CN111564552A - 一种基于磁性斯格明子的忆阻器及其阻值调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁性斯格明子的忆阻器及其阻值调控方法，忆阻器由下至上依次包括衬底、第一铁磁层和第二铁磁阵列层，第二铁磁阵列层包括阵列排布的多个第二铁磁单元，第二铁磁单元包括中间层和位于中间层上的第二铁磁层，中间层和第二铁磁层为直径相同的圆柱体结构，中间层为第一铁磁层和第二铁磁层提供反铁磁耦合。通过施加外磁场对忆阻器内斯格明子尺寸进行调控，斯格明子的尺寸会随着外磁场的增大或减小而逐渐变大或逐渐变小，斯格明子尺寸的变化会直接引起忆阻器内磁矩分布的变化，从而引起忆阻器电阻的变化。本发明忆阻器尺寸小，构造简单，可以高密度、大规模集成，高低阻态之间的变化是渐变、连续且可控的。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻变存储器件，特别是涉及一种基于磁性斯格明子的忆阻器及其阻值调控方法。
背景技术
1971年，华裔科学家蔡绍棠推断出继电阻、电容、电感之后还存在一种无源的基本电路元件，该元件代表着电荷和磁通量的关系，它就是忆阻器。忆阻器又称记忆电阻，忆阻器的阻值由流经它的电荷量决定，可以通过测定其阻值来预测电荷。2008年，惠普实验室公开了基于TiO2薄膜的忆阻器件，首次在单一器件中实现了忆阻行为，从而掀起了忆阻器件的研究热潮。
随着半导体领域的发展，不依赖于冯诺依曼构架的神经形态计算有望成为未来的主流计算模式。而人工神经元和人工突触的硬件实现是神经形态计算领域中的基本课题。由于忆阻器具有非线性的电学性质，以及与生物突触相似的两端结构，且忆阻器的阻值可控性和非易失性可以模拟生物突触的学习和记忆功能。因此有望被应用于人工突触的硬件实现。
目前已研发出的忆阻器主要包括金属氧化物忆阻器、钙钛矿忆阻器、非氧化物半导体忆阻器等。主要的工作机理为电致热材料相变、导电细丝的生长与断裂、离子迁移。但同时也存在着电路要求高，能耗高，高低阻态间不连续渐变等弊端，因此现有的忆阻器件不足以满足人工突触硬件实现的要求。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种基于磁性斯格明子的忆阻器，该忆阻器通过对斯格明子尺寸的调控实现器件电阻的连续渐变。
本发明的另一个目的是提供一种所述忆阻器的阻值调控方法。
技术方案：本发明的忆阻器，由下至上依次包括衬底、第一铁磁层和第二铁磁阵列层，其中，第二铁磁阵列层包括阵列排布的多个第二铁磁单元，第二铁磁单元包括中间层和位于中间层上的第二铁磁层，中间层和第二铁磁层为直径相同的圆柱体结构，中间层为第一铁磁层和第二铁磁层提供反铁磁耦合。这样做的目的是为了在第一铁磁层内产生斯格明子。
其中，该忆阻器中斯格明子的产生方法为：利用第一铁磁层与第二铁磁层之间的反铁磁耦合作用，使得第一铁磁层中位于第二铁磁阵列正下方的区域和周围区域的磁矩呈现反向排列的状态，从而在第一铁磁层中形成了圆形的二维磁性结构，即为磁性斯格明子。
由于第一铁磁层与第二铁磁层之间的反铁磁耦合作用，斯格明子总是出现在圆柱体结构的正下方，因此，通过改变第二铁磁单元的位置、数量、排布方式可以控制斯格明子的位置、数量、排布方式。
可选的，衬底为Si/SiO2，第一铁磁层为Pt/Co，中间层为Ru，第二铁磁层为Co/Pt；中间层厚度为0.9nm。该厚度的Ru为上下铁磁层提供反铁磁耦合。
所述忆阻器的阻值调控方法，通过施加外磁场对忆阻器内斯格明子尺寸进行调控，斯格明子的尺寸会随着外磁场的增大或减小而逐渐变大或逐渐变小，斯格明子尺寸的变化会直接引起忆阻器内磁矩分布的变化，从而引起忆阻器电阻的变化，即通过外磁场调控实现忆阻器阻值的连续渐变。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的忆阻器是一个人工合成反铁磁的多层膜结构，提出了一种由反铁磁耦合作用为主导的斯格明子形成机理。器件的中间层与第二铁磁层被打造成尺寸一致的圆柱体，这样的设计可以利用第一铁磁层与第二铁磁层之间的反铁磁耦合作用在第一铁磁层内形成圆形的斯格明子结构。
(2)本发明设计的器件尺寸小，构造简单，可以高密度、大规模集成。为提高类脑计算的计算效率提供了潜能。
(3)本发明利用器件内的磁性斯格明子尺寸的变化来实现器件阻值的变化。高低阻态之间的变化是渐变、连续且可控的，弥补了现有忆阻器具有的电路要求高、高低阻态突变、阻值可控性低、集成度低等缺陷。
附图说明
图1为本发明忆阻器的结构示意图；
图2为本发明实验结果示意图。
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。
如图1(a)所示，本发明的忆阻器，为一个多层膜结构，由下至上依次包括衬底1、第一铁磁层2和第二铁磁阵列层，其中，第二铁磁阵列层包括阵列排布的多个第二铁磁单元，第二铁磁单元包括中间层3和位于中间层上的第二铁磁层4，中间层和第二铁磁层为直径相同的圆柱体结构。由于斯格明子是圆形的手性磁性结构，因此圆柱体结构有利于在第一铁磁层产生圆形的斯格明子。
该忆阻器结构材料理论上适用于所有的人工合成反铁磁材料体系，典型的人工合成反铁磁结构通常由两个铁磁层组成，并且这两个铁磁层之间由一层非磁性层隔开，通过调整各层的厚度来实现两铁磁层之间的反铁磁耦合，常见的人工合成反铁磁材料体系有[Pt/CoFeB]N1/Ru/[CoFeB/Pt]N2、[Pt/Co]N1/Ru/[Co/Pt]N2、[Ni/Co]N1/Ru/[Co/Ni]N2等等，本实施例中所采用的具体材料为：衬底为Si/SiO2，第一铁磁层为Pt/Co、中间层为Ru，第二铁磁层为Co/Pt，其中，第一铁磁层、中间层和第二铁磁层的厚度分别为4.8nm、0.9nm和4.8nm，中间层和第二铁磁层的直径为400nm，相邻两个第二铁磁单元圆心之间的间距为800nm。
中间层Ru的作用是提供上下两铁磁层之间的耦合作用，具体是铁磁耦合还是反铁磁耦合取决于中间层Ru的厚度，厚度在0nm～1nm范围内都可以为上下铁磁层提供反铁磁耦合，本实施例中使用的是0.9nm的Ru，经实验测得的磁滞回线可证明该厚度的Ru为上下铁磁层提供反铁磁耦合。
由于0.9nm的Ru层的存在，使得上下两铁磁层呈现反铁磁耦合。把中间层和第二铁磁层打造成圆柱体结构，这样设计的目的是为了利用上下铁磁层之间的反铁磁耦合作用以及较小的界面Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用在第一铁磁层产生斯格明子。
图1(a)中的忆阻器结构可以看成由多个忆阻器单元阵列组成，如图1(b)所示，为忆阻器单元结构示意图，如图1(c)所示，为忆阻器单元结构剖面示意图，图中箭头5表示层内磁矩的指向。斯格明子形成机理为：由于中间层Ru的存在，第一铁磁层和第二铁磁层呈反铁磁耦合，如图1(c)所示，第二铁磁层内磁矩向下排列，由于第一铁磁层和第二铁磁层之间的反铁磁耦合作用，导致第一铁磁层中与第二铁磁层相对应区域内的磁矩与第二铁磁层磁矩呈反向排列，也就是向上排列，而该区域之外的磁矩与第二铁磁层磁矩呈同向排列，也就是向下排列。从而在第一铁磁层中形成了圆形的二维磁性结构，即为磁性斯格明子。
本发明磁性斯格明子的产生不完全依赖于传统的界面Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用，而是上下两铁磁层的反铁磁耦合作用占主导地位，反铁磁耦合使得第一铁磁层的磁矩结构呈现中心与四周反向排列的状态，从而形成了斯格明子结构。由于第一铁磁层与第二铁磁层之间的反铁磁耦合作用，斯格明子总是出现在圆柱体结构的正下方，因此，通过改变圆柱体结构的位置、数量、排布方式可以控制斯格明子的位置、数量、排布方式。
本发明可通过施加外磁场对忆阻器内斯格明子尺寸进行调控，斯格明子尺寸的变化会直接引起忆阻器内磁矩分布的变化，从而引起忆阻器电阻的变化，即通过外磁场调控实现忆阻器阻值的连续渐变。
为了研究外磁场对忆阻器阻值的调控作用，我们用磁光克尔测量系统和电输运测量系统两种实验方法分别对忆阻器的磁矩和反常霍尔电阻进行了测量，为忆阻器施加一个外磁场使忆阻器处于正向饱和状态，再由正向饱和状态向负向饱和状态扫场的过程中在第一铁磁层中会出现斯格明子态，在斯格明子存在的外磁场范围内，斯格明子的尺寸会随着外磁场的增大或减小而逐渐变大或逐渐变小。由于斯格明子尺寸的变化会直接影响忆阻器磁矩的分布，且忆阻器磁矩的变化又与忆阻器的反常霍尔电阻直接相关，从而影响忆阻器电阻的大小。因此，通过外磁场调控可以改变忆阻器内斯格明子尺寸，从而改变忆阻器磁矩分布，进而改变忆阻器的反常霍尔电阻。实验结果可以用图2进行解释。
如图2(a)所示，为施加在忆阻器上的外磁场的变化。横坐标为时间t，纵坐标为外磁场H。Hmin和Hmax为所施加的最小外磁场和最大外磁场。外磁场呈幅值逐渐减小的锯齿状变化。
如图2(b)所示，为给忆阻器施加如图2(a)所示的外磁场后，忆阻器磁矩的变化情况。横坐标为时间t，纵坐标为磁矩M。由图可见，当外磁场由Hmin连续地升至Hmax时，忆阻器内部的磁矩也由磁矩的最小值Mmin连续上升至磁矩最大值Mmax。而引起磁矩变化的原因是忆阻器内斯格明子的尺寸由较小尺寸变化至较大尺寸。同理，当外磁场由Hmax降低至Hmin时，忆阻器磁矩也由Mmax降低至Mmin，对应的斯格明子尺寸也由较大尺寸缩小至较小尺寸。以此类推，便得到了与施加外磁场变化趋势相同的忆阻器磁矩的变化，从而证明了可以通过连续改变外磁场对斯格明子尺寸进行连续调控。
如图2(c)所示，为给忆阻器施加如图2(a)所示的外磁场后，忆阻器的反常霍尔电阻的变化情况。横坐标为时间t，纵坐标为忆阻器的反常霍尔电阻R。Rmin和Rmax为所测得的较大的反常霍尔电阻和较小的反常霍尔电阻。由于忆阻器的反常霍尔电阻与忆阻器磁矩直接相关，因此，忆阻器反常霍尔电阻的变化与忆阻器磁矩的变化或者与忆阻器内部斯格明子尺寸的变化呈现相同的趋势，因此可以证明通过连续改变外磁场可以对忆阻器内部斯格明子尺寸进行连续调控，进而对忆阻器的反常霍尔电阻进行连续调控。我们可以通过对忆阻器施加的外磁场来预测忆阻器的阻值，实现了忆阻器对自身阻值的记忆功能。基于上述的可控和忆阻的两个特点，本发明提出的基于磁性斯格明子的忆阻器可以满足忆阻器的要求。
Claims (6)
1.一种基于磁性斯格明子的忆阻器，其特征在于，由下至上依次包括衬底(1)、第一铁磁层(2)和第二铁磁阵列层，其中，第二铁磁阵列层包括阵列排布的多个第二铁磁单元，第二铁磁单元包括中间层(3)和位于中间层上的第二铁磁层(4)，中间层和第二铁磁层为直径相同的圆柱体结构，中间层为第一铁磁层和第二铁磁层提供反铁磁耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的忆阻器，其特征在于，该忆阻器中斯格明子的产生方法为：利用第一铁磁层和第二铁磁层的反铁磁耦合作用，使得第一铁磁层中位于第二铁磁阵列正下方的区域和周围区域的磁矩呈现反向排列的状态，从而在第一铁磁层中形成了圆形的二维磁性结构，即磁性斯格明子。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的忆阻器，其特征在于，通过改变第二铁磁单元的位置、数量、排布方式控制斯格明子的位置、数量、排布方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的忆阻器，其特征在于，衬底为Si/SiO2，第一铁磁层为Pt/Co，中间层为Ru，第二铁磁层为Co/Pt。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁性斯格明子的忆阻器，其特征在于，中间层为Ru，厚度为0.9nm。
6.一种权利要求1-5任一项所述基于磁性斯格明子的忆阻器的阻值调控方法，其特征在于，通过施加外磁场对忆阻器内斯格明子尺寸进行调控，斯格明子的尺寸会随着外磁场的增大或减小而逐渐变大或逐渐变小，斯格明子尺寸的变化会直接引起忆阻器内磁矩分布的变化，从而引起忆阻器电阻的变化，即通过外磁场调控实现忆阻器阻值的连续渐变。
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2020
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| YONG LI等: ""An Artificial Skyrmion Platform with Robust Tunability in Synthetic Antiferromagnetic Multilayers" * |
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