CN114038993A - 一种磁性异质结结构及调控实现逻辑与多态存储功能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种磁性异质结结构及调控实现逻辑与多态存储功能的方法，由下自上依次包括衬底、面内反铁磁层、面内铁磁层、非磁性层、垂直铁磁层、垂直反铁磁层；所述面内铁磁层和所述垂直铁磁层通过中间的所述非磁性层耦合在一起；面内铁磁层与垂直反铁磁层存在面内方向的交换偏置即面内交换偏置，面内反铁磁层与垂直反铁磁层存在面外方向的交换偏置即面外交换偏置。在单个磁性异质结中同时实现对面内交换偏置和面外交换偏置效应的有效调控，不仅极大的拓展了新型自旋电子器件设计的自由度，而且有望促进三维多功能自旋电子器件的研发。

Description

一种磁性异质结结构及调控实现逻辑与多态存储功能的方法
技术领域
本发明涉及一种在同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构以及通过调控面内及面外两个方向的交换偏置实现自旋逻辑与多态存储功能的方法，属于信息技术的数据存储与逻辑运算技术领域。
背景技术
交换偏置效应，来源于铁磁层/反铁磁层的界面交换耦合作用，宏观上表现为磁滞回线相对于零场的偏移。交换偏置效应已经被广泛应用于巨磁电阻传感器、自旋阀和磁随机存储器中，在自旋电子器件中扮演着重要的角色。近年来随着反铁磁自旋电子学的快速发展，人们对交换偏置效应的研究又掀起了新的热潮。这是因为研究发现，交换偏置效应中常用的钉扎层材料，如IrMn和PtMn等反铁磁材料，还可以产生自旋流，在具有垂直磁化的体系中能实现无外场辅助的自旋轨道矩驱动的磁化翻转。另一方面，随着现代磁存储器和磁隧道结中垂直磁化结构的增加，以及自旋纳米振荡器等面内和面外混合磁各向异性器件的快速发展，越来越多的单个器件结构中需要同时具有面内磁各向异性和垂直磁各向异性的铁磁层材料。在这种面内和面外混合磁各向异性器件中提高器件的热稳定性时，亟需能在单个异质结构中同时具有面内交换偏置和面外交换偏置效应。虽然在特殊的铁磁/反铁磁/铁磁三层膜及磁性多层膜结构中发现了面内交换偏置效应与面外交换偏置效应的共存，实验上也尝试通过热退火、机械应变、磁电耦合以及自旋轨道矩等不同的方法来控制交换偏置效应，但是，目前为止，实验上未能实现在单个磁性异质结构中同时对面内交换偏置和面外交换偏置效应进行有效的调控。在单个磁性异质结中同时实现对面内交换偏置和面外交换偏置效应的有效调控不仅能极大的拓展新型自旋电子器件设计的自由度，而且有望促进三维多功能自旋电子器件的研发。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构；本发明还提供了一种在单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现逻辑与多态存储功能的方法；
本发明实现了在单个磁性异质结构中同时对面内交换偏置和面外交换偏置效应的有效调控，并基于交换偏置效应的调控，获得多态存储和自旋逻辑原型器件。
术语解释：
Hallbar，霍尔条，用于进行霍尔测试，在霍尔条两端电极加恒流源，在外加磁场下测霍尔条两侧电压，可以确定半导体霍尔电阻、掺杂浓度、导电类型等性质。
本发明的技术方案为：
一种同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构，由下自上依次包括衬底、面内反铁磁层、面内铁磁层、非磁性层、垂直铁磁层、垂直反铁磁层；所述面内铁磁层和所述垂直铁磁层通过中间的所述非磁性层耦合在一起；面内铁磁层与面内反铁磁层存在面内方向的交换偏置即面内交换偏置，垂直铁磁层与垂直反铁磁层存在面外方向的交换偏置即面外交换偏置。
根据本发明优选的，所述面内反铁磁层为IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、CrMn、NiMn、NiO、CoO、MnO、FeO、Fe2O3中任一反铁磁材料；所述垂直反铁磁层为IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、CrMn、NiMn、NiO、CoO、MnO、FeO、Fe2O3中任一反铁磁材料；所述面内铁磁层为具有面内磁各向异性的铁磁材料，为Co、Fe、Ni、CoFe、CoFeB、CoNi、NiFe、CoPt、CoTb、FePt中任一种；所述垂直铁磁层为具有垂直磁各向异性的铁磁材料，为Co、Fe、Ni、CoFe、CoFeB、CoNi、NiFe、CoPt、CoTb、FePt中任一种；所述非磁性层为Ta、Ru、Gd、Ti、W、Cr、Cu、Hf、Mo、Pd、Au、Pt中任一种。
根据本发明优选的，所述面内反铁磁层的厚度为1-20nm；所述垂直反铁磁层的厚度为1-20nm；所述面内铁磁层的厚度为0.5-10nm；所述垂直铁磁层的厚度0.5-10nm；所述非磁性层的厚度为0.3-3nm。
最优选的，所述面内反铁磁层的材质为IrMn，厚度为8nm；所述垂直反铁磁层的材质为CoO，厚度为6nm；所述面内铁磁层的材质为Co，厚度为2nm；所述垂直铁磁层的材质为CoPt，厚度为3.3nm；所述非磁性层的材质为Ru，厚度为0.8nm。
进一步优选的，CoPt为具有成分梯度的铁磁合金，通过交替溅射若干个原子层厚度的Co和Pt来实现，CoPt由下自上依次包括厚度为0.7nm的Pt、厚度为0.3nm的Co、厚度为0.5nm的Pt、厚度为0.5nm的Co、厚度为0.3nm的Pt、厚度为1.0nm的Co。
一种在单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现多态存储功能的方法，具体是指：
(1)同时施加外磁场和电流脉冲，将面内交换偏置设定到特定方向；
(2)仅施加电流脉冲，不再施加外磁场，不改变面内交换偏置的方向，利用自旋轨道矩效应调控垂直方向的交换偏置，实现多态存储；具体是指：通过控制所施加电流脉冲的幅值，调控垂直铁磁层和垂直反铁磁层界面的自旋排列方式，不同的自旋排列方式对应不同的霍尔电阻，不同的霍尔电阻态用于存储不同的信息，从而实现多态存储功能。
根据本发明优选的，步骤(1)中，外磁场Hx的取值范围为-1000Oe＜Hx＜-50Oe以及+50Oe＜Hx＜+1000Oe，脉冲电流Ix的取值范围为-20mA＜Ix＜-10mA以及+10mA＜Hx＜+20mA，脉冲电流密度为106-107A/cm2，Hx和Ix都是沿着霍尔条的长度方向设置。
进一步优选的，步骤(1)中，外磁场Hx的取值范围为-100Oe≤Hx＜-50Oe以及+50Oe＜Hx≤+100Oe，脉冲电流Ix的取值范围为-19mA≤Ix＜-12mA以及+12mA＜Hx≤+19mA。
根据本发明优选的，通过同时施加外磁场和脉冲电流，将面内交换偏置和面外交换偏置设定到不同的排列方式，实现非易失的十态存储功能，具体是指：
A、同时施加外磁场和电流脉冲，外磁场Hx＝+100Oe，电流脉冲Ix＝+19mA，使面内铁磁层的磁化状态沿+x方向，垂直铁磁层与垂直反铁磁层的界面磁矩沿+z方向；x方向为霍尔条的长度方向，电流沿此方向施加；y方向为霍尔条的宽度方向，沿此方向检测霍尔电压；z方向为样品生长方向；
B、去掉步骤A中施加外磁场和电流脉冲后，施加电流脉冲Ix＝+19mA，并改变写入电流脉冲Ix的脉冲强度，使得Ix在-14mA至-19mA范围内，测量面外反常霍尔曲线，得到一个稳定的电阻状态；
重复进行步骤B九次，每次步骤B中写入电流脉冲Ix的脉冲强度不同，对应得到十个稳定的电阻状态，这十个剩磁状态用来表示十进制中0到9，实现非易失的十态存储功能。
第一次执行步骤B时，首次施加电流脉冲Ix＝+19mA，即获取了第一个稳定态，后来每次执行步骤B就会再产生一个稳定态，共得到十个稳定态。
一种在单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，具体是指：
①设计具有两个电流通道而共用一个电压通道的Hallbar器件，两个电流通道包括第一通道和第二通道；
②同时施加外磁场和电流脉冲设定第一通道中面内交换偏置的方向，同时施加外磁场和电流脉冲设定第二通道中面内交换偏置的方向；
通过控制第一通道和第二通道中面内交换偏置的方向，以及第一通道和第二通道中输入电流脉冲的大小及方向，控制第一通道和第二通道中磁矩的排列方向；具体是指：进行逻辑运算时，首先，将第一通道和第二通道中面内交换偏置设定到不同的位形，其次，在零磁场下，向第一通道和第二通道中输入不同的电流脉冲作为逻辑输入，将整个器件的霍尔电压或者霍尔电阻作为逻辑输出，实现自旋逻辑功能。
根据本发明优选的，步骤②中，实现AND逻辑功能的过程为：
向第一通道和第二通道均施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲Ix＝+19mA，第一通道和第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；此时，第一通道和第二通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲Ix＝+18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向上；当施加电流脉冲Ix＝-18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向下；当I1＝I2＝+18mA时，即当两个逻辑输入都为“1”时，I1、I2分别是指第一通道和第二通道施加的电流脉冲，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现AND逻辑功能。
根据本发明优选的，步骤②中，实现NOR逻辑功能的过程为：
向第一通道和第二通道均施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲Ix＝+19mA，第一通道和第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；此时，第一通道和第二通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲Ix＝+18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向下；当施加电流脉冲Ix＝-18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向上；当I1＝I2＝-18mA时，即当两个逻辑输入都为“1”时，I1、I2分别是指第一通道和第二通道施加的电流脉冲，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现NOR逻辑功能。
根据本发明优选的，步骤②中，实现NIMP逻辑功能的过程为：
向第一通道施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲I1＝+19mA，第一通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；
向第二通道施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲I2＝+19mA，第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；
此时，第一通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲I1＝+18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向上，当施加电流脉冲I1＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下；
第二通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲I2＝+18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向下，当施加电流脉冲I2＝-18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向上；
因此，第一通道中的输入为“1”即I1＝+18mA且第二通道中的输入为“0”即I2＝-18mA时，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现NIMP逻辑功能。
根据本发明优选的，步骤②中，实现Converse NIMP逻辑功能的过程为：
向第一通道施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲I1＝+19mA，第一通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；
向第二通道施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲I2＝+19mA，第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；
此时，第一通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲I1＝+18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下，当施加电流脉冲I1＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向上；
第二通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲I2＝+18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向上，当施加电流脉冲I2＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下；
因此，第一通道中的输入为“0”即I1＝-18mA且第二通道中的输入为“1”即I2＝+18mA时，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现Converse NIMP逻辑功能。
本发明的有益效果为：
在单个磁性异质结中同时实现对面内交换偏置和面外交换偏置效应的有效调控，不仅极大的拓展了新型自旋电子器件设计的自由度，而且有望促进三维多功能自旋电子器件的研发。
附图说明
图1为本发明单个磁性异质结的结构与电输运测量示意图；
图2为通过磁场及电流脉冲同时调控面内和面外交换偏置的示意图；
图3为通过控制电流脉冲强度实现多态存储的示意图；
图4为利用调控交换偏置实现逻辑功能的示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
一种同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构，由下自上依次包括衬底、面内反铁磁层、面内铁磁层、非磁性层、垂直铁磁层(面外铁磁层)、垂直反铁磁层(面外反铁磁层)；面内铁磁层和垂直铁磁层通过中间的非磁性层耦合在一起；面内铁磁层与面内反铁磁层存在面内方向的交换偏置即面内交换偏置，垂直铁磁层与垂直反铁磁层存在面外方向的交换偏置即面外交换偏置。
上述单个磁性异质结的结构特征包括：(1)面内铁磁层与面内反铁磁层存在面内方向的交换偏置，即面内交换偏置。(2)垂直铁磁层与垂直反铁磁层存在面外方向的交换偏置，即面外交换偏置。(3)面内铁磁层和垂直铁磁层之间有层间交换耦合。(4)在层间耦合作用辅助下，垂直磁性层自身或者非磁性层产生的自旋流可以通过自旋轨道矩效应驱动垂直磁性层磁矩发生翻转。
实施例2
根据实施例1所述的一种同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构，其区别在于：
面内反铁磁层为IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、CrMn、NiMn、NiO、CoO、MnO、FeO、Fe2O3中任一反铁磁材料；垂直反铁磁层为IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、CrMn、NiMn、NiO、CoO、MnO、FeO、Fe2O3中任一反铁磁材料；面内铁磁层为具有面内磁各向异性的铁磁材料，为Co、Fe、Ni、CoFe、CoFeB、CoNi、NiFe、CoPt、CoTb、FePt中任一种；垂直铁磁层为具有垂直磁各向异性的铁磁材料，为Co、Fe、Ni、CoFe、CoFeB、CoNi、NiFe、CoPt、CoTb、FePt中任一种；非磁性层为Ta、Ru、Gd、Ti、W、Cr、Cu、Hf、Mo、Pd、Au、Pt中任一种。
面内反铁磁层的厚度为1-20nm；垂直反铁磁层的厚度为1-20nm；面内铁磁层的厚度为0.5-10nm；垂直铁磁层的厚度0.5-10nm；非磁性层的厚度为0.3-3nm。
实施例3
根据实施例1所述的一种同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构，其区别在于：
如图1中a所示，面内反铁磁层的材质为IrMn，厚度为8nm；垂直反铁磁层的材质为CoO，厚度为6nm；面内铁磁层的材质为Co，厚度为2nm；Co具有面内磁各向异性，在IrMn/Co界面形成面内方向的交换偏置；垂直铁磁层的材质为CoPt，厚度为3.3nm；CoPt合金具有垂直磁各向异性，在CoPt/CoO界面形成面外方向的交换偏置；非磁性层的材质为Ru，厚度为0.8nm。
在Si/SiO2基片上利用磁控溅射仪制备了上述单个磁性异质结结构；该单个磁性异质结结构在250℃加5000Oe的面内磁场退火1小时。
CoPt为具有成分梯度的铁磁合金，通过交替溅射若干个原子层厚度的Co和Pt来实现，CoPt由下自上依次包括厚度为0.7nm的Pt、厚度为0.3nm的Co、厚度为0.5nm的Pt、厚度为0.5nm的Co、厚度为0.3nm的Pt、厚度为1.0nm的Co。
利用光刻与氩离子刻蚀制备了长70μm宽5μm的Hallbar结构，其中霍尔电压的检测通道宽度为2μm。
图2演示了在单个磁性异质结中同时调控面内交换偏置与面外交换偏置的结果。
首先，设置Hx＝±100Oe，然后，施加Ix＝±19mA的单个电流脉冲。
随后，设置Hx＝0Oe并测量RH-Hz回线以及RH-Ix回线。面内交换偏置以及面内铁磁层Co的磁化方向可以由自旋轨道矩驱动磁矩翻转的极性检测(RH-Ix回线)，而面外交换偏置则通过反常霍尔效应检测(RH-Hz回线)。
图2是在200K温度条件下分别测量了施加不同Hx和Ix后的测量结果，施加条件分别是：
a:Hx＝+100Oe,Ix＝+19mA(图2中a所示)；
b:Hx＝+100Oe,Ix＝-19mA(图2中b所示)；
c:Hx＝-100Oe,Ix＝+19mA(图2中c所示)；
d:Hx＝-100Oe,Ix＝-19mA(图2中d所示)。
从图2中a和图2中b可以看出，当施加Hx＝+100Oe时，不管电流方向如何，RH-Ix回线的极性总是逆时针方向。这意味着面内铁磁层Co的磁化方向始终为+x方向，由层间反铁磁交换耦合作用提供给垂直铁磁层CoPt层的有效场总沿-x方向。在Hx＝+100Oe，但施加电流脉冲方向不同时，RH-Hz回线有明显不同。具体而言，当沿+x方向施加电流脉冲时，观察到的RH-Hz回线向-z方向偏移的，而在沿-x方向施加电流脉冲则向+z方向偏移。另一方面，一旦施加Hx＝-100Oe，Ix＝±19mA都得到沿顺时针方向翻转的RH-Ix回线，表明面内铁磁层Co磁化方向沿-x方向。但此时RH-Hz回线在Ix＝+19mA明显的向+z方向偏移(图2中c所示)，而在Ix＝-19mA时则向-z方向偏移(图2中d所示)。综上所述，同时施加磁场与电流脉冲后，面内交换偏置的方向是沿外加磁场的方向，而面外交换偏置则由外加磁场和电流脉冲之间的相对方向决定。当磁场和电流脉冲沿相同方向施加时(图2中a和图2中d所示)，获得向-z方向偏移的RH-Hz回线，即面外交换偏置为正；当磁场和电流脉冲沿相反方向施加时(图中2中b和2中c所示)，获得向+z方向偏移的RH-Hz回线，即面外交换偏置为负。如图2所示，通过控制外加磁场和电流脉冲的方向，可以实现对面内交换偏置和面外交换偏置的有效调控，得到4种交换偏置的排列方式。
实施例4
一种在实施例1-3任一所述的单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现多态存储功能的方法，利用光刻与氩离子刻蚀制备了长70μm宽5μm的Hallbar结构，其中霍尔电压的检测通道宽度为2μm，具体是指：
(1)同时施加外磁场和电流脉冲，将面内交换偏置设定到特定方向；
(2)仅施加电流脉冲，不再施加外磁场，不改变面内交换偏置的方向，利用自旋轨道矩效应调控垂直方向的交换偏置，实现多态存储；具体是指：通过控制所施加电流脉冲的幅值，调控垂直铁磁层和垂直反铁磁层界面的自旋排列方式，不同的自旋排列方式对应不同的霍尔电阻，不同的霍尔电阻态用于存储不同的信息，从而实现多态存储功能。
因此，通过改变施加电流脉冲的幅值，可以的得到不同霍尔电阻态，不同的霍尔电阻态可以用于存储不同的信息。
步骤(1)中，外磁场Hx的取值范围为-1000Oe＜Hx＜-50Oe以及+50Oe＜Hx＜+1000Oe，脉冲电流Ix的取值范围为-20mA＜Ix＜-10mA以及+10mA＜Hx＜+20mA，脉冲电流密度为106-107A/cm2，Hx和Ix都是沿着霍尔条的长度方向设置。如图1中b所示，其中，正方向为“+”，反方向为“-”。
实施例5
根据实施例4所述的单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现多态存储功能的方法，其区别在于：
步骤(1)中，外磁场Hx的取值范围为-100Oe≤Hx＜-50Oe以及+50Oe＜Hx≤+100Oe，脉冲电流Ix的取值范围为-19mA≤Ix＜-12mA以及+12mA＜Hx≤+19mA。
实施例6
一种在实施例3所述的单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现多态存储功能的方法，利用光刻与氩离子刻蚀制备了长70μm宽5μm的Hallbar结构，其中霍尔电压的检测通道宽度为2μm，通过同时施加外磁场和脉冲电流，将面内交换偏置和面外交换偏置设定到不同的排列方式，RH-Ix回线的高度会随着Ix强度的增加而逐渐增加，因此，通过控制所施加的电流脉冲幅值，可以获得不同的CoPt/CoO界面自旋排列状态，对应不同的剩余霍尔电阻。在图3中是在200K温度条件下演示了如何通过调控CoPt/CoO界面的自旋排列来实现非易失的十态存储器，具体是指：
A、同时施加外磁场和电流脉冲，外磁场Hx＝+100Oe，电流脉冲Ix＝+19mA，使面内铁磁层的磁化状态沿+x方向，垂直铁磁层与垂直反铁磁层的界面磁矩沿+z方向；这一“初始”状态在接下来的操作中只需要施加Ix＝+19mA的电流脉冲便可以恢复，也为每一次的写入操作提供一个相同的初始状态。如图2中a所示。坐标系如图1中b所示，x方向为霍尔条的长度方向，电流沿此方向施加；y方向为霍尔条的宽度方向，沿此方向检测霍尔电压；z方向为样品生长方向；+z为从衬底到薄膜的方向，-z则是指从薄膜到衬底的方向。
B、去掉步骤A中施加外磁场和电流脉冲后，如图3中a所示，施加电流脉冲Ix＝+19mA，并改变写入电流脉冲Ix的脉冲强度，使得Ix在-14mA至-19mA范围内，测量面外反常霍尔曲线(RH-Hz回线，RH是霍尔电阻、Hz是沿z方向的磁场)，得到一个稳定的电阻状态；
重复进行步骤B九次，每次步骤B中写入电流脉冲Ix的脉冲强度不同，对应得到十个稳定的电阻状态，这十个剩磁状态用来表示十进制中0到9，实现非易失的十态存储功能。
第一次执行步骤B时，首次施加电流脉冲Ix＝+19mA，即获取了第一个稳定态，后来每次执行步骤B就会再产生一个稳定态，共得到十个稳定态。
这样的十态存储器，不仅能实现电“写”和电“读”，而且这些非易失状态都是高度稳定和可重复的。如图3中b所示，在施加不同大小的Ix后直接检测得到的剩余霍尔电阻，其中每个状态都重复了30到100次。高稳定性证明异质结中大电流脉冲基于自旋轨道矩效应能有效改变CoPt/CoO界面的自旋排列状态，由于交换偏置效应的存在，这种界面自旋排列状态在整个霍尔效应测量过程中都保持不变，说明器件具有很强的抗磁场干扰的能力。
步骤A中电流脉冲Ix将垂直铁磁层与垂直反铁磁层中的界面磁矩设定到+z方向，因此，去掉步骤A中施加外磁场和电流脉冲后，需要施加负方向的电流脉冲Ix(-14～-19mA)将垂直铁磁层与垂直反铁磁层中界面磁矩设定到-z方向，沿负方向的电流脉冲Ix越大，越多的垂直铁磁层与垂直反铁磁层中界面磁矩会被设定到-z方向，可以认为负方向的电流脉冲Ix与设定到-z方向的垂直铁磁层与垂直反铁磁层中界面磁矩存在一一对应关系，这种一一对应关系体现在剩磁态的霍尔电阻大小不同。例如，施加-14mA，将少量磁矩设定到-z方向，而-19mA会将绝大部分磁矩都设定到-z方向。为了保证这种一一对应关系每次的出发点都是相同的，需要施加+19mA的电流脉冲，如图3中b所示。
具体情况类似于：施加-14mA，得到对应的霍尔电阻(状态1)；施加+19mA，回到初态；再施加-15mA，得到另一霍尔电阻(状态2)；施加+19mA，回到初态；再施加-16mA，得到另一霍尔电阻(状态3)。因为每次都会施加+19mA，出发点相同，所以只需要施加相应的电流就能得到对应的状态1、2、3。图3中b中，0-9每个状态都进行了30或者100次的测量，有很好的重复性。
实施例7
一种在实施例1-3任一所述的单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，利用光刻与氩离子刻蚀制备了长70μm宽5μm的Hallbar结构，其中霍尔电压的检测通道宽度为2μm，具体是指：
①设计具有两个电流通道而共用一个电压通道的Hallbar器件，两个电流通道包括第一通道和第二通道；如图4中a所示。具有相同电流通道宽度5μm的两个Hallbar并联形成复合器件，这种复合器件中每个霍尔通道中的交换偏置方向可以独立操纵。
本发明可以人为控制第一通道和第二通道中面内交换偏置的方向，因此可以将第一通道和第二通道的交换偏置设定在相反方向。
②同时施加外磁场和电流脉冲设定第一通道中面内交换偏置的方向，同时施加外磁场和电流脉冲设定第二通道中面内交换偏置的方向；
通过控制第一通道和第二通道中面内交换偏置的方向，以及第一通道和第二通道中输入电流脉冲的大小及方向，控制第一通道和第二通道中磁矩的排列方向；具体是指：进行逻辑运算时，首先，将第一通道和第二通道中面内交换偏置设定到不同的位形，其次，在零磁场下，向第一通道和第二通道中输入不同的电流脉冲作为逻辑输入，将整个器件的霍尔电压或者霍尔电阻作为逻辑输出，实现自旋逻辑功能。
面内反铁磁层的材质为IrMn，厚度为8nm；垂直反铁磁层的材质为CoO，厚度为6nm；面内铁磁层的材质为Co，厚度为2nm；Co具有面内磁各向异性，在IrMn/Co界面形成面内方向的交换偏置；垂直铁磁层的材质为CoPt，厚度为3.3nm；CoPt合金具有垂直磁各向异性，在CoPt/CoO界面形成面外方向的交换偏置；非磁性层的材质为Ru，厚度为0.8nm。
要设定某一通道中的交换偏置时，同时向该通道施加Hx＝±100Oe和Ix＝19mA的电流脉冲，就可以将该通道中面内铁磁层Co的磁矩设定到所施加Hx的方向，面内反铁磁层IrMn和面内铁磁层Co之间的交换偏置场也沿着所施加Hx的方向。在此过程中，由于焦耳热在控制面内交换偏置中的关键作用，所以没有同时施加电流脉冲的另一个通道中的面内铁磁层Co的磁化状态以及面内反铁磁层IrMn和面内铁磁层Co之间的交换偏置保持不变。如图4中b所示，如果使两个电流通道中面内铁磁层Co的磁矩沿相反方向排列，那么零磁场时，垂直铁磁层CoPt所感受到的有效层间交换耦合场也是相反的，导致两个通道中自旋轨道矩驱动磁矩翻转的极性也是相反的(顺时针或逆时针翻转)。在逻辑运算过程中，将输入电流I1和I2用作逻辑输入(I＝+18mA代表逻辑“1”，I＝-18mA代表逻辑“0”)，而复合器件的霍尔电阻为用作逻辑输出。霍尔电阻测量过程中，I1＝I2＝0.1mA。需要注意的是，两个通道的磁矩有四种排列方式，即上-上、上-下、下-上和下-下。由于霍尔电阻与磁矩的垂直分量成正比，上-下和上-下状态均给出接近零的霍尔电阻。因此，定义RH>0.1Ω和RH≤0.1Ω作为输出逻辑的“1”和“0”。
实施例8
根据实施例7所述的单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其区别在于：
单个磁性异质结为实施例3所述的单个磁性异质结；
步骤②中，实现AND逻辑功能的过程为：
向第一通道和第二通道均施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲Ix＝+19mA，第一通道和第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；此时，第一通道和第二通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲Ix＝+18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向上；当施加电流脉冲Ix＝-18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向下；当I1＝I2＝+18mA时，即当两个逻辑输入都为“1”时，I1、I2分别是指第一通道和第二通道施加的电流脉冲，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现AND逻辑功能。如图4中c所示。
实施例9
根据实施例7所述的单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其区别在于：
单个磁性异质结为实施例3所述的单个磁性异质结；
步骤②中，实现NOR逻辑功能的过程为：
向第一通道和第二通道均施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲Ix＝+19mA，第一通道和第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；此时，第一通道和第二通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲Ix＝+18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向下；当施加电流脉冲Ix＝-18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向上；当I1＝I2＝-18mA时，即当两个逻辑输入都为“1”时，I1、I2分别是指第一通道和第二通道施加的电流脉冲，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现NOR逻辑功能。如图4中d所示。
实施例10
根据实施例7所述的单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其区别在于：
单个磁性异质结为实施例3所述的单个磁性异质结；
步骤②中，实现NIMP逻辑功能的过程为：
向第一通道施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲I1＝+19mA，第一通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；
向第二通道施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲I2＝+19mA，第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；
此时，第一通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲I1＝+18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向上，当施加电流脉冲I1＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下；
第二通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲I2＝+18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向下，当施加电流脉冲I2＝-18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向上；
因此，第一通道中的输入为“1”即I1＝+18mA且第二通道中的输入为“0”即I2＝-18mA时，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现NIMP逻辑功能。如图4中e所示。
实施例11
根据实施例7所述的单个磁性异质结中调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其区别在于：
单个磁性异质结为实施例3所述的单个磁性异质结；
步骤②中，实现Converse NIMP逻辑功能的过程为：
向第一通道施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲I1＝+19mA，第一通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；
向第二通道施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲I2＝+19mA，第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；
此时，第一通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲I1＝+18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下，当施加电流脉冲I1＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向上；
第二通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲I2＝+18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向上，当施加电流脉冲I2＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下；
因此，第一通道中的输入为“0”即I1＝-18mA且第二通道中的输入为“1”即I2＝+18mA时，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现Converse NIMP逻辑功能，如图4中f所示。
图4是在室温300K条件下利用调控交换偏置实现逻辑功能的示意图。
以上是本发明的应用示例，应当指出，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，例如薄膜结构改变，Hallbar结构改变等，这些改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构，其特征在于，由下自上依次包括衬底、面内反铁磁层、面内铁磁层、非磁性层、垂直铁磁层、垂直反铁磁层；所述面内铁磁层和所述垂直铁磁层通过中间的所述非磁性层耦合在一起；面内铁磁层与面内反铁磁层存在面内方向的交换偏置即面内交换偏置，垂直铁磁层与垂直反铁磁层存在面外方向的交换偏置即面外交换偏置。
2.根据权利要求1所述的一种同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构，其特征在于，所述面内反铁磁层为IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、CrMn、NiMn、NiO、CoO、MnO、FeO、Fe2O3中任一反铁磁材料；所述垂直反铁磁层为IrMn、PtMn、PdMn、FeMn、CrMn、NiMn、NiO、CoO、MnO、FeO、Fe2O3中任一反铁磁材料；所述面内铁磁层为具有面内磁各向异性的铁磁材料，为Co、Fe、Ni、CoFe、CoFeB、CoNi、NiFe、CoPt、CoTb、FePt中任一种；所述垂直铁磁层为具有垂直磁各向异性的铁磁材料，为Co、Fe、Ni、CoFe、CoFeB、CoNi、NiFe、CoPt、CoTb、FePt中任一种；所述非磁性层为Ta、Ru、Gd、Ti、W、Cr、Cu、Hf、Mo、Pd、Au、Pt中任一种。
3.根据权利要求1所述的一种同时具有面内和面外交换偏置效应的单个磁性异质结结构，其特征在于，所述面内反铁磁层的厚度为1-20nm；所述垂直反铁磁层的厚度为1-20nm；所述面内铁磁层的厚度为0.5-10nm；所述垂直铁磁层的厚度0.5-10nm；所述非磁性层的厚度为0.3-3nm；
最优选的，所述面内反铁磁层的材质为IrMn，厚度为8nm；所述垂直反铁磁层的材质为CoO，厚度为6nm；所述面内铁磁层的材质为Co，厚度为2nm；所述垂直铁磁层的材质为CoPt，厚度为3.3nm；所述非磁性层的材质为Ru，厚度为0.8nm。
4.一种在权利要求1-3任一所述的单个磁性异质结结构中调控两个方向交换偏置实现多态存储功能的方法，其特征在于，具体是指：
(1)同时施加外磁场和电流脉冲，将面内交换偏置设定到特定方向；
(2)仅施加电流脉冲，不再施加外磁场，不改变面内交换偏置的方向，利用自旋轨道矩效应调控垂直方向的交换偏置，实现多态存储；具体是指：通过控制所施加电流脉冲的幅值，调控垂直铁磁层和垂直反铁磁层界面的自旋排列方式，不同的自旋排列方式对应不同的霍尔电阻，不同的霍尔电阻态用于存储不同的信息，从而实现多态存储功能。
5.根据权利要求4所述的调控两个方向交换偏置实现多态存储功能的方法，其特征在于，
步骤(1)中，外磁场Hx的取值范围为-1000Oe＜Hx＜-50Oe以及+50Oe＜Hx＜+1000Oe，脉冲电流Ix的取值范围为-20mA＜Ix＜-10mA以及+10mA＜Hx＜+20mA，脉冲电流密度为106～107A/cm2，Hx和Ix都是沿着霍尔条的长度方向设置；
通过同时施加外磁场和脉冲电流，将面内交换偏置和面外交换偏置设定到不同的排列方式，实现非易失的十态存储功能，具体是指：
A、同时施加外磁场和电流脉冲，外磁场Hx＝+100Oe，电流脉冲Ix＝+19mA，使面内铁磁层的磁化状态沿+x方向，垂直铁磁层与垂直反铁磁层的界面磁矩沿+z方向；x方向为霍尔条的长度方向，电流沿此方向施加；y方向为霍尔条的宽度方向，沿此方向检测霍尔电压；z方向为样品生长方向；
B、去掉步骤A中施加外磁场和电流脉冲后，施加电流脉冲Ix＝+19mA，并改变写入电流脉冲Ix的脉冲强度，使得Ix在-14mA至-19mA范围内，测量面外反常霍尔曲线，得到一个稳定的电阻状态；
重复进行步骤B九次，每次步骤B中写入电流脉冲Ix的脉冲强度不同，对应得到十个稳定的电阻状态，这十个剩磁状态用来表示十进制中0到9，实现非易失的十态存储功能；
进一步优选的，步骤(1)中，外磁场Hx的取值范围为-100Oe≤Hx＜-50Oe以及+50Oe＜Hx≤+100Oe，脉冲电流Ix的取值范围为-19mA≤Ix＜-12mA以及+12mA＜Hx≤+19mA。
6.一种在权利要求1-3任一所述的单个磁性异质结结构中调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其特征在于，具体是指：
①设计具有两个电流通道而共用一个电压通道的Hallbar器件，两个电流通道包括第一通道和第二通道；
②同时施加外磁场和电流脉冲设定第一通道中面内交换偏置的方向，同时施加外磁场和电流脉冲设定第二通道中面内交换偏置的方向；
通过控制第一通道和第二通道中面内交换偏置的方向，以及第一通道和第二通道中输入电流脉冲的大小及方向，控制第一通道和第二通道中磁矩的排列方向；具体是指：进行逻辑运算时，首先，将第一通道和第二通道中面内交换偏置设定到不同的位形，其次，在零磁场下，向第一通道和第二通道中输入不同的电流脉冲作为逻辑输入，将整个器件的霍尔电压或者霍尔电阻作为逻辑输出，实现自旋逻辑功能。
7.根据权利要求6所述的调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其特征在于，步骤②中，实现AND逻辑功能的过程为：
向第一通道和第二通道均施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲Ix＝+19mA，第一通道和第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；此时，第一通道和第二通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲Ix＝+18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向上；当施加电流脉冲Ix＝-18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向下；当I1＝I2＝+18mA时，即当两个逻辑输入都为“1”时，I1、I2分别是指第一通道和第二通道施加的电流脉冲，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现AND逻辑功能。
8.根据权利要求6所述的调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其特征在于，步骤②中，实现NOR逻辑功能的过程为：
向第一通道和第二通道均施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲Ix＝+19mA，第一通道和第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；此时，第一通道和第二通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲Ix＝+18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向下；当施加电流脉冲Ix＝-18mA时，单个通道的垂直铁磁层磁矩向上；当I1＝I2＝-18mA时，即当两个逻辑输入都为“1”时，I1、I2分别是指第一通道和第二通道施加的电流脉冲，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现NOR逻辑功能。
9.根据权利要求6所述的调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其特征在于，步骤②中，实现NIMP逻辑功能的过程为：
向第一通道施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲I1＝+19mA，第一通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；
向第二通道施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲I2＝+19mA，第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；
此时，第一通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲I1＝+18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向上，当施加电流脉冲I1＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下；
第二通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲I2＝+18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向下，当施加电流脉冲I2＝-18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向上；
因此，第一通道中的输入为“1”即I1＝+18mA且第二通道中的输入为“0”即I2＝-18mA时，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现NIMP逻辑功能。
10.根据权利要求6所述的调控两个方向交换偏置实现自旋逻辑功能的方法，其特征在于，步骤②中，实现Converse NIMP逻辑功能的过程为：
向第一通道施加外磁场Hx＝-100Oe和电流脉冲I1＝+19mA，第一通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿-x方向；
向第二通道施加外磁场Hx＝+100Oe和电流脉冲I2＝+19mA，第二通道中的面内交换偏置的方向和面内铁磁层磁化方向都被设置为沿+x方向；
此时，第一通道中的RH-Ix回线是顺时针翻转，当施加电流脉冲I1＝+18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下，当施加电流脉冲I1＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向上；
第二通道中的RH-Ix回线是逆时针翻转，当施加电流脉冲I2＝+18mA时，第二通道的垂直铁磁层磁矩向上，当施加电流脉冲I2＝-18mA时，第一通道的垂直铁磁层磁矩向下；
因此，第一通道中的输入为“0”即I1＝-18mA且第二通道中的输入为“1”即I2＝+18mA时，第一通道和第二通道中垂直铁磁层的磁化方向都向上，对应逻辑输出为“1”，实现ConverseNIMP逻辑功能。
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