CN110176254B - 一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件及数据存储方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件及数据存储方法。该存储器件包括基体，数据存储介质和探针，所述基体为导电基体；所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，其规则排列在导电基体表面；所述探针用于数据存储介质的数据的写入和/或读取；所述写入操作包括通过施加磁场改变自旋态可变分子层中有机分子的自旋态，所述读取操作包括检测出可变分子层中分子的自旋态；所述自旋可变有机分子为酞菁亚铁分子。本发明以酞菁亚铁分子为存储介质，通过改变施加磁场的强弱控制分子自旋态的转变，实现了信息的单分子写入，通过探针检测自旋态可以实现信息的单分子读取，从而达到利用磁场调控分子自旋态进行信息存储的目的。

Description

一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件及数据存储方法
技术领域
本发明属于存储器件技术领域，具体涉及一种磁场调控存储器件。
背景技术
磁场调控存储，指的是通过改变磁场的强弱从而改变数据存储介质中的数据的存储方式，其对应的单一存储单元占据面积小，工作电压低，功耗小，磁化状态稳定。目前采用的存储方式主要包括光存储、磁存储等，而借助扫描隧道显微镜(STM)进行磁场调控存储也是非常重要的一部分。利用扫描隧道显微镜极高的空间和能量分辨率和有机材料便于操纵组装的特点，可以对数据存储介质中的数据进行精确探测和操纵。
在现有的磁存储器件中，信息的写入与读取大多都是基于磁致电阻效应实现的，而目前的磁存储主要是垂直记录技术、热辅助磁性记录和图案化磁信息存储介质等。如中国发明专利申请CN200880012609.3提供了一种垂直磁记录介质，能够在不减损热稳定性的情况下更容易地在该介质上执行记录。中国发明专利申请CN201280071385.X提供了一种能维持磁性晶粒之间的磁分离、并具有 10K/nm以上的dT/dx的能适用于热辅助记录的磁记录介质。另外，基于扫描隧道显微镜和分子位移实现的存储器也得到迅猛发展。例如，中国发明专利申请 CN02110772.6公开了一种基于扫描隧道显微技术的可逆的分子电子器件，利用外加的正反向脉冲电压驱动分子位移实现信息的擦写和读取。
金属酞菁分子有平面的结构，能够自发吸附于各种界面而有序排列成各种结构，且其磁学特性丰富，自旋态易于调控，适合分子器件的研究。
发明内容
本发明利用有机分子的自旋态的变化，提出了一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件，可以实现信息的磁场调控存储。
本发明的一方面在于提出了一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件，该存储器件包括基体、数据存储介质和探针；所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，所述自旋态可变有机分子层的有机分子规则排列在所述基体表面；所述探针设置在数据存储介质表面，用于数据存储介质的数据写入和/或读取。
进一步，所述自旋可变有机分子为酞菁亚铁分子。
进一步，所述写入操作包括通过施加磁场改变所述自旋态可变有机分子层中有机分子的自旋态，所述读取操作包括检测出所述自旋态可变有机分子层中有机分子的自旋态。
进一步，所述写入操作是通过对所述自旋态可变有机分子层中有机分子施加磁场而改变有机分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振谷或峰。
进一步，所述基体为导电基体。
进一步，所述导电基体为Au基体、Ag基体或Cu基体。
进一步，磁场调控下的所述磁场为0-8T。
进一步，所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金或碳纳米管。
作为本发明的另一方面，本发明还提出了一种磁场调控存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，所述自旋态可变有机分子层规则排列在所述基体表面；
2)使用探针沿着与所述基体平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取，所述探针设置在数据存储介质表面，用于数据存储介质的数据写入和/或读取，所述写入操作包括通过施加磁场改变所述自旋态可变有机分子层中有机分子的自旋态，所述读取操作包括检测出所述自旋态可变有机分子层中有机分子的自旋态。
进一步，所述写入操作是通过对所述自旋态可变有机分子层中有机分子施加磁场而改变有机分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振谷或峰。
本发明的有益效果在于：本发明提出了一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件，通过施加磁场调控有机分子自旋态的转变，能够实现对信息的磁场调控存储，并且转变后的自旋态非常稳定，可以实现信息的稳定存储。本发明另外还提出了一种使用该存储器件实现数据存储的方法，实现了信息的单分子写入与读取。本发明立足于存储介质数据写入技术，提出了一种磁场调控的存储技术和器件，通过使用易于实现自旋态转变的酞菁亚铁分子作为存储介质，并且在磁场调控下控制自旋态的转变，实现器件的磁场调控存储。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为本发明的磁场调控存储器件的组成结构示意图；
附图2为本发明所述自旋态可变有机分子的形貌图；
附图3为为本发明所述自旋态可变有机分子在不同磁场下的自旋态的示意图。
图中，1、探针，2、数据存储介质，3、基体。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
如图1所示，本发明的一种基于分子自旋态的磁场存储器件，包括基体3、数据存储介质2和探针1；所述基体3为导电基体；所述数据存储介质2为自旋态可变有机分子层，自旋态可变有机分子层中的有机分子规则排列在导电基体表面；所述探针1用于数据存储介质的数据写入和/或读取；所述写入操作包括通过施加磁场改变自旋态可变有机分子层中分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变有机分子层中分子的自旋态，所述自旋态可变有机分子为酞菁亚铁分子。
进一步，所述写入操作是通过对自旋态可变有机分子层中的分子施加磁场而改变分子的自旋态。所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振谷或峰。通过探针沿着与导电基体平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取。
进一步，磁场调控所述磁场为0-8T；优选的所述磁场为0T，4T和8T.
进一步，所述导电基体为Ag、Au、Pt基体，优选为Au基体。
进一步，所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金、碳纳米管等，优选为铂铱合金。
作为本发明的另一方面，本发明还提出了一种使用上述的磁场调控存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述基体为导电基体，所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，自旋态可变有机分子层中的有机分子规则排列在导电基体表面，所述自旋态可变有机分子为酞菁亚铁分子；
2)使用探针沿着与导电基体平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取，所述探针用于数据存储介质的数据写入和/或读取；所述写入操作包括通过施加磁场改变自旋态可变分子层中有机分子的自旋态，所述读取操作包括检测出自旋态可变有机分子层中分子的自旋态。
进一步，所述写入操作是通过对自旋态可变分子层中分子施加磁场而改变分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测是否存在近藤共振谷或峰。通过探针沿着与导电基体平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取。
实施例1
通过对作为基体的金单晶表面进行多轮的氩离子轰击和退火，可以获得单原子尺度平整的Au(111)表面。将酞菁亚铁分子放置在超高真空腔内，利用自制钽舟将其蒸镀到处于室温的Au(111)基体上。在室温沉积后，酞菁亚铁分子沉积到Au基体上形成酞菁亚铁单分子层，在该单分子层上设置探针，形成了存储器件。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，使用一个铂铱合金针尖靠近酞菁亚铁分子，在100mV的扫描电压和100pA的隧穿电流的扫描条件下，沿着与导电基体平行的平面进行扫描，可以得到酞菁亚铁分子的构型，十字形，分子中心较亮而四周相对较暗，即图2所示。通过施加外磁场可实现分子在不同磁场下的自旋态的相互可逆转变，从而实现信息的写入过程。将酞菁亚铁分子在不同的磁场下的自旋态赋予不同的信息存储状态，即可实现信息的磁场调控下的三进制存储。
如图3所示，为了实现信息的读取过程，在分子中心上方检测微分电导谱，即dI/dV谱。由于酞菁亚铁分子中心的亚铁离子有两个未成对的自旋电子，其与导电基体的非局域电子气发生耦合，产生近藤共振，在dI/dV谱上表现为在近藤共振峰的背景下，零偏压附近会有一个近藤谷。在没有施加外磁场下，零偏压附近的近藤谷不太明显，谱线上显示微分电导变化不大，可以将此自旋态定为0；施加外磁场为4T时，由于塞曼效应，零偏压附近会有一个尖锐的近藤谷，微分电导在零偏压附近有明显的下降，可以将此自旋态定为1；施加外磁场为8T时，零偏压附近会有凸起的近藤峰，微分电导在零偏压附近有明显的上升，可以将此自旋态定为2。通过检测dI/dV谱中零偏压附近的微分电导值的变化就可以判断此时分子的自旋态，从而实现信息的读取。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件，其特征在于：该存储器件包括基体、数据存储介质和探针；所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，所述自旋态可变有机分子层的有机分子规则排列在所述基体表面；所述探针设置在数据存储介质表面，用于数据存储介质的数据写入和/或读取；
所述写入操作包括通过施加磁场改变所述自旋态可变有机分子层中有机分子的自旋态，所述读取操作包括检测出所述自旋态可变有机分子层中有机分子的自旋态；所述自旋态可变有机分子层中的有机分子为酞菁亚铁分子；
所述写入操作是通过对所述自旋态可变有机分子层中有机分子施加磁场而改变有机分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测零偏压附近是否存在近藤共振谷或峰。
2.根据权利要求1所述的一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件，其特征在于：所述基体为导电基体。
3.根据权利要求2所述的一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件，其特征在于：所述导电基体为Au基体、Ag基体或Cu基体。
4.根据权利要求1所述的一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件，其特征在于：磁场调控下的所述磁场为0-8T。
5.根据权利要求1所述的一种基于分子自旋态的磁场调控存储器件，其特征在于：所述探针的针尖材料为钨合金、铂铱合金或碳纳米管。
6.一种磁场调控存储器件进行数据存储的方法，该方法包括，
1)在基体表面上形成数据存储介质，所述数据存储介质为自旋态可变有机分子层，所述自旋态可变有机分子层规则排列在所述基体表面；所述自旋态可变有机分子层中的有机分子为酞菁亚铁分子；
2)使用探针沿着与所述基体平行的平面进行扫描而实现数据的写入或读取，所述探针设置在数据存储介质表面，用于数据存储介质的数据写入和/或读取，所述写入操作包括通过施加磁场改变所述自旋态可变有机分子层中有机分子的自旋态，所述读取操作包括检测出所述自旋态可变有机分子层中有机分子的自旋态；
所述写入操作是通过对所述自旋态可变有机分子层中有机分子施加磁场而改变有机分子的自旋态；所述读取操作是通过扫描隧道谱dI/dV谱检测零偏压附近是否存在近藤共振谷或峰。
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