CN115715142A - 一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法、异质结构器件和自旋电子学器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法、异质结构器件和自旋电子学器件。本发明方法包括：通过多场操纵反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件的反铁磁磁矩，利用反铁磁磁矩与自旋的相互作用调控自旋流的自旋极化方向和/或调节自旋流强度；反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件包括由下至上依次层叠且构成异质结构的衬底层、反铁磁层和铁磁层；反铁磁层的材质为共线反铁磁材料或非共线反铁磁材料；铁磁层为垂直磁化的铁磁层或面内磁化的铁磁层。本发明异质结构器件能够产生可控自旋极化方向的自旋流，以实现相邻铁磁层高效的磁化翻转并带来器件低功耗的优势，其临界自旋流密度相比于传统非磁自旋源可降低一个数量级。

Description

一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法、异质结构器件 和自旋电子学器件

技术领域

本发明涉及一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法、异质结构器件和自旋电子学器件，属于电子信息材料领域。

背景技术

自旋电子学器件旨在通过操控电子的自旋自由度以实现高效可控的电学输运，进而构筑高速、低功耗的信息处理和存储器件(例如，自旋波晶体管和磁随机存储器)，以及高响应频率的射频收发器件(例如，自旋力矩纳米振荡器)等。其中，电流诱导的自旋流是自旋电子学器件的核心，其对磁性材料的磁化操控是自旋电子学器件中信息写入和射频激发的主流方案。传统的自旋源材料主要包括重金属(例如Pt，β-Τa,β-W)，Rashba界面(例如LaAlO₃/SrTiO₃)和拓扑绝缘体(例如Bi₂Se₃)等，这些材料/界面可以高效地产生自旋流以实现自旋电子学器件的各项功能。然而，传统自旋源仍存在以下两个问题：其一，自旋流的极化方向受到对称性限制，仅能产生面内极化的自旋流，对于垂直磁化层的操控效率较低；其二，传统自旋源材料一旦制备，其电荷-自旋转化的效率便已固定，如若其效率可控，将为自旋逻辑和多值存储器件打开新思路。为构建新型自旋电子学器件，亟需具有可控自旋极化方向和可调自旋流强度的自旋源材料。由于反铁磁磁矩与自旋存在相互作用，反铁磁中产生的自旋受到磁矩的调制而具有可控性。此外，许多反铁磁材料具有强自旋轨道耦合和拓扑磁能带，其产生自旋流的效率很高，因而利用反铁磁产生高效可控的自旋流是十分渴望的技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法、异质结构器件和自旋电子学器件，本发明利用反铁磁磁矩与自旋的相互作用，通过多场(磁场、电场、应力场)操纵反铁磁磁矩，进而产生多场可控的自旋流(可控自旋极化方向和/或可调自旋流强度)。

本发明提供一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法，包括：

通过多场操纵反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件的反铁磁磁矩，利用反铁磁磁矩与自旋的相互作用调控自旋流的自旋极化方向和/或调节自旋流强度；

所述多场为磁场、电场和应力场中的任一种；

所述反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件，它包括由下至上依次层叠且构成异质结构的衬底层、反铁磁层和铁磁层；

所述反铁磁层的材质为共线反铁磁材料或非共线反铁磁材料；所述共线反铁磁材料为钌氧化物RuO₂、Mn₂Au和铁铑合金FeRh中的至少一种；所述非共线反铁磁材料为Mn₃X或Mn₃YN；其中，X＝Ga、Ge、Sn、Ir、Pt或Rh；Y＝Ga、Ni或Sn；

所述铁磁层为垂直磁化的铁磁层或面内磁化的铁磁层。

上述利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法中，所述自旋极化方向包括面内自旋极化和面外自旋极化；

所述面内自旋极化方向包括面内x方向和面内y方向。

例如，在本发明的一个实施例中，利用磁场退火调控所述自旋极化方向。所述磁场退火可包括：将所述反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件在200℃和0.8T的外磁场下保温1h，然后在1K/min速率下降至室温。具体原理为通过磁场退火操控所述反铁磁层的奈尔矢量，进而操控所述自旋极化方向。

例如，在本发明的另一个实施例中，利用电场或应力场调控所述自旋极化方向。具体地，通过施加电流方向平行于所述反铁磁层的奈尔矢量，使面内自旋进动到面外方向。

上述利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法中，控制所述反铁磁层产生的自旋流的极化方向为面外自旋极化，进而诱导所述铁磁层尤其是所述垂直磁化铁磁层实现无外加辅助磁场下的翻转，以调节所述自旋流强度。

优选地，所述反铁磁层以非共线反铁磁材料(如Mn₃Pt)作为自旋源，非共线反铁磁由于具有拓扑能带而具有自旋流产生效率高的特点。

上述利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法中，所述衬底层的材质为铁电基片PMN-PT、氧化镁MgO、氧化铝Al₂O₃和氧化钛TiO₂中的至少一种；

所述铁电基片PMN-PT的化学式为Pb(Mg_1/3Nb_2/3)_0.7Ti_0.3O₃。

上述利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法中，所述反铁磁层的厚度可为3～50nm，具体可为12nm。

作为实例，所述非共线反铁磁材料为Mn₃Ir、Mn₃Pt或Mn₃SnN。

上述利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法中，所述垂直磁化的铁磁层的材质为钴铁硼合金CoFeB、钴镍[Co/Ni]多层膜、钴钯[Co/Pd]多层膜和钴铂[Co/Pt]多层膜中至少一种；

所述垂直磁化的铁磁层的厚度可为0.3～10nm，具体可为3.6nm。

作为实例，所述垂直磁化的铁磁层的材质为Co(0.4nm)/Pd(0.8nm)/Co(0.4nm)/Pd(2nm)多层膜。

上述利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法中，所述面内磁化的铁磁层的材质为铁、钴、镍、钴铁合金CoFe、镍铁合金NiFe和钴铁硼合金CoFeB中的至少一种；

所述面内磁化的铁磁层的厚度可为0.3～50nm，具体可为8nm或16nm。

本发明进一步提供任一项所述的利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法中的反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件。

本发明还提供一种自旋电子学器件，包括权利要求所述的反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件。

具体地，所述自旋电子学器件可为磁存储器、自旋波晶体管和自旋力矩纳米振荡器中的任一种。

本发明具有如下有益效果：

本发明提供的方法利用多场操纵反铁磁磁矩以及磁矩相关的电荷-自旋转化过程，将反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件应用于磁存储器、自旋波晶体管和自旋力矩纳米振荡器等自旋电子学器件，具有以下优点：反铁磁材料，能够产生可控自旋极化方向的自旋流，以实现相邻铁磁层高效的磁化翻转并带来器件低功耗的优势,其临界自旋流密度相比于传统非磁自旋源可降低一个数量级；可控的自旋流将带来可控的磁化动力学以及潜在的多值存储和可编程的自旋逻辑行为。其中，非共线反铁磁由于具有拓扑能带而具有自旋流产生效率高的特点，利用非共线反铁磁翻转相邻垂直磁化层的临界电流密度仅为共线反铁磁Mn₂Au的1/5。

附图说明

图1为本发明反铁磁自旋源/铁磁功能层的异质结构薄膜及反铁磁产生自旋流的示意图。图中各标记如下：1-衬底层；2-反铁磁层；3-铁磁层；4-磁场(垂直于薄膜平面，即z方向)；5-电场(垂直于薄膜平面，即z方向)；6-应力场(沿薄膜平面内，x或y方向)。

图2为本发明实施例1，非共线反铁磁Mn₃Ir(12nm)/NiFe(16nm)样品中利用自旋力矩铁磁共振探究Mn₃Ir产生自旋流的实验结果图，面内和面外自旋极化均存在。

图3为本发明实施例2，非共线反铁磁Mn₃SnN(12nm)/NiFe(16nm)样品中利用自旋力矩铁磁共振探究Mn₃SnN产生自旋流的实验结果图，面内和面外自旋极化均存在。

图4本发明实施例3，共线反铁磁RuO₂(12nm)/NiFe(8nm)样品中利用自旋力矩铁磁共振探究RuO₂产生自旋流的实验结果图，面内和面外自旋极化均存在。

图5本发明实施例4，共线反铁磁RuO₂(12nm)/NiFe(8nm)样品中利用磁场退火操控反铁磁RuO₂的磁化方向，调控了自旋极化的方向，以实现面内x方向自旋极化的开关行为。

图6本发明实施例5，共线反铁磁Mn₂Au(12nm)/NiFe(16nm)样品中电学操控Mn₂Au中自旋产生的实验结果图，利用电场实现了面外自旋极化的开关行为。

图7本发明实施例6，非共线反铁磁Mn₃Pt(12nm)/Co(0.4nm)/Pd(0.8nm)/Co(0.4nm)/Pd(2nm)样品中无辅助磁场下电流诱导的磁化翻转带来的霍尔电阻变化的实验结果图。翻转的临界自旋流密度(～5×10⁵Acm^-2)相比传统的非磁自旋源材料(例如Pt)要低一个数量级，体现了反铁磁自旋源中可控自旋流与面外自旋极化带来的高效磁化翻转的优势；翻转的临界电流密度(～9×10⁶Acm^-2)是共线反铁磁Mn₂Au的1/5，体现了非共线反铁磁中拓扑能带带来的高效自旋产生能力。

图8本发明实施例6，传统重金属Pt(2nm)/Co(0.4nm)/Pd(0.8nm)/Co(0.4nm)/Pd(2nm)样品在面内x方向0.1T磁场辅助下电流诱导的磁化翻转带来的霍尔电阻变化的实验结果图，翻转的临界自旋流密度约为9×10⁶Acm^-2。共线反铁磁Mn₂Au(9nm)/Co(0.4nm)/Pd(0.8nm)/Co(0.4nm)/Pd(2nm)样品中无辅助磁场下电流诱导的磁化翻转带来的霍尔电阻变化的实验结果图，翻转的临界电流密度约为5.5×10⁷Acm^-2。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

正如背景技术所描述的，针对现有技术中传统自旋源材料无法对自旋极化进行调控以及自旋流强度进行调节的缺陷，本发明一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法，包括：通过多场操纵反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件的反铁磁磁矩，利用反铁磁磁矩与自旋的相互作用调控自旋流的自旋极化方向和/或调节自旋流强度；多场为磁场、电场和应力场中的任一种；所述反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件包括由下至上依次层叠且构成异质结构的衬底层1、反铁磁层2和铁磁层3；反铁磁层2的材质为共线反铁磁材料或非共线反铁磁材料；共线反铁磁材料为钌氧化物RuO₂、铁铑合金FeRh和Mn₂Au中的至少一种；非共线反铁磁材料为Mn₃X或Mn₃YN；其中，X＝Ga、Ge、Sn、Ir、Pt或Rh；Y＝Ga、Ni或Sn；铁磁层3为垂直磁化的铁磁层或面内磁化的铁磁层。本发明同时提供所述反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件。

如图1所示，在本发明的一些实施例中，通过磁场、电场和应力场可操控反铁磁磁化，进而实现可控的自旋极化方向和自旋流强度，具体物理机制包括反铁磁磁矩诱导的自旋进动和反铁磁亚晶格能带相关的自旋劈裂效应。具体来说，磁场4可操控RuO₂/NiFe样品中反铁磁层(RuO₂)2的磁矩。在该样品中，利用磁场退火技术，在高于RuO₂奈尔温度下时铁磁层(NiFe)3可通过磁交换相互作用将反铁磁层(RuO₂)2的奈尔矢量排列在磁场方向。电场和应力场可操控PMN-PT//Mn₂Au/NiFe样品中反铁磁层(Mn₂Au)2的磁矩。在该样品中，沿着薄膜法向的电场5可在衬底层(压电基片PMN-PT)1诱导电致伸缩，带来的应力场6将改变反铁磁Mn₂Au的磁各向异性能，进而将反铁磁层(Mn₂Au)2的奈尔矢量排列在压应变的方向。

下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。以下提供的实施例可作为本技术领域普通技术人员进行进一步改进的指南，并不以任何方式构成对本发明的限制。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1：制备MgO//Mn₃Ir(12nm)/NiFe(16nm)异质结样品用于自旋力矩铁磁共振实验。

在MgO(110)衬底上采用磁控溅射的方式沉积Mn₃Ir(12nm)/NiFe(16nm)异质结样品。

在600℃下采用磁控溅射外延沉积Mn₃Ir，腔体溅射前的本底真空为1×10^-8Torr，直流溅射功率为30W。在Mn₃Ir沉积完毕后，腔体降至室温，继续沉积NiFe，腔体溅射前的本底真空为1×10^-8Torr，直流溅射功率为20W。

随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀的工艺，将上述Mn₃Ir/NiFe异质结样品加工成20×50μm²的样品条，再利用套刻、电子束蒸镀、剥离的工艺将样品条与GSG波导相连接，构成标准的自旋力矩铁磁共振器件，从GSG波导的三个端口各引出一根导线进行高频电输运测试。

图2中室温下磁场角度依赖的自旋力矩铁磁共振实验结果表明，NiFe中感受到的面外(V_A)和面内(V_S)力矩的角度依赖关系有两项：

和

前者由面内y方向的自旋极化贡献(交流电流方向为x方向，薄膜面外方向为z方向)，后者由面外z方向的自旋极化贡献。相比于传统非磁自旋源材料中仅能产生面内y方向的自旋极化，反铁磁中产生的面外自旋极化可在无外磁场辅助下实现垂直磁化铁磁材料的电学翻转，且面外自旋极化相比于面内自旋极化的翻转效率更高。

非共线反铁磁Mn₃X和Mn₃YN(X＝Sn,Ga,Ge,Pt,Ir,Rh；Y＝Ga,Ni,Sn)中面外自旋极化的产生机理如下：

非共线反铁磁的磁八极子构型将局域磁矩等效为磁八极子矩，由于存在磁交换相互作用，电流可诱导极化方向平行于磁八极子矩方向的载流子，并在垂直于磁八极子矩方向的自旋轨道耦合场的作用下，载流子的极化方向进动到面外z方向，即产生了面外自旋极化。

实施例2：制备MgO//Mn₃SnN(12nm)/NiFe(16nm)异质结样品用于自旋力矩铁磁共振实验。

在MgO(110)衬底上采用磁控溅射的方式沉积Mn₃SnN(12nm)/NiFe(16nm)异质结样品。

在400℃下采用磁控溅射外延沉积Mn₃SnN，腔体溅射前的本底真空为1×10^-7Torr，溅射气压为Ar:N₂＝20:3。直流溅射功率为30W。在Mn₃SnN沉积完毕后，腔体降至室温，继续沉积NiFe，腔体溅射前的本底真空为1×10^-7Torr，直流溅射功率为20W。

随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀的工艺，将上述Mn₃SnN/NiFe异质结样品加工成20×50μm²的样品条，再利用套刻、电子束蒸镀、剥离的工艺将样品条与GSG波导相连接，构成标准的自旋力矩铁磁共振器件，从GSG波导的三个端口各引出一根导线进行高频电输运测试。

图3中室温下磁场角度依赖的自旋力矩铁磁共振实验结果表明，NiFe中感受到的面外(V_A)和面内(V_S)力矩的角度依赖关系有两项：

和

前者由面内y方向的自旋极化贡献(交流电流方向为x方向，薄膜面外方向为z方向)，后者由面外z方向的自旋极化贡献。实验结果说明非共线反铁磁Mn₃SnN中可产生面外自旋极化，是无外磁场辅助下高效翻转垂直磁化层的潜在自旋源材料。

实施例3：制备TiO₂//RuO₂(12nm)/NiFe(8nm)异质结样品用于自旋力矩铁磁共振实验。

在TiO₂(011)衬底上采用磁控溅射的方式沉积RuO₂(12nm)/NiFe(8nm)异质结样品。

在500℃下采用磁控溅射外延沉积RuO₂，腔体溅射前的本底真空为1×10^-8Torr，溅射气体为Ar:O₂＝5:1，直流溅射功率为20W。在RuO₂沉积完毕后，腔体降至室温，继续沉积NiFe，腔体溅射前的本底真空为1×10^-8Torr，直流溅射功率为20W。

随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀的工艺，将上述RuO₂/NiFe异质结样品加工成20×50μm²的样品条，再利用套刻、电子束蒸镀、剥离的工艺将样品条与GSG波导相连接，构成标准的自旋力矩铁磁共振器件，从GSG波导的三个端口各引出一根导线进行高频电输运测试。图4中结果表明NiFe中感受到的面外(V_A)和面内(V_S)力矩的角度依赖关系有两项：

和

前者由面内y方向的自旋极化贡献，后者由面外z方向的自旋极化贡献。实验结果说明共线反铁磁RuO₂中可产生非常规的面外自旋极化。

共线反铁磁RuO₂中面外自旋极化的产生机理如下：

RuO₂中各向异性自旋劈裂的磁能带使其可产生平行于反铁磁奈尔矢量的自旋，其自旋流的流动反向沿着RuO₂的<100>晶向。因而在RuO₂(101)的薄膜中，沿着RuO₂[010]晶向施加的电流可诱导面外自旋极化的产生。

实施例4：制备YSZ//RuO₂(12nm)/NiFe(8nm)异质结样品用于自旋力矩铁磁共振实验。

在YSZ(100)衬底上采用磁控溅射的方式沉积RuO₂(12nm)/NiFe(8nm)异质结样品。

在500℃下采用磁控溅射外延沉积RuO₂，腔体溅射前的本底真空为1×10^-8Torr，溅射气体为Ar:O₂＝5:1，直流溅射功率为20W。在RuO₂沉积完毕后，腔体降至室温，继续沉积NiFe，腔体溅射前的本底真空为1×10^-8Torr，直流溅射功率为20W。

随后对RuO₂(12nm)/NiFe(8nm)异质结样品施加磁场退火实验，在200℃和0.8T的外磁场下保温1h，然后缓慢降温至室温，降温速率为1K/min。磁场退火过程可将反铁磁RuO₂的奈尔矢量排列在平行于退火磁场的方向。

通过紫外曝光、氩离子刻蚀的工艺，将上述磁场退火后的RuO₂/NiFe异质结样品加工成20×50μm²的样品条，再利用套刻、电子束蒸镀、剥离的工艺将样品条与GSG波导相连接，构成标准的自旋力矩铁磁共振器件，从GSG波导的三个端口各引出一根导线进行高频电输运测试。

图5中为两种构型下的自旋力矩铁磁共振实验的结果。图左为退火磁场(奈尔矢量)垂直于微波电流的结果，线形分离结果表明NiFe中感受到的面内(V_S)力矩的角度依赖关系满足

即为面内y方向自旋。图右为退火磁场(奈尔矢量)平行于微波电流的结果，线形分离结果表明NiFe中感受到的面内(V_S)力矩的角度依赖关系有两项：

和

前者由面内y方向的自旋极化贡献，后者由面内x方向的自旋极化贡献。实验结果表明反铁磁RuO₂中可产生平行于奈尔矢量方向的自旋，通过磁场退火技术可以操控RuO₂的奈尔矢量，进而操控自旋极化方向。

实施例5：制备PMN-PT//Mn₂Au(12nm)/NiFe(16nm)异质结样品用于自旋力矩铁磁共振实验

在PMN-PT(011)衬底上采用磁控溅射的方式沉积Mn₂Au(12nm)/NiFe(16nm)异质结样品。

在300℃下采用磁控溅射外延沉积Mn₂Au，腔体溅射前的本底真空为1×10^-7Torr，直流溅射功率为30W。在Mn₂Au沉积完毕后，腔体降至室温，继续沉积NiFe，腔体溅射前的本底真空为1×10^-7Torr，直流溅射功率为10W。

随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀的工艺，将上述Mn₂Au/NiFe异质结样品加工成20×50μm²的样品条，再利用套刻、电子束蒸镀、剥离的工艺将样品条与GSG波导相连接，构成标准的自旋力矩铁磁共振器件，从GSG波导的三个端口各引出一根导线进行高频电输运测试。在衬底的背面涂刷银胶并引出一根导线，用于施加电压进而在PMN-PT衬底中形成电场效应。

图6中室温下磁场角度依赖的自旋力矩铁磁共振实验结果表明，自然生长的Mn₂Au/NiFe样品中电流仅能诱导面内y方向的自旋极化

当器件的上下电极施加+200V(+4kV/cm)电压后，电流可诱导面外自旋极化

其原因是电场作用于压电基片PMN-PT引起其电致伸缩，伴随带来的应力场改变了反铁磁Mn₂Au的磁各向异性，诱导其奈尔矢量发生了90°的翻转，当施加电流方向平行于Mn₂Au的奈尔矢量时，Mn₂Au中亚晶格对称性破缺引起的自旋轨道耦合场引起面内自旋进动到面外方向。而当施加电流方向垂直于Mn₂Au的奈尔矢量时，自旋轨道耦合场不对面内自旋产生影响。实验结果说明电场和应力场可实现反铁磁Mn₂Au中面外自旋极化的开关行为。

实施例6：制备MgO//Mn₃Pt(12nm)/Co(0.4nm)/Pd(0.8nm)/Co(0.4nm)/Pd(2nm)多层膜样品用于电流诱导垂直磁化翻转。

在MgO(111)衬底上采用磁控溅射的方式沉积Mn₃Pt(12nm)/Co(0.4nm)/Pd(0.8nm)/Co(0.4nm)/Pd(2nm)多层膜样品。

在600℃下采用磁控溅射外延沉积Mn₃Pt，腔体溅射前的本底真空为1×10^-8Torr，直流溅射功率为30W。在Mn₃Pt沉积完毕后，腔体降至室温，继续沉积Co(0.4nm)/Pd(0.8nm)/Co(0.4nm)/Pd(2nm)铁磁多层膜，腔体溅射前的本底真空为1×10^-8Torr，直流溅射功率为20W。

随后通过紫外曝光、氩离子刻蚀的工艺，将上述多层膜样品加工成中心尺寸为5×5μm²的十字形器件，从十字形器件的四个端口各引出一根导线进行直流电输运测试。在十字形的一条通道施加电流，并用纳伏表记录与之垂直通道的霍尔电压信号。霍尔电压与施加电流之比即为样品的霍尔电阻信号。

图7中室温下直流电输运测试结果表明，在外磁场为零的情况下，随着电流脉冲从15mA(自旋流密度J_S为5×10⁵Acm^-2，电荷流密度J_C为1×10⁷Acm^-2)到-15mA(自旋流密度J_S为-5×10⁵Acm^-2，电荷流密度J_C为-1×10⁷Acm^-2)再到15mA(自旋流密度J_S为5×10⁵Acm^-2，电荷流密度J_C为1×10⁷Acm^-2)，测试得到的霍尔电阻变化为高阻态(J_S＝5×10⁵Acm^-2,J_C＝1×10⁷Acm^-2)低阻态(J_S-5×10⁵Acm^-2,J_C＝-1×10⁷Acm^-2)→高阻态(J_S＝5×10⁵A cm^-2,J_C＝1×10⁷A cm^-2)。该现象的出现是由于电流在Mn₃Pt中诱导面外自旋极化，产生的自旋流驱动了Co/Pd多层膜的磁化翻转，使得霍尔电阻发生变化。利用反铁磁产生的自旋流具有面外自旋极化(见实施例2-4)，其诱导垂直磁化翻转主要有两个优势：(1)磁化翻转不需要外加辅助磁场，(作为对照，传统非磁重金属Pt诱导垂直磁化翻转时需要外加辅助磁场，见图8)；(2)面外自旋极化相比于面内自旋极化对垂直磁化翻转更为高效，因而Mn₃Pt体系翻转的临界自旋流密度(5×10⁵A cm^-2)相比于传统非磁自旋源(J_S,Pt＝9×10⁶A cm^-2，见图8)要低一个数量级。此外，非共线反铁磁由于具有拓扑能带，其自旋流产生效率更高，即相同电流密度产生的自旋流密度更高。因而在无外加辅助磁场下，Mn₃Pt诱导垂直磁化翻转的临界电流密度(J_C＝9×10⁶A cm^-2)仅为Mn₂Au体系(J_C＝5.5×10⁷A cm^-2)的1/5。因此，非共线反铁磁时一类潜在高效可控的自旋源材料，有望应用于磁存储器、自旋波晶体管和自旋力矩纳米振荡器。

以上对本发明进行了详述。对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的宗旨和范围，以及无需进行不必要的实验情况下，可在等同参数、浓度和条件下，在较宽范围内实施本发明。虽然本发明给出了特殊的实施例，应该理解为，可以对本发明作进一步的改进。总之，按本发明的原理，本申请欲包括任何变更、用途或对本发明的改进，包括脱离了本申请中已公开范围，而用本领域已知的常规技术进行的改变。

Claims (9)

1.一种利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法，其特征在于，包括：

通过多场操纵反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件的反铁磁磁矩，利用反铁磁磁矩与自旋的相互作用调控自旋流的自旋极化方向和/或调节自旋流强度；

所述多场为磁场、电场和应力场中的任一种；

所述反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件包括由下至上依次层叠且构成异质结构的衬底层、反铁磁层和铁磁层；

所述反铁磁层的材质为共线反铁磁材料或非共线反铁磁材料；所述共线反铁磁材料为钌氧化物RuO₂、锰金合金Mn₂Au、铁铑合金FeRh中的至少一种；所述非共线反铁磁材料为Mn₃X或Mn₃YN；其中，X＝Ga、Ge、Sn、Ir、Pt或Rh；Y＝Ga、Ni或Sn；

所述铁磁层为垂直磁化的铁磁层或面内磁化的铁磁层。

2.根据权利要求1所述的利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法，其特征在于：所述自旋极化方向包括面内自旋极化和面外自旋极化；

所述面内自旋极化方向包括面内x方向和面内y方向。

3.根据权利要求1或2所述的利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法，其特征在于：所述衬底层的材质为铁电基片PMN-PT、氧化镁MgO、氧化铝Al₂O₃和氧化钛TiO₂中的至少一种。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法，其特征在于：所述反铁磁层的厚度为3～50nm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法，其特征在于：所述垂直磁化的铁磁层的材质为钴铁硼合金CoFeB、钴镍[Co/Ni]多层膜、钴钯[Co/Pd]多层膜和钴铂[Co/Pt]多层膜中至少一种；

所述垂直磁化的铁磁层的厚度为0.3～10nm。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法，其特征在于：所述面内磁化的铁磁层的材质为铁、钴、镍、钴铁合金CoFe、镍铁合金NiFe和钴铁硼合金CoFeB中的至少一种；

所述面内磁化的铁磁层的厚度为0.3～50nm。

7.权利要求1-6中任一项所述的利用反铁磁材料产生可控自旋流的方法中的反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件。

8.一种自旋电子学器件，其特征在于：包括权利要求7所述的反铁磁自旋源/铁磁功能层异质结构器件。

9.根据权利要求8所述的自旋电子学器件，其特征在于：所述自旋电子学器件为磁存储器、自旋波晶体管和自旋力矩纳米振荡器中的任一种。

Images