CN113393875A - 磁性斯格明子的写入方法、信息存储器件及读取系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种磁性斯格明子的写入方法、信息存储器件及读取系统，一种磁性斯格明子的写入方法，包括：根据待存储数据确定待写入的磁性斯格明子的目标数量，所述目标数量与待存储数据相对应；对拓扑磁结构施加目标电压以使所述拓扑磁结构产生目标数量的所述磁性斯格明子，所述目标电压与所述目标数量相对应；其中，所述拓扑磁结构包括：铁电衬底层；电压驱动单元，与所述铁电衬底层连接，用于对所述铁电衬底层施加电压；磁性层，设置于所述铁电衬底层上，用于响应于所述目标电压调控产生目标数量的所述磁性斯格明子。本发明通过调控其在单个拓扑磁结构上数量的变化，能实现更复杂的编码，将极大提高信息存储的密度和效率。
Description
技术领域
本发明涉及磁性斯格明子的信息存储器件，特别是涉及一种磁性斯格明子的写入方法、信息存储器件及读取系统。
背景技术
随着信息时代的高速发展，数据量的爆炸式增长，对信息存储器件也提出了更高的要求。当前传统的磁性存储器件随着材料尺寸的缩小，因量子效应所产生的尺寸极限及其所导致的热效应使得传统信息存储材料的发展遇到了瓶颈。自旋电子技术引入了电子自旋这一全新的自由度，自旋电子器件具有静态功耗低、可无限次高速读写、非易失性存储等优点，被认为是突破当前瓶颈的关键技术，有望大幅度降低器件功耗，突破热效应枷锁。
拓扑磁结构是一种具有拓扑保护的类粒子自旋结构，其相关的自旋电子学应用具有广阔发展前景，有望成为下一代新型信息存储载体。相比较于传统的信息存储载体具有明显优势：与传统的磁畴相比，拓扑磁结构尺寸可以做到很小。磁性斯格明子是一种新型的自旋电子材料，其内部磁矩方向不断旋转，在分布上正好填满了全空间一次，因此具有拓扑数为1/-1，是一种拓扑磁结构，同时具有孤子的性质，在运动中可以保留其磁结构。磁性斯格明子可以看作一个基本单元存储信息，其存在与否可以分别作为信息的“1”和“0”。目前单个磁性斯格明子可以做到5nm；拓扑磁结构具有拓扑保护的特性，相比较于传统的磁畴更加稳定，不易受外界条件(磁场，温度等)的影响，提高器件的稳定性。
通常单个拓扑磁结构可以通过自旋极化电流产生磁性斯格明子实现“1”和“0”的信息储存，并不能满足现阶段对信息的高密度储存的要求。
发明内容
基于此，有必要提供一种能高密度储存信息的磁性斯格明子的写入方法、信息存储器件及读取系统。
一种磁性斯格明子的写入方法，包括：
根据待存储数据确定待写入的磁性斯格明子的目标数量，目标数量与待存储数据相对应；
对拓扑磁结构施加目标电压以使拓扑磁结构产生目标数量的磁性斯格明子，目标电压与目标数量相对应；
其中，拓扑磁结构包括：
铁电衬底层；
电压驱动单元，与铁电衬底层连接，用于对铁电衬底层施加电压；
磁性层，设置于铁电衬底层上，用于响应于目标电压调控产生目标数量的磁性斯格明子。
在其中一个实施例中，目标电压在-200V～+200V范围内。
在其中一个实施例中，在施加的目标电压范围内，磁性层上的拓扑态由单畴态转变为磁性斯格明子态。
在其中一个实施例中，目标数量为1至11个中的任一整数。
在其中一个实施例中，铁电衬底层用于响应于目标电压正值沿各向异性方向延展。
在其中一个实施例中，铁电衬底层用于响应于目标电压负值沿各向异性方向收缩。
在其中一个实施例中，铁电衬底层的材料为铌镁钛酸铅。
一种基于磁性斯格明子的信息存储器件，包括多个拓扑磁结构，拓扑磁结构用于通过如上述的磁性斯格明子的写入方法产生磁性斯格明子以存储信息，多个拓扑磁结构呈阵列排布，相邻的拓扑磁结构的电压驱动单元相连接。
在其中一个实施例中，相邻的拓扑磁结构之间的距离大于200nm。
一种读取系统，包括：
如上述的信息存储器件；
一种读取器，用于读取如上述的信息存储器件上存储的信息。
上述一种磁性斯格明子的写入方法，包括：根据待存储数据确定待写入的磁性斯格明子的目标数量，目标数量与待存储数据相对应；对拓扑磁结构施加目标电压以使拓扑磁结构产生目标数量的磁性斯格明子，目标电压与目标数量相对应；其中，拓扑磁结构包括：铁电衬底层；电压驱动单元，与铁电衬底层连接，用于对铁电衬底层施加电压；磁性层，设置于铁电衬底层上，用于响应于目标电压调控产生目标数量的磁性斯格明子。通过对铁电衬底层施加电压使得磁性层产生不同数量的磁性斯格明子，从而可以在的单个拓扑磁结构中实现多种信息态的表达，传统的二进制实现的原理是在存储介质上实现高低电阻状态，而高低电阻状态的具像表现是磁畴磁化方向的反平行和平行排列，也就是出现或不出现斯格明子。本发明中利用的磁性斯格明子本质上是一种特殊的磁畴结构，通过调控其在单个拓扑磁结构上数量的变化，与之对应的电阻态也是会有相应的变化。相比较于传统的两种阻态能实现更复杂的编码，将极大提高信息存储的密度和效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一实施例中磁性斯格明子的写入方法流程示意图；
图2为一实施例中拓扑磁结构的示意图；
图3为一实施例中磁性斯格明子的态示意图；
图4为一实施例中单个拓扑磁结构上实现1个磁性斯格明子的俯视示意图；
图5为一实施例中基于磁性斯格明子的信息存储器件的俯视示意图；
图6为一实施例中拓扑磁结构的制备以及信息储存器件的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
在其中一个实施例中，如图1所示，一种磁性斯格明子的写入方法，包括步骤S100和步骤S200。
步骤S100，根据待存储数据确定待写入的磁性斯格明子的目标数量，目标数量与待存储数据相对应。
步骤S200，对拓扑磁结构施加目标电压以使拓扑磁结构产生目标数量的磁性斯格明子，目标电压与目标数量相对应。
其中，如图2是本实施例中的拓扑磁结构100示意图，其包括：铁电衬底层110和磁性层120、电压驱动单元200。电压驱动单元200和铁电衬底层110连接。磁性层120设置于铁电衬底层110上，用于响应于目标电压调控产生目标数量的磁性斯格明子。
本发明提供了一种能够根据待存储数据利用电压在拓扑磁结构写入目标数量的磁性斯格明子的技术方案。通过在铁电衬底层上施加目标电压后，铁电衬底层的材料由于逆压电效应(又称电致伸缩效应)产生应变，使得设置于其上的磁性层产生磁性斯格明子。电致伸缩效应是指电介质在电场中发生弹性形变的现象，是压电现象的逆效应，具体解释为电介质置于电场中时，它的分子会发生极化，沿着电场方向，一个分子的正极与另一个分子的负极衔接，由于正负极相互吸引，使整个电介质在这个方向上发生收缩，直到其内部的弹性力与电引力平衡为止。如在一电介质物体两端表面间加上交变电压，而且其频率与物体的固有频率相同，它将发生机械共振。电致伸缩在工程技术上有很多应用，如利用压电石英制成石英钟、产生超声波等。本发明正是通过对铁电衬底层施加特定的电压，由于其材料本身固有的材料特性，包括几何受限和铁电衬底的残余应力，可使在铁电材料衬底层上沉积的磁性层上产生目标数量的磁性斯格明子，并将其不同数量特点应用于高密度存储。
传统的拓扑磁结构，其磁性层上只能够实现两种拓扑态之间转变，即磁性层上处于均匀磁性状态或者能产生单个磁性斯格明子，本发明根据电压调控在拓扑磁结首次实现写入多个磁性斯格明子，相对于传统技术中只能在单个拓扑磁结构中写入一个磁性斯格明子，使用电压的调控的拓扑磁结构写入目标数量的磁性斯格明子，可以成倍的提高器件的存储密度。
在其中一个实施例中，提供一种拓扑磁结构的制备方法，其结构的磁性层可以利用磁控溅射技术在铁电衬底层生长的。具体地，磁控溅射(magnetron-sputtering)的技术可以理解为在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。高能电子不断与气体分子发生碰撞并向后者转移能量，使之电离而本身变成低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，避免高能电子对极板的强烈轰击，消除了二极溅射中极板被轰击加热和被电子辐照引起的损伤，体现出磁控溅射中极板“低温”的特点。由于外加磁场的存在，电子的复杂运动增加了电离率，实现了高速溅射。磁控溅射的技术特点是要在阴极靶面附件产生与电场方向垂直的磁场，一般采用永久磁铁实现。将具有这些有点的磁控溅射技术应用于本发明的拓扑磁结构，每一层结构的可以实现可控的均匀性以及永久的磁性。
在其中一个实施例中，对拓扑磁结构施加目标电压的范围在-200V～+200V范围内。
在其中一个实施例中，在施加的电压值范围内，磁性层上的拓扑态由单畴态转变为磁性斯格明子态。
其中，单畴态就是均匀铁磁态。在铁磁性物质内部，如同顺磁性物质，有很多未配对电子。由于交换作用(exchangeinteraction)，这些电子的自旋趋于与相邻未配对电子的自旋呈相同方向。由于铁磁性物质内部又分为很多磁畴，虽然磁畴内部所有电子的自旋会单向排列，造成“饱合磁矩”，磁畴与磁畴之间，磁矩的方向与大小都不相同。所以，未被磁化的铁磁性物质，其净磁矩与磁化矢量都等于零。
其中，如图3为磁性斯格明子态的示意图，磁性斯格明子态中的为最外层部分磁矩的单位矢量方向向下，中心部分磁矩的单位矢量方向向上，沿最外层部分向中心部分其他区域的中心磁矩的单位矢量方向与平面保持一定的夹角的由方向向下过渡到方向向上。具体地，磁性斯格明子态可以理解为是一种具有拓扑保护的纳米尺度的磁畴结构，其小尺寸、易被电流驱动、低能耗。它可以用拓扑数来表征且不能被外场的连续变化所改变。并且磁性斯格明子态物理学上是三维非线性的sigma模型的一个非平庸的经典解，用来解释核物理中的强子。磁性斯格明子态与凝聚态物质系统存在高度关联，磁性斯格明子态可以在人们发现在不同的领域都会存在。因此可以应用于拓扑磁结构中，并利用其特有的磁畴结构性质，实现高密度储存。
在其中一个实施例中，如图4所示，在施加的电压范围值内，单个拓扑磁结构100产生一个磁性斯格明子300俯视示意图。并且在施加的电压范围值内，单个拓扑磁结构最多可以产生11个磁性斯格明子，其中11个斯格明子出现的位置随机，不受调控的限制，有利于只调控电压便可在拓扑磁节后上写入不同数量的斯格明子，即可以在单个拓扑磁结构上实现12种信息态表达。
可以理解的是，本发明采用的多态存储技术是利用单个存储单元，即单个拓扑磁结构中实现多个(多于2个)稳定状态存储数据。其中一个状态可以对应一个数据值。相对于两态的二进制存储，多态具有很大的优势，能够在相同的物理体积内，使得存储信息的量大大提升。目前，关于多态存储的研究和进展较为有限，相变多态存储器和阻变多态存储器是其中比较有代表性的两类可实现多态存储的器件。相变存储器，简称PCM，相变存储器就是利用特殊材料在晶态和非晶态之间相互转化时所表现出来的导电性差异来存储数据的。其中，晶态和非晶态分别对应与其中最低电阻态和最高电阻态，相变存储器在由最低电阻态回复到最高电阻态的过程中，器件电阻随着电脉冲施加强度的提高是逐渐上升而非突变的，而且这种介于最高电阻态和最低电阻态之间的中间电阻态也是稳定可测的；相变多态存储器正是利用相变存储器这一特性实现多态存储的，这样的多态存储，只能实现小较少的稳定电阻态，因此，存储密度仍然较小，而且功耗较高，读写速度较慢，抗辐射能力不足。而阻变多态存储器大多是利用有机物作为阻变材料，并且利用了相应的化学反应，这种多态存储实现的电阻状态有限，擦写次数不是无限次，并且稳定性不够好，功耗较高，也没有很好地抗辐射性和宽领域应用性。而本发明利用铁电衬底的形变在磁性层上实现多个磁性斯格明子能够实现高密度存储，能够在降低器件的尺寸的同时降低了整体的功耗。
总的来说，相对于两态的二进制存储，基于磁性斯格明子的存储能够有效提高存储器件的存储密度，因而能够更好的用于海量信息的存储。
在其中一个实施例中，铁电衬底层用于响应于目标电压值正值沿各向异性方向延展。
其中，铁电衬底层的材料是一种压电材料，压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电材料的理解可以是若把重物放在石英晶体上，晶体某些表面会产生电荷，电荷量与压力成比例。这一现象被称为压电效应。而逆压电效应，即在外电场作用下压电体会产生形变。其中压电效应的机理可以理解为具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。
同时，由于铁电衬底层的材料具有逆压电效应，当有外加电压作用时，材料内存在着自发形成的分子集团即所谓电畴，这种电畴就会发生转动，使其极化方向尽量转到与外电场方向一致，因此材料会发生行变，并响应于施加的目标电压值正值发生各向异性的延伸变化。
在其中一个实施例中，铁电衬底层用于响应于目标电压值负值沿各向异性方向收缩。
在其中一个实施例中，铁电衬底层的材料为铌镁钛酸铅。具体地，铌镁钛酸铅单晶是一种具有钙钛矿结构的铁电晶体，也可以称之为铌镁钛酸铅-钛酸铅单晶，简称PMNT单晶或者PMN-PT单晶，是一种弛豫型铁电固溶体单晶，化学通式(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3，准同型相界成分为x＝0.33，此成分对应的晶体压电性和逆压电性能达到最佳。其中，铁电衬底具有逆压电性，又称电致伸缩特性，即能够根据电压变化发生弹性形变。铁电衬底发生弹性形变，从而能够影响与该拓扑磁结构的磁拓扑状态的稳定性。可以理解的是，铁电衬底层的材料不仅局限于上述提供的材料，只要能够具有良好的电致伸缩特性，能在施加的电压调控下实现逆压电性的形变即可。
在其中一个实施例中，提供了一种基于磁性斯格明子的信息存储器件，包括多个拓扑磁结构，拓扑磁结构用于通过如上述的磁性斯格明子的写入方法产生磁性斯格明子以存储信息，多个拓扑磁结构呈阵列排布，相邻的拓扑磁结构的电压驱动单元相连接。
在传统技术中，受限于机械结构，传统硬盘的信息存取速率已不能满足大数据时代对于高速度高稳定性的要求。而本申请在驱动电压的范围内，基于磁性斯格明子的信息存储器件的磁性层上的磁畴会发生变化，由单畴态变化为磁性斯格明子态，在单个拓扑磁结构上实现11个磁性斯格明子，即12种信息态，对这12种信息态进行编码，得到存储数据与磁性斯格明子的数量的一一映射关系。利用映射关系进行编码，其中，具体地编码的基本原理是二进制运算。例如，十进制当中的0、1、2、3对应的二进制是：00、01、10、11。比如，无斯格明子时表示：0000；一个斯格明子时：0001；两个斯格明子时：0010；三个斯格明子时：0011；以此类推十二态时：1011。由此实现利用多态存储器的多态存储。
在其中一个实施例中，相邻的拓扑磁结构之间的距离为大于200nm。
在其中一个实施例中，如图5所示，提供了另一种基于磁性斯格明子的信息存储器件400，其中包括上述拓扑磁结构为直径800nm的纳米点单元410形成的纳米点阵列。传统硬盘的信息存储介质是磁盘，单个磁盘的体积较大，且磁盘上基本存储单位受尺寸极限限制，而本申请提供的纳米点阵列的信息存储器件中单个存储单元体积小但能实现高密度存储。
在其中一个实施例中，提供一种基于磁性斯格明子的信息存储器件的制备方法，具体地，对上述拓扑磁结构材料进行点阵刻蚀得到的纳米点阵列。刻蚀方式为自磁性层沿层叠方向向下刻蚀至磁性层与缓冲层的界面，缓冲层位于磁性层和铁电衬底层之间。将磁性层进行局部刻蚀，得到的纳米点阵列结构。
其中，如图6所示，拓扑磁结构的制备以及信息储存器件的制备，包括方法步骤S300和步骤S400。
步骤S300，在铁电衬底上依次沉积缓冲层和磁性层结构。
步骤S400，沿层叠方向自磁性层向下进行点阵刻蚀至与所述缓冲层的界面，剩余的磁性膜圆柱体形成纳米点单元，并在缓冲层上呈阵列排布。
在一些实施例中，可以通过磁控溅射的方法在铁电衬底上依次沉积缓冲层和磁性层。
在其中一个实施例中，提供一种读取系统，包括：如上述信息存储器件和读取器。读取器用于读取如上述的信息存储器件上存储的信息。
信息的读取是利用设置的磁性隧道结，磁性隧道结(Magnetic TunnelJunctions，MTJs)。在两块铁磁薄片之间夹一层厚度约为0.1nm的极薄绝缘层，构成所谓的结元件。其中，磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)的一般结构为铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层(FM/I/FM)的三明治结构。磁性隧道结可以产生具有量子隧道效应，量子隧道效应是基本的量子现象之一，可以理解为当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。按经典理论，粒子为了脱离此能量的势垒，必须从势垒的顶部越过。但由于量子力学中的量子不确定性，时间和能量为一组共轭量。在很短的时间中(即时间很确定)，能量可以很不确定，从而使一个粒子看起来像是从“隧道”中穿过了势垒。由于磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)中两铁磁层间不存在或基本不存在层间耦合，只需要一个很小的外磁场即可将其中一个铁磁层的磁化方向反向，从而实现隧穿电阻的巨大变化，故磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)较金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度同时，磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定，因此，磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)无论是作为读出磁头、各类传感器，还是作为磁随机存储器MRAM)，都具有无与伦比的优点。
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。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，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，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种磁性斯格明子的写入方法，其特征在于，包括：
根据待存储数据确定待写入的磁性斯格明子的目标数量，所述目标数量与待存储数据相对应；
对拓扑磁结构施加目标电压以使所述拓扑磁结构产生目标数量的所述磁性斯格明子，所述目标电压与所述目标数量相对应；
其中，所述拓扑磁结构包括：
铁电衬底层；
电压驱动单元，与所述铁电衬底层连接，用于对所述铁电衬底层施加电压；
磁性层，设置于所述铁电衬底层上，用于响应于所述目标电压调控产生目标数量的所述磁性斯格明子。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标电压在-200V～+200V范围内。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在施加的所述目标电压范围内，所述磁性层上的拓扑态由单畴态转变为磁性斯格明子态。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述目标数量为1至11个中的任一整数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁电衬底层用于响应于所述目标电压正值沿各向异性方向延展。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铁电衬底层用于响应于所述目标电压负值沿各向异性方向收缩。
7.根据权利要求5或6任一项所述的方法，其特征在于，所述铁电衬底层的材料为铌镁钛酸铅。
8.一种基于磁性斯格明子的信息存储器件，其特征在于，包括多个拓扑磁结构，所述拓扑磁结构用于通过如权利要求1至7任一项所述的磁性斯格明子的写入方法产生磁性斯格明子以存储信息，多个所述拓扑磁结构呈阵列排布，相邻的所述拓扑磁结构的所述电压驱动单元相连接。
9.根据权利要求8所述的信息存储器件，其特征在于，相邻的所述拓扑磁结构之间的距离大于200nm。
10.一种读取系统，其特征在于，包括：
如权利要求8-9任一项所述的信息存储器件；
读取器，用于读取如所述权利要求8-9任一项所述的信息存储器件上存储的信息。
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