CN114032504A - 一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结及其制备方法 - Google Patents

一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结及其制备方法，包括基片，位于所述基片上的底部重金属层，位于所述底部重金属层上的铁磁层，位于所述铁磁层上的顶部重金属层，所述顶部重金属层为楔形结构；制备方法包括以下步骤：S1：在本底真空及高纯度氩气条件下，以重金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在基片上沉积重金属得到底部重金属层；以铁磁金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在所述底部重金属层上沉积铁磁得到铁磁层；以重金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在所述铁磁层上沉积重金属得到顶部重金属层。本发明可实现无外磁场下的电致磁矩翻转，通过调控顶部重金属层楔形的厚度，获得无场翻转所需结构。

Description

一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种磁电子器件技术领域，尤其涉及发明一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结及其制备方法。
背景技术
铁磁/重金属异质结的自旋轨道矩效应，自发现以来就得到人们的密切关注。往铁磁/重金属异质结中水平注入电流，产生的自旋轨道矩可诱导铁磁层的磁矩翻转，并且整个过程具有高速、高效和低能耗等特性。因此，自旋轨道矩在自旋电子学中具有广泛的应用前景，可应用于设计自旋矩振荡器、赛道存储器和自旋轨道矩-磁性随机存储器等等。
然而，对于绝大多数铁磁/重金属异质结，自旋轨道矩驱动铁磁层的磁矩翻转时需要外磁场的辅助，这严重制约着自旋轨道矩的应用前景。因此，如何使自旋轨道矩在无外磁场的辅助下就能驱动铁磁层的磁矩翻转是近几年自旋电子学研究的热点。迄今为止，人们发现单轴磁各向异性、交换偏置场、层间交换耦合、梯度自旋流等条件均可实现铁磁/重金属异质的磁矩无场翻转。然而，上述铁磁/重金属异质结的制备工艺相对复杂、器件稳定性相对较差，因此寻找一种实现无场翻转的简单磁性异质结具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结及其制备方法，解决了现有技术中单轴磁各向异性、交换偏置场、层间交换耦合、梯度自旋流等条件实现铁磁/重金属异质的磁矩无场翻转的制备工艺相对复杂、器件稳定性相对较差的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结，其特征在于，包括基片，位于所述基片上的底部重金属层，位于所述底部重金属层上的铁磁层，位于所述铁磁层上的顶部重金属层，所述顶部重金属层为楔形结构。
进一步地，所述基片为Si/SiO2基片，所述底部重金属层为Pt，所述铁磁层为Co，所述顶部重金属层为Pt。
进一步地，所述底部重金属层的厚度为1.5 nm，所述铁磁层的厚度为0.6 nm。
进一步地，所述顶部重金属层的楔形结构最厚端厚度为3.38 nm，最薄端厚度为0.51 nm。
进一步地，所述顶部重金属层的楔形结构的楔形度为0.32 nm/cm。
本发明还提供一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结的制备方法，包括以下步骤：
S1：在本底真空及高纯度氩气条件下，以重金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在基片上沉积重金属得到底部重金属层；
S2: 在本底真空及高纯度氩气条件下，以铁磁金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在所述底部重金属层上沉积铁磁得到铁磁层；
S3：在本底真空及高纯度氩气条件下，以重金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在所述铁磁层上沉积重金属得到顶部重金属层。
进一步地，所述步骤S1中本底真空为6.65×10-6 Pa，氩气压强为0.45 Pa，重金属的溅射功率为40 W，溅射过程中所述基片沿顺时针方向匀速旋转。
进一步地，所述步骤S2中本底真空为6.65×10-6 Pa，氩气压强为0.45 Pa，铁磁金属的溅射功率为50 W，溅射过程中所述基片沿顺时针方向匀速旋转。
进一步地，所述步骤S3中本底真空为6.65×10-6 Pa，氩气压强为0.45 Pa，重金属的溅射功率为40 W，溅射过程中基片停止旋转，所述基片的长轴平分顶部重金属靶材的辉光，确保顶部重金属层厚度沿着基片长轴的方向呈线性变化。
本发明的有益效果是：
1、重金属/铁磁/重金属异质结的垂直磁各向异性随顶部楔形结构的重金属层厚度的增加而增加，具有较好的垂直磁各向异性。
2、重金属/铁磁/重金属异质结可实现无外磁场下的电致磁矩翻转，通过调控顶部重金属层楔形的厚度，可获得重金属/铁磁/重金属异质结无场翻转所需结构。
3、重金属/铁磁/重金属异质结结构简单，制备方便、成本低。
附图说明
图1为实施例的样品结构示意图；
图2为实施例的反常霍尔曲线；
图3为实施例的垂直磁各向异性场随顶部重金属层厚度的变化；
图4为实施例的无外磁场辅助电流驱动磁矩翻转曲线。
具体实施方式
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
（1）将直径50 mm、厚度3 mm、纯度99.99%的Pt靶和Co靶放入磁控溅射室中的磁控溅射靶位中，靶位倾斜放置，倾斜度为30°，靶位离圆形转盘中心位置30 cm；
（2）将长度为95 mm，宽度为10 mm的Si/SiO2长条基片放入圆形托盘中，基片关于托盘的中心对称，再将托盘放入传样室中；
（3）关闭磁控溅射室和传样室，两个腔室之间的挡板阀也关闭，对溅射室和传样室分别抽真空；
（4）当磁控溅射室的本底真空优于1.0×10-5 Pa时，往磁控溅射室内通入纯度为99.99%的氩气，调节氩气流量，使氩气的气压为0.45 Pa，启动Pt靶位、Co靶位的溅射开关，Pt靶的溅射功率为40 W，预溅射2 min，Co靶的溅射功率为50 W，预溅射20 min，将靶材表面的杂质溅射掉，预溅射结束之后关闭氩气阀门，磁控溅射室继续抽真空；
（5）当磁控溅射室和传样室的本底真空均优于1.0×10-5 Pa时，打开二者之间的挡板阀，用传样杆将含有Si/SiO2长条基片的圆形托盘传入磁控溅射室，将托盘和转盘衔接好，抽出传样杆，关闭挡板阀，磁控溅射室继续抽真空；
（6）当磁控溅射室的本底真空为6.65×10-6 Pa时，往磁控溅射室内通入纯度为99.99%的氩气，调节氩气流量，使氩气的气压保持0.45 Pa，启动Pt靶位、Co靶位的溅射开关，Pt靶的溅射功率为40 W，Co靶的溅射功率为50 W，预溅射2 min；
（7）打开Pt靶挡板，溅射时间为30 s，Pt薄膜的沉积厚度为1.5 nm。溅射过程中Si/SiO2基片沿顺时针方向匀速旋转，使得重金属Pt均匀沉积在Si/SiO2长条基片上，溅射结束后关闭Pt挡板；
（8）打开Co靶挡板，溅射时间为24 s，Co薄膜的沉积厚度为0.6 nm。溅射过程中Si/SiO2基片沿顺时针方向匀速旋转，使得铁磁金属Co均匀沉积在底部Pt层表面上，溅射结束后关闭Co挡板；
（9）打开Pt靶挡板，溅射时间为32 s，溅射过程中Si/SiO2基片停止旋转，且Si/SiO2基片的长轴平分重金属靶材的辉光，保证顶部Pt层厚度沿着长轴方向呈线性变化，变化范围为0.51-3.38 nm。溅射结束后关闭Pt挡板，关闭Co靶和Pt靶的溅射开关；
（10）取出Pt/Co/Pt(楔形)的长条样品，通过紫外光刻和Ar离子束刻蚀制备出霍尔棒器件，霍尔棒器件中的“十字”结构沿着Pt/Co/Pt(楔形)样品的楔形方向，之后表征Pt/Co/Pt(楔形)样品的电输运性质，见图1-图4所示；
图1为Pt/Co/Pt(楔形)的结构示意图；
图2为Pt/Co/Pt(楔形)样品的反常霍尔曲线随顶部楔形Pt的厚度变化；
图3为Pt/Co/Pt(楔形)样品的垂直磁各向异性随顶部楔形Pt厚度的变化；
结合图2和图3的结果可知，Pt/Co/Pt(楔形)样品具有较好的垂直磁各向异性，且样品的垂直磁各向异性场随顶部Pt层厚度的增加而增加。
图4为Pt/Co/Pt(楔形)的无外磁场辅助电流驱动磁矩翻转曲线，当顶部楔形Pt的厚度较薄时(例如等于0.8 nm时)，Pt/Co/Pt(楔形)样品几乎无法实现无场翻转；当顶部楔形Pt的厚度较厚时，Pt/Co/Pt(楔形)样品比较容易实现无场翻转。因此，通过调控顶部楔形Pt的厚度，可获得Pt/Co/Pt(楔形)样品无场翻转的最优结构。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结，其特征在于，包括基片，位于所述基片上的底部重金属层，位于所述底部重金属层上的铁磁层，位于所述铁磁层上的顶部重金属层，所述顶部重金属层为楔形结构。
2.如权利要求1所述的一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结，其特征在于，所述基片为Si/SiO2基片，所述底部重金属层为Pt，所述铁磁层为Co，所述顶部重金属层为Pt。
3.如权利要求1所述的一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结，其特征在于，所述底部重金属层的厚度为1.5 nm，所述铁磁层的厚度为0.6 nm。
4.如权利要求1所述的一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结，其特征在于，所述顶部重金属层的楔形结构最厚端厚度为3.38 nm，最薄端厚度为0.51 nm。
5.如权利要求1所述的一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结，其特征在于，所述顶部重金属层的楔形结构的楔形度为0.32 nm/cm。
6.一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在本底真空及高纯度氩气条件下，以重金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在基片上沉积重金属得到底部重金属层；
S2: 在本底真空及高纯度氩气条件下，以铁磁金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在所述底部重金属层上沉积铁磁得到铁磁层；
S3：在本底真空及高纯度氩气条件下，以重金属为靶材，采用超高真空磁控溅射技术在所述铁磁层上沉积重金属得到顶部重金属层。
7.如权利要求6所述的一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中本底真空为6.65×10-6 Pa，氩气压强为0.45 Pa，重金属的溅射功率为40 W，溅射过程中所述基片沿顺时针方向匀速旋转。
8.如权利要求6所述的一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中本底真空为6.65×10-6 Pa，氩气压强为0.45 Pa，铁磁金属的溅射功率为50 W，溅射过程中所述基片沿顺时针方向匀速旋转。
9.如权利要求6所述的一种实现无场翻转的重金属/铁磁/重金属异质结的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中本底真空为6.65×10-6 Pa，氩气压强为0.45 Pa，重金属的溅射功率为40 W，溅射过程中基片停止旋转，所述基片的长轴平分顶部重金属靶材的辉光，确保顶部重金属层厚度沿着基片长轴的方向呈线性变化。
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