CN109273593B - 利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用，该单层铁磁材料为厚度在1～100nm的薄膜，具有强自旋轨道耦合作用，通入电流后产生自旋力矩，并利用自旋力矩翻转该单层铁磁材料的自身磁矩。本发明在单层铁磁中利用电流产生自旋力矩，并利用此自旋力矩翻转该单层铁磁自身的磁矩，可应用于磁性随机存储器与自旋逻辑器件，基于本发明技术的器件可以具有不受限制的厚度从而具有更高的热稳定性，即非易失性，在应用上将简化器件的架构和制备工艺，具有巨大的成本优势。

Description

利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用
技术领域
本发明涉及单层铁磁材料，具体涉及一种利用电流驱动单层铁磁材料磁矩翻转的技术及其应用。
背景技术
磁随机存储器以磁性材料的磁矩方向作为信息载体，具有非易失性，读写速度快，存储密度高等优点。自旋逻辑器件基于新兴的自旋电子学，利用自旋进行逻辑运算，具有超低功耗的优点。磁随机存储器和自旋逻辑器件，均需要使用电流操控磁性材料的磁矩或者磁化状态，目前有两种主流技术可以实现这种操控，即自旋转移矩(Spin transfertorque,STT)技术和自旋轨道矩(spin orbit torque,SOT)技术。自旋转移矩技术早于自旋轨道矩技术出现。采用自旋转移矩技术的器件需要两种不同的磁性层，一般的结构为磁性层1/中间层(通常为氧化层如MgO)/磁性层2，其中一种磁性层的磁矩方向固定不变，作为参考层，另一种磁性层的磁矩方向可在向上和向下两种状态中切换，作为存储层，又称自由层。电流流经参考层成为自旋极化电流，这种自旋极化电流流入存储层，对存储层施加力矩作用，从而实现翻转存储层磁矩的功能。由于自旋转移矩效应的强弱很大程度上依赖于磁性材料的极化率，这种器件通常需要很大的电流密度才能完成翻转磁矩的操作。而且，高密度电流容易击穿中间层，造成器件损坏。自旋轨道矩效应是2010前后发现的一种新效应，它与自旋转移矩效应有着物理机制上的本质区别。基于自旋轨道矩技术的器件一般只需要一种铁磁层，其结构通常为非磁性金属层/铁磁层双层膜。电流流经非磁性金属层，通过自旋霍尔效应(Spin Hall effect,SHE)或者拉什巴效应(Rashba effect)产生自旋流或者界面自旋累积，从而对铁磁层施加力矩作用，实现翻转铁磁层磁矩的功能。自旋轨道矩效应的大小主要取决于重金属层的自旋轨道耦合(Spin orbit coupling,SOC)强度，通过选取合适的强自旋轨道耦合材料，能使得这种器件以较小的电流密度实现翻转磁矩的操作。然而，当前的这种双层膜中产生的自旋轨道矩强烈地依赖于非磁性金属层/铁磁层界面的性质，因而要求铁磁层厚度非常的薄(<2纳米)，这不利于器件的热稳定性。另一方面，使用双层膜也将增加器件制备工艺的复杂程度。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，该单层铁磁材料为厚度在 1～100nm的薄膜，其具有铁磁性和强自旋轨道耦合作用，通入电流后产生自旋力矩，并利用自旋力矩翻转该单层铁磁材料的自身磁矩，在单层铁磁材料中可实现利用电流产生作用于该单层铁磁材料磁矩的自旋力矩，并且此自旋力矩可以翻转单层铁磁材料的磁矩。
所述单层铁磁材料为Fe与金属元素X的合金薄膜，所述金属元素X选自Pt， Pd，Ta，W，Bi或Gd的一种，所述Fe也可用Co、Ni或它们的合金替换。
优选地，所述单层铁磁材料为FePt、FePd、CoPt、CoPd、MnBi、GdFeCo或 CoGd的合金薄膜
进一步优选为FePt，所述FePt合金薄膜中Pt原子所占FePt总原子数的33-59％，呈现L10有序晶体结构。
为了提高单层铁磁材料的晶体质量、平整度、热稳定性和抗氧化能力等特性，所述单层铁磁材料和基底之间可以加入缓冲层，或者在单层铁磁材料之上覆盖保护层。所述缓冲层为金属材料或氧化物，所述金属材料为Cu、Ti或Al等，所述氧化物为MgO、TaOx或AlOx等，所述保护层为MgO、TaOx、AlOx、SiO2或TaN等。
一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料的应用，该单层铁磁材料用于构建磁随机存储器的存储单元与自旋逻辑器的运算单元。
优选地，所述存储单元从下到上依次包括单层铁磁材料构成的磁性存储层、中间层与磁性参考层。
优选地，所述中间层为氧化物或者非磁性金属，所述磁性参考层可采用与磁性存储层相同或不同的材料。
所述单层铁磁材料可以是具有垂直磁各向异性的铁磁层，也可以是具有面内磁各向异性的铁磁层。
结合附图1，对本发明的技术进行说明。如图1所示，为利用电流将单层铁磁层的磁矩由向下翻转为向上的过程示意图。单层铁磁层为长方体形状，厚度t在纳米(nm)量级，为1～100nm。单层铁磁层磁矩的初始状态为方向向下，沿L方向施加一从左向右的电流，此电流对单层铁磁层的磁矩产生自旋力矩的作用，驱动磁矩由向下翻转为向上，撤去电流，单层铁磁层磁矩稳定在向上状态。
如图2所示，为利用电流将单层铁磁层的磁矩由向上翻转为向下的过程示意图，单层铁磁层磁矩的初始状态为方向向上。沿L方向施加一从右向左的电流，此电流对单层铁磁层的磁矩产生自旋力矩的作用，驱动磁矩由向上翻转为向下，撤去电流，单层铁磁层磁矩稳定在向下状态。
在上面进行的说明中，单层铁磁层为长方体形状，但实际应用中，单层铁磁层的形状可以为其它，比如正方体、棱柱体、椭圆柱、圆柱等等，其尺寸可以按照实际需求进行设计。自旋力矩包括自旋轨道矩，或者自旋转移矩和自旋轨道矩的联合。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)相比目前普遍采用由非磁性金属层/铁磁层构成的双层膜产生自旋轨道力矩或者铁磁/中间层/铁磁多层膜产生的自旋转移力矩，本发明创新性地在单层铁磁合金薄膜中产生自旋力矩，并能利用此自旋力矩翻转薄膜自身的磁矩，不需要很大的电流密度完成翻转磁矩操作，不容易击穿中间层而造成器件损坏；
(2)区别于双层膜产生的自旋轨道矩强烈地依赖于界面的性质从而要求非常薄的铁磁层厚度(<2nm)，本发明使用单层膜产生的自旋力矩主要由材料的本体性质决定，可以具有不受限制的厚度从而具有更高的热稳定性，即非易失性；
(3)目前基于非磁性金属层/铁磁层双层膜设计的自旋轨道矩器件，每个单元需要三个接线端，如图3的(a)所示，而基于本发明技术设计的自旋轨道矩器件，可以实现每个单元只需要两个接线端，如图3的(b)所示，这在应用上将简化器件的架构和制备工艺，具有巨大的成本优势。
附图说明
图1为利用电流将单层铁磁层的磁矩由向下翻转为向上的过程示意图；
图2为利用电流将单层铁磁层的磁矩由向上翻转为向下的过程示意图；
图3为三端自旋轨道矩器件示意图(a)和两端自旋轨道矩器件示意图(b)；
图4为利用电流操控单层铁磁层磁矩并探测磁矩状态的实施例示意图；
图5为利用电流操控8nm厚FePt磁性层磁矩并用反常霍尔电阻反应磁矩状态所得的数据；
图6为利用本发明构建的磁性隧道结的结构示意图以及写入数据操作示意图；
图7为利用本发明构建的磁性隧道结的结构示意图以及读取数据操作示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图4所示，一种利用本发明操控单层铁磁层磁矩并探测磁矩状态的实施例，将单层铁磁层利用微纳加工技术制备成如图所示的霍尔棒形状，图中201、202作为施加电流的两个电极，203、204作为测量电压的两个电极。由于铁磁材料具有反常霍尔效应，并且反常霍尔电阻RH正比于薄膜法线方向的磁矩m，即RH∝m，因此通过测量203和204电极之间的反常霍尔电阻值，即可知道铁磁层磁矩的方向。首先，沿从201到202方向施加一辅助磁场，再在201和202电极之间施加一写入电流IW，此电流可正可负，正定义为电流从201流向202电极。当写入电流超过某一临界值时，其对铁磁层磁矩产生的自旋力矩足够强，从而使磁矩发生翻转。足够强的正电流使磁矩从向下翻转为向上，足够强的负电流使磁矩从向上翻转为向下。写入电流施加一小段时间(微秒级别)之后撤去，然后沿201到202电极的方向施加探测电流IR，电流的强度可设为0.1mA。测量203到204电极之间的反常霍尔电压VH，则反常霍尔电阻RH＝VH/IR，其值的正负即表示磁矩的向上和向下状态。
图5所示，为将8nm厚的FePt合金薄膜制备成图4所示霍尔棒器件，执行上述电流写入与读取操作，并改变IW的值，所获得的RH-IW回线。图中m↑表示FePt 霍尔棒器件的磁矩方向向上，m↓表示磁矩方向向下。空心方形点表示IW由+38mA 降为-38mA的过程，实心圆点表示IW由-38mA升为+38mA的过程，实线弯箭头指示出磁矩由向上翻转为向下的过程，虚线弯箭头指示出磁矩由向下翻转为向上的过程。RH-IW回线明确地证实了，足够强的正电流使磁矩翻转到向上状态，足够强的负电流使磁矩翻转到向下状态。
本实施例以FePt合金薄膜作为单层铁磁层为例进行说明，但此实施例所用单层铁磁层也可以使用其它诸如FePd、CoPt、CoPd、MnBi、GdFeCo、CoGd等铁磁合金材料。
实施例2
本实施例利用本发明构建磁随机存储器的存储单元，即磁性遂道结。图6给出了此种磁性遂道结的结构示意图，从下到上依次为301磁性存储层，302中间层， 303磁性参考层。301为实施本发明技术的功能层，因此301磁性层应当具有强自旋轨道耦合作用。302中间层为氧化物或者非磁性金属。303磁性参考层可以使用与301层相同的铁磁材料，也可以使用不同的铁磁材料。图6也给出了利用本发明技术写入数据的操作示意图，即在301层面内施加写入电流，利用电流对301层磁矩的自旋力矩作用将301层的磁矩翻转到特定的方向。假定303参考层的磁矩固定为向上，则当施加图中所示方向的写入电流后，301层磁矩翻转为向上，301层磁矩与303层磁矩平行，器件为高电阻状态，此时写入信息为“1”；当施加与图中所示方向相反方向的写入电流后，301层磁矩翻转为向下，301层磁矩与303层磁矩反平行，器件为低电阻状态，此时写入信息为“0”
图7所示，为利用本发明构建的磁性遂道结的数据读取操作示意图。读电流依次流经301、302、303，当301层磁矩与303层磁矩平行时，电流较大，器件处于低阻态，存储的信息为“0”；当301层磁矩与303层磁矩反平行时，电流较小，器件处于高阻态，存储的信息为“1”。
本实施例中，磁性隧道结的写入操作仅使用到一层铁磁层，而不是非磁重金属/磁性层双层，这是与当前已有的基于双层或者多层膜中自旋轨道矩写入数据的磁性遂道结有着本质上的区别的。本实施例中使用单层铁磁层自旋力矩写入数据的技术，将使得由此构建的磁性隧道结具有更加简单的膜层结构，从而可以简化制备工艺，降低成本。
本实施例中所述磁性存储层，应当具有强自旋轨道耦合作用，可以为FePt、 FePd、CoPt、CoPd、MnBi、GdFeCo或CoGd的合金薄膜。
本实施例中所述中间层，可以为氧化物或者非磁性金属。
本实施例中所述磁性参考层，可以与磁性存储层为同一材料，也可以为不同材料，还可以为诸如CoNi、CoFe、CoFeB、FeNi、Co2MnSi等弱自旋轨道耦合的铁磁材料。
以上列举的两个实施例，仅是对本发明应用的具体个例。本发明不限于在此公开的实施例，而是可以根据实际需求选取适当的形式来实施本发明。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料的应用，其特征在于，该单层铁磁材料用于构建磁随机存储器的存储单元与自旋逻辑器的运算单元；
所述存储单元从下到上依次包括单层铁磁材料构成的磁性存储层、中间层与磁性参考层；所述中间层为氧化物或者非磁性金属，所述磁性参考层可采用与磁性存储层相同或不同的材料；
所述单层铁磁材料为FePt的合金薄膜，所述FePt合金薄膜中Pt原子所占FePt总原子数的33-59%；所述单层铁磁材料和基底之间加入缓冲层，或者在单层铁磁材料之上覆盖保护层，所述缓冲层为金属材料或氧化物，所述金属材料为Cu、Ti或Al，所述氧化物为MgO，所述保护层为MgO；
在单层铁磁合金薄膜中产生自旋力矩，并利用此自旋力矩翻转薄膜自身的磁矩，不需要很大的电流密度完成翻转磁矩操作，不容易击穿中间层而造成器件损坏；
基于自旋轨道矩器件，实现每个单元只需要两个接线端，简化器件的架构和制备工艺。
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110224057B (zh) * 2019-05-14 2023-06-02 三峡大学 一种垂直磁化反铁磁磁随机存储器存储单元
US11289644B2 (en) * 2019-12-19 2022-03-29 International Business Machines Corporation Magnetic tunnel junction having all-around structure
CN113488584B (zh) * 2021-06-23 2023-04-07 华中科技大学 基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用
CN113257995B (zh) * 2021-06-23 2021-10-15 北京科技大学 具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101345079A (zh) * 2007-07-13 2009-01-14 株式会社日立制作所 磁电阻器件
CN104393169A (zh) * 2014-10-10 2015-03-04 北京航空航天大学 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器
WO2017222521A1 (en) * 2016-06-22 2017-12-28 Intel Corporation Perpendicular magnet anisotropy based spin hall memory using spin orbit effect

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101345079A (zh) * 2007-07-13 2009-01-14 株式会社日立制作所 磁电阻器件
CN104393169A (zh) * 2014-10-10 2015-03-04 北京航空航天大学 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器
WO2017222521A1 (en) * 2016-06-22 2017-12-28 Intel Corporation Perpendicular magnet anisotropy based spin hall memory using spin orbit effect

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Electrical switching of perpendicular magnetization in L10 FePt single layer;Liang Liu, et al.;《arXiv.org》;20180722;page 1-17 *
Liang Liu, et al..Electrical switching of perpendicular magnetization in L10 FePt single layer.《arXiv.org》.2018,page 1-17. *

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