CN114744107A - 一种利用负热膨胀或巨热膨胀调控磁性层磁态实现信息存储的方法 - Google Patents

Abstract

本公开的示例性实施例提供了一种利用负热膨胀或巨热膨胀调控磁性层磁态实现信息存储的方法。本发明提出了一种自旋电子器件可以包括依次堆叠的具有负热膨胀或巨热膨胀特性的膜层、磁性膜层或磁隧道结。为避免膜层之间相互干扰可在负热膨胀或巨热膨胀膜层与磁性层或磁隧道结之间插入缓冲层。其中，负热膨胀或巨热膨胀膜层在温度变化时会发生尺寸变化，该变化可产生界面应力调控磁性层磁态来产生磁电阻效应，因此该方法有望成为一种新型的磁存储技术。

Description

一种利用负热膨胀或巨热膨胀调控磁性层磁态实现信息存储 的方法

技术领域

本发明涉及磁随机存储器技术领域，更具体的，涉及一种含负热膨胀或巨热膨胀材料的磁随机存储器(Magnetic RandomAccess Memory,MRAM)，以及包含该存储单元的自旋电子器件。

背景技术

自信息化时代以来人们对存储的要求越来越高，特别是大数据时代信息量的迅猛增长为储存器和逻辑器件提出了更高的要求。然而对于现有的非易失存储器其发展正逐渐达到其极限。在此情况下，以电子自旋自由度为基础的自旋电子学逐渐被人所关注并成为现今高速发展的一个领域。相比于以电荷为自由度的电子学而言，自旋电子器件具有高速度、低功耗、非易失、抗辐照等优良特性。其中基于磁电阻效应而产生的磁随机存储器有望取代现有的非易失存储器成为新一代通用逻辑存储技术。其中自旋转移矩(SpinTransferTorque,STT)或自旋轨道矩(Spin OrbitTorque,SOT)被认为是实现磁存储的有效方法。然而利用自旋转移矩时，需巨大的写入电流通过隧道结，因此在重复擦写的过程中很容易将隧道结中间的超薄绝缘层击穿，影响器件的稳定性和使用寿命。基于自旋轨道力矩的磁存储器，读写路径的分开可有效改善写入电流的隧穿效应，同时基于自旋霍尔效应(SpinHall Effect,SHE)或者Rashba效应所产生的自旋流可对磁性层施加力矩，实现具有面内磁各向异性(In-plane MagneticAnisotropy,IMA)磁性材料的无场定向翻转。然而这种面内的磁各向异性限制了器件的微型化无法实现高密度的存储。当将自旋轨道力矩施加于具有垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy,PMA)的磁性层时，由于磁性层磁矩并没有向上或向下的择优取向，因此通常需要外加一个辅助场来使对称性破缺，实现磁矩的定向翻转。这种外加辅助场可以是偏置电场或偏置电流。然而，外加场的引入增加了电路的复杂性，同时限制了器件的微缩和集成，这成为了限制自旋轨道力矩发展的最大障碍。此外人们还利用反铁磁和铁磁之间的交换偏置效应提供等效磁场代替外加磁场，或在器件中引入结构的不对称性如制备成契形结构利用作用在铁磁层上的额外转矩，打破器件原有的对称性实现零场翻转。但这些方法增加了器件的制备难度不利于大规模工业化生产。因此寻找和发展新的磁存储机理成为亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的是寻找新的磁存储技术路线，通过应力调控磁已作为一种重要的技术路线在国内外均开展了大量研究，针对应力产生源，相继提出利用电致伸缩、磁致伸缩、形状记忆效应、不同材料基片晶格匹配应力、机械应力等方法产生应力，但至今未见应用材料的反常热膨胀性质产生应力以调控磁的报道。近些年有大量负热膨胀(热缩冷胀)和巨热膨胀(某个温区反常增大的热胀冷缩)材料的报道，在一些特定的温区其反常膨胀行为导致的应变量可达到1％-3％。例如反钙钛矿材料中磁相变导致的反常热膨胀行为，钙钛矿铁电材料中由于铁电相变导致的负热膨胀，某些合金材料中由于磁容积效应(magneticvolume effect)导致的负热膨胀或巨热膨胀行为等。其效应的应用价值从无考虑应用于产生应变-应力调控磁，甚至产生自旋翻转效应，从而用于磁存储芯片技术中。

本发明通过下属技术方案实现：

一种自旋电子器件，含负热膨胀或巨热膨胀膜层的具有磁存储特性的异质结，所述异质结可以包括依次堆叠的两个或多个膜层，其中所述异质结具体包括：磁性层(该磁性层可能是多层和不同成分、结构的组合)；具有负热膨胀或巨热膨胀特性的膜层，该膜层尺寸可被温度显著调控。

在一个示例中，所述负热膨胀或巨热膨胀膜层可以是随温度升高晶格常数减小的负热膨胀材料，如铁电材料PbTiO₃及其衍生材料，磁性合金负热膨胀材料如Fe_0.65Ni_0.35，R₂Fe₁₇(R为稀土元素)，Mn基反钙钛矿化合物，多铁性材料如(Fe_0.5Nb_0.5)O₃等材料。

在另一个示例中，所述负热膨胀或巨热膨胀膜层可以由随温度升高晶格常数显著增大的巨热膨胀材料，如磁性材料Mn₃Pt和热膨胀系数较大的材料。

在另一示例中，所述的被应力调控的磁性层还可以是磁性隧道结。

在另一示例中，所述负热膨胀或巨热膨胀膜层同磁性层或磁性隧道结之间可以插入一层或多层缓冲层，避免负热膨胀或巨热膨胀膜层同磁性膜层或隧道结之间的相互干扰。

以上示例中提供温度的来源可以是，光照或激光加热，在负热膨胀或巨热膨胀膜层一侧添加加热丝或向负热膨胀或巨热膨胀膜层施加电流，利用焦耳热充当热源。

以上示例的描述只是示例性的，并非仅局限于该示例范围。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明提供了一种基于负热膨胀或巨热膨胀材料的负热膨胀或巨热膨胀特性，利用温度变化调控磁性层或磁隧道结磁态进而实现信息存储。在温度发生变化时，根据负热膨胀或巨热膨胀特性该膜层尺寸发生突变，产生施加于磁性薄膜或磁隧道结的压应力或张应力。应力的存在会改变磁性膜层的磁态进而影响其电阻特性或可能的光信息实现信息的存储。相比于传统的磁存储技术该发明提出了一种全新的应力产生方法，为磁存储器件的制造提供了新的技术路线。

附图说明

图1示出了根据本公开示例实施例的异质结的侧视图。

图2示出了根据本公开示例实施例的包含负热膨胀材料膜层的异质结的侧视图。

图3示出了根据本公开示例实施例的包含巨热膨胀材料膜层的异质结的侧视图。

图4示出了根据本公开示例实施例的包含磁性隧道结的器件结构的侧视图。

图5示出了根据本公开示例实施例的包含缓冲层的器件结构的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述的特征，但并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应当注意，这里使用的术语应解释为具有同本说明书上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本发明实施例提供一种自旋电子器件，图1是所述自旋电子器件的结构示意图，所述自旋电子器件包括负热膨胀或巨热膨胀/磁性材料异质结。该负热膨胀或巨热膨胀膜层的尺寸如晶格常数或宏观尺寸随温度变化可发生显著的变化。

具体地，如图2所示，异质结可包含负热膨胀膜层和位于该膜层一侧的磁性层。所述异质结利用温度变化控制负热膨胀膜层尺寸，调控磁性层的磁态来产生磁电阻效应。如温度升高负热膨胀膜层尺寸减小，利用界面耦合效应可对磁性层施加一个压应力，实现对磁性层磁态的控制。其中负热膨胀材料可选择铁电材料PbTiO₃及其衍生物，磁性功能材料Fe_0.65Ni_0.35，R₂Fe₁₇(R为稀土元素)，Mn基反钙钛矿化合物，多铁性材料(Fe_0.5Nb_0.5)O₃等材料体系。

如图3所示，异质结可包含巨热膨胀膜层和位于该膜层一侧的磁性层。所述异质结利用温度变化控制巨热膨胀膜层尺寸，调控磁性层的磁态来产生磁电阻效应。如温度升高，巨热膨胀膜层尺寸增大，利用界面耦合效应可对磁性层施加一个拉应力，实现对磁性层磁态的控制。其中巨热膨胀材料可选择磁性材料Mn₃Pt或热膨胀系数较大的材料体系。

如图4所示，可将异质结中的磁性层替换为磁隧道结，通过调控隧道结的磁态来产生磁电阻效应，在本公开示例中仅给出最简单的隧道结膜层结构，可根据实际应用场景对磁隧道结的膜层结构及不同组合进行选择，均在本发明保护之列。

如图5所示，所述负热膨胀或巨热膨胀膜层同磁性层或磁性隧道结之间可以插入一层或多层缓冲层如SrRuO₃，避免负热膨胀或巨热膨胀膜层同磁性膜层或隧道结之间产生磁相互作用，电流分流等相互干扰。在该公开示例中仅仅画出一层缓冲层但这并不用于限制本发明。同时，所述缓冲层的材料和厚度可根据实际应用场景进行选择。

如上所述对于磁性层或隧道结中的磁性层可由以下至少一种材料形成如铁磁性材料，反铁磁材料，磁性金属，磁性半导体，磁性绝缘体，磁性超导体等材料。

如上所述对于产生温度变化的热源可由光照和激光加热，电阻丝加热或直接向负热膨胀或巨热膨胀膜层施加电流利用焦耳热控制温度等方法具体实施。

如上所述负热膨胀或巨热膨胀膜层在温度变化的条件下可以发生负热膨胀或巨热膨胀。同时由于负热膨胀或巨热膨胀层同磁性层之间存在界面耦合作用，这种耦合作用可将负热膨胀或巨热膨胀膜层的尺寸变化以压应力或张应力的方式传递到上层磁性层，影响磁性层的磁态和电阻特性，实现信息的存储。

以上所述的具体实施方式，对本发明目的，技术方案进行说明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限制本发明的保护范围。正如本领域专业技术人员容易理解的那样，凡是在本发明原则之内做的任何等同替换，改进等均应该包括于本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于磁存储的自旋电子器件，包括依次堆叠的两个或多个膜层，其中所述自旋电子器件还包括：

一层具有负热膨胀或巨热膨胀特性的膜层，

其中所述负热膨胀或巨热膨胀材料在温度变化时尺寸会显著减小或增大，

其中所述自旋电子器件还包括：磁性层(该磁性层可能是多层和不同成分、结构的组合)或多个磁性层和绝缘层构成的隧道结，可由负热膨胀或巨热膨胀膜层调控该磁性层或隧道结磁态实现磁电阻效应。

2.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其中，所述的负热膨胀或巨热膨胀材料可以是随温度升高尺寸减小的负热膨胀材料，也可以是随温度升高尺寸突然显著增加的巨热膨胀材料。

3.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其中，所述的负热膨胀或巨热膨胀材料可以是随温度升高晶格尺寸显著增大的热膨胀系数较大的材料。

4.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其中磁性隧道结可以是包含多个磁性层和绝缘层的多膜层结构。

5.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其中磁性层和磁隧道结中的磁性层可以由以下材料中至少一种材料构成：铁磁性材料，反铁磁材料，磁性绝缘体，磁性半导体，磁性金属，磁性超导体，有机磁性材料，无机磁性材料，范德瓦尔斯磁性材料，具有面内磁各向异性特征的磁性材料，具有面外磁各向异性的磁性材料。

6.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其中负热膨胀或巨热膨胀膜层与磁性层或隧道结之间可以插入一层或多层缓冲层如SrRuO₃。

7.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其中温度变化可来源于，位于负热膨胀或巨热膨胀膜层一侧的加热丝的加热，光照或激光的加热，向负热膨胀或巨热膨胀膜层注入电流，利用产生的焦耳热作为热源。

8.一种自旋电子器件，包括权利要求1至7所述任意一项的器件。

9.根据权利要求8所述的自旋电子器件，其中，所述自旋电子器件是温度探测器、温度传感器、磁存储器、自旋逻辑器件、自旋晶体管等，且不仅限于此。

Images