CN110190182A - 一种超薄自旋阀器件的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超薄自旋阀器件的设计方法，它涉及电子器件技术领域。包括自由层、钉扎层和反铁磁层，自由层与钉扎层相邻，钉扎层和反铁磁层相邻，所述的自由层、钉扎层均采用二维稀土半金属磁性材料。反铁磁层采用FeMn、IrMn、NiMn和PtMn等传统材料。本发明应用二维稀土半金属磁性材料制作超薄自旋阀，提高自旋阀的灵敏度，将自旋阀厚度降低到2nm以下，是现在普遍使用的自旋阀厚度的1/3。取消了绝缘层，进而简化自旋制备的工艺流程。
Description
技术领域
本发明涉及的是电子器件技术领域，具体涉及一种超薄、高开关比自旋阀器件的设计方法。
背景技术
众所周知，当前的智能手机和移动硬盘的存储空间越来越大，极大 地改善了人们的生活水平。这主要受益于自旋阀这一重要的电子器件。 目前通用的自旋阀结构如图1所示，它由一层自旋方向可调的铁磁层、 一层隔离层、一层自旋方向固定的铁磁层以及一层反铁磁层所组成。铁 磁层材料通常为Fe。反铁磁层通常选择FeMn、IrMn、NiMn、PtMn、CoO 和NiO等。反铁磁层与铁磁层形成异质结，相互之间存在较强的磁耦合 作用，可以有效地固定钉扎层的自旋方向。两铁磁层之间的非磁隔离层 可有效减小或消除铁磁层之间的磁耦合作用，从而调控自由层的自旋。 目前普遍使用MgO作为绝缘层材料。随着MgO厚度的减小，器件开关比 会减小。因此，在降低磁阻器件厚度与能耗的同时，还保持较高的开关 比是磁存储与自旋阀领域的一个关键问题。目前，该类器件的开关比在 400％左右，进一步提高开关比与器件灵敏度是该领域的另一个关键问题。
目前，广泛应用于磁存储与磁传感领域的自旋阀器件由两个铁磁层中间夹着一层绝缘层所以及一层反铁磁层组成，其最小厚度为7nm。并且，在现有设计的基础上其厚度难以大幅度降低。传统的自旋阀的结构如图1所示。
因此，本发明提出应用厚度低于2nm的双层二维稀土半金属磁性化合物结构制作自旋阀。在器件构造上省略了中间绝缘层部分。使得整个器件的厚度低于2nm。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种超薄自旋阀器件的设计方法，结构设计合理，提高了自旋阀的灵敏度与开关比，简化的工艺流程。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种超薄自旋阀器件，包括自由层、钉扎层和反铁磁层，自由层与钉扎层相邻，钉扎层和反铁磁层相邻，所述的自由层、钉扎层均采用二维稀土磁性材料。反铁磁层采用FeMn、IrMn、NiMn和PtMn等传统材料。
作为优选，所述的自由层、钉扎层的整体厚度低于2nm。
作为优选，所述的一种超薄自旋阀器件的设计方法：将传统的自旋阀的隔离层去除，并采用二维半金属磁性材料制作自由层、钉扎层，反铁磁层上依次设置有钉扎层和自由层，制备得的自旋阀厚度小于2nm，提高了开关比。
本发明的有益效果：本发明采用二维磁性材料设计超薄自旋阀，可以有效降低自旋阀器件的厚度，并提高开关比。以此进一步提高电子产品的磁存储密度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为传统的自旋阀的结构示意图；
图2为本发明的结构示意图；
图3(a)为本发明当自旋层与钉扎层的自旋方向一致时，器件的自由层、钉扎层、反铁磁层以及外界电极的能带分布图；
图3(b)为本发明当自旋层与钉扎层的自旋方向相反时，器件的自由层、钉扎层、反铁磁层以及外界电极的能带分布图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图2和图3，本具体实施方式采用以下技术方案：一种超薄自旋阀器件，参照图2，本具体实施方式采用以下技术方案：一种超薄自旋阀器件，包括自由层1、钉扎层2和反铁磁层3，自由层1与钉扎层2相邻，钉扎层2和反铁磁层3相邻，所述的自由层1、钉扎层2均采用二维稀土磁性材料。反铁磁层采用FeMn、IrMn、NiMn和PtMn等传统材料。
值得注意的是，所述的自由层1、钉扎层2的整体厚度低于2nm。
所述的一种超薄自旋阀器件的设计方法：将传统的自旋阀的隔离层去除，并采用二维磁性材料制作自由层(FM)、钉扎层(FM)和反铁磁层(AFM)，反铁磁层上依次设置有钉扎层和自由层，制备得的自旋阀厚度小于2nm，提高了开关比。
本具体实施方式用化学气相沉积方法在反铁磁层(3)表面生长两层二维半金属磁性稀土化合物。由于二维材料的层间相互作用较弱，其间的磁耦合作用也极弱。因此，这里无需像传统制备方法那样插入隔离层以阻碍两铁磁层之间的磁耦合作用。反铁磁层(3)表面具有一定的活性，其与钉扎层(2)之间具有一定的相互作用，可以有效固定钉扎层(2)的自旋方向。而自由层(1)与自旋层(2)之间的磁耦合作用极弱，因此自由层(1)的自旋方向可以由外界磁场随意调控。
当自旋层(1)与钉扎层(2)的自旋方向一致时，器件的自由层、钉扎层、反铁磁层以及外界电极的能带分布如图3(a)所示。电极上自旋向上的电子(浅色原子)可以顺利迁移到自由层(1)中的自旋向上电子轨道。同理，其可以进一步迁移到钉扎层(2)以及反铁磁层(3)中的自旋向上的电子轨道。这样，自旋向上的电子可以顺利从电极中穿过整个器件，实现导电。
然而，自旋向下的电子(深色小球表示)从电极中出发，其难以迁移到自由层(1)上。因为自由层(1)中自旋向下的电子轨道在费米能级附近没有分布，电子无法在此聚集。因此，对于自旋向下的电子，其无法顺利从电极中穿过整个自旋阀器件。考虑到器件导电性是由自旋向上的电子与自旋向下的电子共同承担的，因此当自由层(1)与钉扎层(2)的自旋排列一致时，自旋阀整体是导电的。
当自旋层(1)与钉扎层(2)的自旋方向相反时，器件的自由层、钉扎层、反铁磁层以及外界电极的能带分布如图3(b)所示。自旋向上的电子(深色小球表示)从电极中出发，其难以迁移到自由层(1)上。因为自由层(1)中自旋向上的电子轨道在费米能级附近没有分布，电子无法在此聚集。因此，对于自旋向上的电子，其无法顺利从电极中穿过整个自旋阀器件。对于自旋向下的电子(浅色原子)可以顺利迁移到自由层(1)中的自旋向下电子轨道。然而，由于钉扎层自旋向下的轨道在费米能级附近没有分布，因此自旋向下的电子无法从自由层(1)顺利迁移经过钉扎层(2)。这样，自旋向下的电子无法顺利从电极中穿过整个器件。总体而言，不管是自旋向上，还是自旋向下电子，它们都无法穿过整个自旋阀。因此，这时候自旋阀不导电。
相应的，只要人们通过外磁场调控自由层(1)的自旋方向，该器件就可以实现导电与不导电两个状态的变化，进而实现数据储存的效果。
本具体实施方式应用二维稀土磁性材料制作超薄自旋阀，提高自旋阀的开关比与灵敏度，将自旋阀厚度降低到2nm以下，低于现在普遍使用的自旋阀厚度的1/3。取消了绝缘层4（NM），进而简化自旋制备的工艺流程。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (3)
1.一种超薄自旋阀器，其特征在于，包括自由层(1)、钉扎层(2)和反铁磁层(3)，自由层(1)与钉扎层(2)相邻，钉扎层(2)和反铁磁层(3)相邻，所述的自由层(1)和钉扎层(2)均采用二维稀土磁性材料。
2.根据权利要求1所述的一种超薄自旋阀器，其特征在于，所述的自由层(1)、钉扎层(2)的整体厚度低于2nm。
3.所述的一种超薄自旋阀器件的设计方法，其特征在于，将传统的自旋阀的隔离层去除，并采用二维半金属磁性材料制作自由层和钉扎层，反铁磁层上依次设置有钉扎层和自由层，制备得的自旋阀厚度小于2nm，提高了开关比。
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