CN113285017B - 基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件。该存储器件包括：半金属层、缓冲层和铁磁层；所述缓冲层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述缓冲层与所述铁磁层的接触面，相对于与所述半金属层的接触面的倾斜度为15°‑20°，所述铁磁层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述铁磁层与所述缓冲层的接触面，相对于所述半金属层的倾斜度为15°‑20°，所述铁磁层的表面相对于所述半金属层的倾斜度为10°‑15°，所述半金属层采用的材料为Weyl半金属，可以增加磁性作用，并产生室温下稳定的斯格明子，可在室温下形成斯格明子存储器件，从而降低了存储器件的运行功耗，极大提高存储器件的稳定性和运行速度。

Description

基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件
技术领域
本申请涉及电子技术领域，特别是涉及一种基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件。
背景技术
二十世纪以来，人们对存储器的要求越来越高：追求存储器体积变小，存储量变大，读写变快，数据存储更稳定，功耗更小。在计算机的信息处理中，输入的原始数据、中间运行结果和最终运行结果都会保存在存储器里。
近年来，磁性斯格明子由于具有拓扑保护、尺寸小、驱动电流密度低等特性逐渐受人们重视，有望作为未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的信息载体。磁性斯格明子是一种具有准粒子特性的螺旋状手性磁结构，这种非拓扑平庸的准粒子可稳定存在于手性磁体中。需要获得磁性斯格明子，就离不开Dzyaloshinskii-Moria相互作用，这种简称为D-M的相互作用(D-MInteraction，DMI)又被称为反对称交换作用，描述的是临近磁矩之间的一种磁交换相互作用。典型的临近磁矩之间的磁交换相互作用是海森堡交换作用，它使得临近的两个电子的自旋磁矩总是平行或反平行排列。比如，铁磁性材料中磁矩由于海森堡相互作用而指向相同的方向，即平行排列时体系能量最低。
关于磁性斯格明子的研究主要集中在两类材料：第一类是具有非中心对称结构的块体材料，在这类材料中，D-M的相互作用起源于晶体结构的对称性破缺,趋向形成Bloch型磁性斯格明子，这类磁性斯格明子通常存在于低温或接近室温的环境；第二类材料是重金属/铁磁金属薄膜异质结，在这类材料中，D-M的相互作用起源于界面反演对称性破缺，趋向形成Néel型磁性斯格明子，目前只能在低温下稳定存在。
首次在多层膜材料中观察到室温磁性斯格明子是2015年，Gong Chen等人在Cu/Ni/Cu/(Fe/Ni)多层膜体系中通过层间交换耦合作用调控生成无外磁场辅助的Néel型磁性斯格明子。15ML的Ni层由于层间交换耦合在Fe(2ML)/Ni(2ML)层产生一个垂直膜面方向的有效垂直磁场，通过调控无磁性的Cu层厚度到一个合适的值(～8.6ML)，从而生成磁性斯格明子，尺寸约400nm，并利用自旋极化低能电子显微镜检测了其自旋构型为Néel型磁性斯格明子，
在人造薄膜材料中，金属层与其上方的铁磁薄膜层在界面处磁性原子与金属原子间具有很强的自旋-轨道耦合作用，从而在界面处产生D-M的相互作用，有利于磁性斯格明子的生成。传统晶体材料的界面处的Rashba效应不够强，导致翻转不够迅速，Rashba效应被普遍认为是构建全自旋器件，产生磁性斯格明子的重要效应，Rashba效应主要描述在对称破缺的薄膜结构或者反演不称性的晶体材料的界面处，自旋轨道耦合效应导致了传导电子不同自旋取向的能级发生劈裂，其结果是传导电子的自旋角动量会优先地向某一特定方向弛豫，从而传导电子发生自旋极化现象，在薄膜异质结构中，Rashba效应的存在使得人们可以利用纯电学方法产生自旋极化电流，并进一步可以通过Rashba效应产生的自旋轨道力矩调控磁性材料的磁化状态。
因此，传统铁磁薄膜层产生的D-M的相互作用一般低于临界值，只能在低温下产生稳定的磁性斯格明子，无法保持常温下稳定的磁性斯格明子，使得磁性斯格明子在存储器件领域无法得到应用，而传统的磁性随机存储器件稳定性差的问题。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高存储器件稳定性的基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件。
一种基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件，所述斯格明子存储器件自下而上包括：半金属层、缓冲层和铁磁层；
所述缓冲层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述缓冲层与所述铁磁层的接触面，相对于与所述半金属层的接触面的倾斜度为15°-20°；所述铁磁层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述铁磁层与所述缓冲层的接触面，相对于所述半金属层的倾斜度为15°-20°，所述铁磁层的表面相对于所述半金属层的倾斜度为10°-15°；所述半金属层采用的材料为Weyl半金属。
在其中一个实施例中，所述Weyl半金属为NbIrTe4。
在其中一个实施例中，所述缓冲层采用的材料为钽。
在其中一个实施例中，所述铁磁层材料采用的材料为铁钴硼。
在其中一个实施例中，所述铁磁层厚度最厚的位置为3nm，所述铁磁层厚度最薄的位置为1nm。
在其中一个实施例中，所述缓冲层厚度最厚的位置为5nm，所述缓冲层厚度最薄的位置为3nm。
在其中一个实施例中，所述半金属层厚度最厚的位置为6nm，所述半金属层厚度最薄的位置为4nm。
上述基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件，通过所述斯格明子存储器件自下而上包括：半金属层、缓冲层和铁磁层；所述缓冲层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述缓冲层与所述铁磁层的接触面，相对于与所述半金属层的接触面的倾斜度为15°-20°，D-M的相互作用会逐渐超过临界值，并且得到合适的较小的垂直磁各向异性场，也能显著增加SOT效率，所述铁磁层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述铁磁层与所述缓冲层的接触面，相对于所述半金属层的倾斜度为15°-20°，所述铁磁层的表面相对于所述半金属层的倾斜度为10°-15°，以增加Rashba效应，这种改良可以使存储器写入时状态更容易翻转，所述半金属层采用的材料为Weyl半金属，可以增加磁性作用，并产生室温下稳定的斯格明子，可在室温下形成斯格明子存储器件，从而降低了存储器件的运行功耗，极大提高存储器件的稳定性和运行速度。
附图说明
图1为一个实施例中基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件的结构示意图；
图2为一个实施例中NbIrTe4化合物的结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在一个实施例中，如图1所示，一种基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件，斯格明子存储器件自下而上包括：半金属层、缓冲层和铁磁层；
缓冲层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使缓冲层与铁磁层的接触面，相对于与半金属层的接触面的倾斜度为15°-20°；铁磁层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使铁磁层与缓冲层的接触面，相对于半金属层的倾斜度为15°-20°，铁磁层的表面相对于半金属层的倾斜度为10°-15°；半金属层采用的材料为Weyl半金属。
其中，铁磁层材料有一定倾斜度，能增强Rashba效应，易于翻转；缓冲层呈一定倾斜度，以提高SOT效率，DM相互作用会逐渐超过临界值，并且得到合适的垂直磁各向异性场。
铁磁层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使铁磁层与缓冲层的接触面，相对于半金属层的的倾斜度为度具体可以为20°，也可以是18°等等，具体的倾斜度可根据实际情况调整。缓冲层与铁磁层的接触面，相对于与半金属层的接触面的倾斜度为20°，也可以是18°等等，具体的倾斜度可根据实际情况调整。铁磁层的表面相对于半金属层的倾斜度为15°，也可以是13°等等，具体的倾斜度可根据实际情况调整。
最优地,铁磁层与缓冲层的接触面，相对于半金属层的的倾斜度为度具体为20°，缓冲层与铁磁层的接触面，相对于与半金属层的接触面的倾斜度为20°，铁磁层的表面相对于半金属层的倾斜度为15°。
在一个实施例中，Weyl半金属为NbIrTe4。
其中，NbIrTe4是一个非中心对称的正交结构晶系的化合物，其化合物的结构如图2所示。半金属层采用的材料为Weyl半金属NbIrTe4，可以使其表面态能产生费米弧，费米能级处产生自旋，能增强电荷自旋转换。
在一个实施例中，缓冲层采用的材料为钽(Ta)。
在一个实施例中，铁磁层材料采用的材料为铁钴硼(CoFeB)。
在一个实施例中，铁磁层厚度最厚的位置为3nm，铁磁层厚度最薄的位置为1nm。
在一个实施例中，缓冲层厚度最厚的位置为5nm，缓冲层厚度最薄的位置为3nm。
其中，缓冲层厚度最厚的位置为5nm，缓冲层厚度最薄的位置为3nm，可以保证良好的平整度。
在一个实施例中，半金属层厚度最厚的位置为6nm，半金属层厚度最薄的位置为4nm。
上述基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件，通过所述斯格明子存储器件自下而上包括：半金属层、缓冲层和铁磁层；所述缓冲层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述缓冲层与所述铁磁层的接触面，相对于与所述半金属层的接触面的倾斜度为15°-20°，D-M的相互作用会逐渐超过临界值，并且得到合适的较小的垂直磁各向异性场，也能显著增加SOT效率，所述铁磁层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述铁磁层与所述缓冲层的接触面，相对于所述半金属层的倾斜度为15°-20°，所述铁磁层的表面相对于所述半金属层的倾斜度为10°-15°，以增加Rashba效应，这种改良可以使存储器写入时状态更容易翻转，所述半金属层采用的材料为Weyl半金属，可以增加磁性作用，并产生室温下稳定的斯格明子，可在室温下形成斯格明子存储器件，从而降低了存储器件的运行功耗，极大提高存储器件的稳定性和运行速度。
基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件的制备，可以通过磁控溅射的方法将存储单元的各层物质(即半金属层、缓冲层和铁磁层)按照从下到上的顺序制备，然后通过光刻、刻蚀等传统纳米器件加工工艺来制备。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件，其特征在于，所述斯格明子存储器件自下而上包括：半金属层、缓冲层和铁磁层；
所述缓冲层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述缓冲层与所述铁磁层的接触面，相对于与所述半金属层的接触面的倾斜度为15°-20°；
所述铁磁层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述铁磁层与所述缓冲层的接触面，相对于所述半金属层的倾斜度为15°-20°，所述铁磁层的表面相对于所述半金属层的倾斜度为10°-15°；
所述半金属层采用的材料为Weyl半金属。
2.根据权利要求1所述的斯格明子存储器件，其特征在于，所述Weyl半金属为NbIrTe4。
3.根据权利要求1所述的斯格明子存储器件，其特征在于，所述缓冲层采用的材料为钽。
4.根据权利要求1所述的斯格明子存储器件，其特征在于，所述铁磁层材料采用的材料为铁钴硼。
5.根据权利要求1所述的斯格明子存储器件，其特征在于，所述铁磁层厚度最厚的位置为3nm，所述铁磁层厚度最薄的位置为1nm。
6.根据权利要求1所述的斯格明子存储器件，其特征在于，所述缓冲层厚度最厚的位置为5nm，所述缓冲层厚度最薄的位置为3nm。
7.根据权利要求1所述的斯格明子存储器件，其特征在于，所述半金属层厚度最厚的位置为6nm，所述半金属层厚度最薄的位置为4nm。
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