流彼此平行并且在第一方向上。
15.如权利要求13所述的自旋逻辑器件，其中，所述电流布线沿第二方向延伸以用于传输沿所述第二方向的翻转电流，所述第二方向垂直于所述第一方向。
16.一种电子设备，包括权利要求9-12中的任一项所述的磁存储器和权利要求13-15中的任一项所述的自旋逻辑器件中的至少一种。
17.如权利要求16所述的电子设备，其中所述电子设备是手机、膝上计算机、台式计算机、平板计算机、媒体播放器、个人数字助理、以及穿戴式电子设备中的一种。
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