CN116847719B - 自旋轨道矩材料和器件、铜铁矿氧化物的薄膜的用途 - Google Patents
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Abstract
一种自旋轨道矩材料和器件、铜铁矿氧化物的薄膜的用途，涉及自旋电子领域，所述自旋轨道矩材料的化学式为ABO2；其中，A和B为不同的重金属原子，O为氧原子，并且A、B与O的原子个数比例为1:1:2。本申请实施例的自旋轨道矩材料具有较高的自旋轨道矩效率和较低的电阻率，应用于自旋轨道矩器件中可以降低器件的功耗。
Description
技术领域
本申请实施例涉及自旋电子领域，尤指一种自旋轨道矩材料、一种自旋轨道矩器件和一种铜铁矿氧化物的薄膜的用途。
背景技术
自旋轨道矩（Spin Orbit Torque, SOT）器件是基于自旋轨道矩效应制备的半导体器件，其工作方式为电荷通过自旋轨道矩材料后会产生自旋流，自旋流进而对磁性层的磁矩进行控制。但目前自旋轨道矩器件还未实现大规模应用，主要因素包括：
（1）驱动磁矩翻转需要一定的电流密度，但目前的自旋轨道矩材料产生的自旋轨道矩效率较低，导致无法驱动磁矩翻转；
（2）目前的自旋轨道矩材料的电阻率较高。
自旋轨道矩器件的功耗关系式为：
其中，表示器件的写入功耗；/>表示自旋轨道矩效率，/>表示电阻率。
可以看出，器件的写入功耗与自旋轨道矩效率成反比，与电阻率成正比。
低自旋轨道矩效率和高电阻率会导致自旋轨道矩器件的写入功耗较高，进而在较大程度上制约了自旋轨道矩器件的广泛应用。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制本申请的保护范围。
本申请实施例提供了一种自旋轨道矩材料、一种自旋轨道矩器件和一种铜铁矿氧化物的薄膜的用途，本申请实施例的自旋轨道矩材料具有较高的自旋轨道矩效率和较低的电阻率，应用于自旋轨道矩器件中可以降低器件的功耗。
本申请实施例提供了一种自旋轨道矩材料，所述自旋轨道矩材料具有自旋轨道矩效应，所述自旋轨道矩材料的化学式为ABO2；
其中，A和B为不同的重金属原子，O为氧原子，并且A、B与O的原子个数比例为1: 1:2。
在本申请的实施例中，所述A、B可以各自独立地为铂、钯、钴、铬、钽、钨、铜、铪、铼、铱、金、银和钛中的任意一种。
在本申请的实施例中，所述A可以为铂和钯中的任意一种，所述B可以为钴和铬中的任意一种。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩材料可以为ABO2的薄膜，所述ABO2的薄膜可以包括单层或多层ABO2原子层；
其中，每一层ABO2原子层包括A原子层和BO2原子层，所述多层ABO2原子层由交错堆叠的A原子层和BO2原子层构成。
在本申请的实施例中，所述ABO2的薄膜可以为单晶薄膜或非晶状态下的薄膜。
在本申请的实施例中，所述ABO2的薄膜的厚度可以为8nm至150nm。
本申请实施例还提供一种自旋轨道矩器件，所述自旋轨道矩器件可以包括至少一种如上本申请实施例提供的所述自旋轨道矩材料。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩器件可以包括自旋轨道矩产生层，所述自旋轨道矩产生层包括所述自旋轨道矩材料。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩器件可以为存储器件、逻辑器件或传感器件。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩产生层可以配置为驱动磁化反转、扰动磁矩或激发磁共振。
本申请实施例还提供一种铜铁矿氧化物的薄膜用于提供自旋轨道矩效应的用途，所述铜铁矿氧化物的化学式为ABO2；
其中，A和B为不同的重金属原子，O为氧原子，并且A、B与O的原子个数比例为1: 1:2。
在本申请的实施例中，所述A、B可以各自独立地为铂、钯、钴、铬、钽、钨、铜、铪、铼、铱、金、银和钛中的任意一种。
在本申请的实施例中，所述A可以为铂和钯中的任意一种，所述B可以为钴和铬中的任意一种。
在本申请的实施例中，所述铜铁矿氧化物的薄膜可以包括单层或多层ABO2原子层，其中，每一层ABO2原子层包括A原子层和BO2原子层，所述多层ABO2原子层由交错堆叠的A原子层和BO2原子层构成。
在本申请的实施例中，所述用途可以包括在自旋轨道矩存储器件、自旋轨道矩逻辑器件或自旋轨道矩传感器件中采用所述铜铁矿氧化物的薄膜提供自旋轨道矩效应，并利用所述自旋轨道矩效应驱动磁化反转、扰动磁矩或激发磁共振。
本申请实施例的自旋轨道矩材料可以同时具有较高的自旋轨道矩效率和较低的电阻率，例如，自旋轨道矩效率可以＞0.1（例如，自旋轨道矩效率＞0.5），电阻率≤20μΩcm，因此应用于自旋轨道矩器件中可以降低器件的磁化翻转功耗，即本申请实施例的自旋轨道矩材料在降低自旋轨道矩器件写入功耗方面具有实际重要价值。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得更加清楚，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本申请技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本申请的技术方案，并不构成对本申请技术方案的限制。
图1为单层ABO2原子层的原子结构示意图；
图2为多层ABO2原子层的原子结构示意图；
图3为单晶外延PtCoO2薄膜的扫描透射电子显微镜图；
图4为PtCoO2薄膜的电阻率随厚度的变化关系曲线；
图5为单晶外延PtCoO2薄膜与其他材料的自旋轨道矩效率-电阻率对比图；
图6为垂直磁化翻转模式下的霍尔电阻随电流密度的变化曲线。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本申请的实施方式并不一定限定附图所示尺寸，附图中各部件的形状和大小不反映真实比例。此外，附图示意性地示出了理想的例子，本申请的实施方式不局限于附图所示的形状或数值。
在本申请的描述中，“膜（或薄膜）”和“层”可以相互调换。例如，有时可以将“自旋轨道矩产生层”换成“自旋轨道矩产生膜（或薄膜）”。与此同样，有时可以将“铜铁矿氧化物薄膜”换成“铜铁矿氧化物层”。
目前，为了降低自旋轨道矩器件的写入功耗，所采用的方法主要包括：
（1）调控磁性层的各向异性强度，例如，可以在写入电流密度不增加的情况下通过外加电压或者应力等手段，降低铁磁层的磁各向异性能，实现低电流密度对磁性层的操控（即数据的写入）；
虽然通过外加电压或者应力可以降低铁磁层的磁各向异性强度，但是需要附加引入电压调控器或者应力调控器；电压调控器或者应力调控器的引入不仅占据一定的空间，制约自旋轨道矩器件的集成密度提升，而且引入电压调控器或者应力调控器也增加了器件的加工成本，降低了自旋轨道矩器件在成本方面的商业优势；
（2）提高自旋轨道矩效率
为提高自旋轨道矩效率，目前主要的研究手段包括：1）改善自旋轨道矩层和铁磁层的界面；2）调节自旋轨道层的膜层结构和对自旋轨道层进行掺杂；
调控自旋轨道矩层与铁磁层之间的界面效应可以减小界面自旋流的散射作用，改善自旋轨道矩材料产生的自旋流的利用效率，但依然无法从根本上大幅度提高自旋轨道矩效率；目前已知的调节自旋轨道层的膜层结构和对自旋轨道层进行掺杂的方法虽然提升了部分自旋轨道矩材料的自旋轨道矩效率，但同时却增加了器件的电阻率，导致功耗依然居高不降。
本申请实施例提供了一种自旋轨道矩材料，所述自旋轨道矩材料具有自旋轨道矩效应，所述自旋轨道矩材料的化学式为ABO2；
其中，A和B为不同的重金属原子，O为氧原子，并且A、B与O的原子个数比例为1: 1:2。
在本申请的实施例中，所述A、B可以各自独立地为铂（Pt）、钯（Pd）、钴（Co）、铬（Cr）、钽（Ta）、钨（W）、铜（Cu）、铪（Hf）、铼（Re）、铱(Ir)、金(Au)、银(Ag)和钛(Ti)中的任意一种。
在本申请的实施例中，所述A可以为铂和钯中的任意一种，所述B可以为钴和铬中的任意一种。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩材料可以为PtCoO2、PdCoO2或PdCrO2。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩材料可以为ABO2的薄膜。
图1和图2分别为单层ABO2原子层和多层ABO2原子层的原子结构示意图。
如图1和图2所示，所述ABO2的薄膜可以包括单层或多层ABO2原子层；其中，每一层ABO2原子层包括A原子层和BO2原子层，所述多层ABO2原子层由交错堆叠的A原子层和BO2原子层构成。
在本申请的实施例中，所述ABO2的薄膜可以为单晶薄膜，如图3所示。在其他实施例中，所述ABO2的薄膜还可以为非晶状态下的薄膜。
在本申请的实施例中，所述ABO2的薄膜的厚度可以为8nm至150nm。
图4为PtCoO2薄膜的电阻率随厚度的变化关系曲线。如图4所示，当PtCoO2薄膜的厚度在10nm至80nm范围内变化时，PtCoO2薄膜的电阻率不超过18μΩcm。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩材料的电阻率≤20μΩcm。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩材料的自旋轨道矩效率＞0.1。
图5为单晶外延PtCoO2薄膜与其他材料的自旋轨道矩效率-电阻率对比图。
如图5所示，其他材料体系，例如拓扑绝缘体材料、拓扑半金属材料以及合金等虽然可以具有较高的自旋轨道矩效率，但同时电阻率也较大。而申请实施例选用的单晶外延PtCoO2薄膜可以在具有低电阻率的情况下维持较高的自旋轨道矩效率。
因此，本申请实施例的自旋轨道矩材料可以同时具有较高的自旋轨道矩效率和较低的电阻率，例如，自旋轨道矩效率可以＞0.1，电阻率≤20μΩcm。
本申请实施例还提供一种自旋轨道矩器件，所述自旋轨道矩器件可以包括至少一种如上本申请实施例提供的所述自旋轨道矩材料。
由于本申请实施例的自旋轨道矩材料可以同时具有较高的自旋轨道矩效率和较低的电阻率，因此应用于自旋轨道矩器件中可以降低器件的磁化翻转功耗，即本申请实施例的自旋轨道矩材料在降低自旋轨道矩器件写入功耗方面具有实际重要价值。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩器件可以包括自旋轨道矩产生层，所述自旋轨道矩产生层包括所述自旋轨道矩材料。
例如，所述自旋轨道矩产生层可以至少一种所述自旋轨道矩材料。当所述自旋轨道矩产生层包括多种自旋轨道矩材料时，可以将每一种自旋轨道矩材料分别制成薄膜，然后将多种自旋轨道矩材料的薄膜堆叠在一起构成所述自旋轨道矩产生层。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩器件可以为存储器件、逻辑器件或传感器件。例如，所述自旋轨道矩器件可以为自旋轨道矩磁随机存储器（SOT-MRAM）。
在本申请的实施例中，所述自旋轨道矩产生层可以配置为驱动磁化反转、扰动磁矩或激发磁共振。
在本申请的实施例中，所述驱动磁化反转包括但不限于对磁性材料的磁化翻转，其中，磁性材料包括铁磁材料、亚铁磁材料；既包括零维磁性材料，又包括一维磁性材料和二维磁性材料。
当所述自旋轨道矩器件作为存储器件使用时，主要基于磁矩翻转，但对于传感器件等的应用，则不需要将磁矩翻转，仅需扰动磁矩或者激发共振等特性就可以实现其使用条件，因此自旋轨道矩产生层不局限于应用于需要磁化翻转的器件，也可以应用在非磁化翻转的器件中。
在本申请的实施例中，可以在所述自旋轨道矩产生层上制备面内磁化膜，从而实现纯电学模式的磁化翻转；或者，可以在所述自旋轨道矩产生层上制备垂直磁化膜，从而实现磁场辅助下的电学模式的垂直磁化翻转。
采用PtCoO2作为自旋轨道矩产生层，在其上制备垂直磁化膜，并考察垂直磁化翻转效率，得到如图6所示的垂直磁化翻转模式下的霍尔电阻（R）随电流密度（J）的变化曲线。从图6可以看出，可以采用电流对磁矩进行翻转，并且电流密度<7×10-6 A/cm2，说明PtCoO2作为自旋轨道矩产生层的自旋轨道矩的效率比较高。
本申请实施例还提供一种铜铁矿氧化物的薄膜用于提供自旋轨道矩效应的用途，所述铜铁矿氧化物的化学式为ABO2；
其中，A和B为不同的重金属原子，O为氧原子，并且A、B与O的原子个数比例为1: 1:2。
在本申请的实施例中，所述A、B可以各自独立地为铂、钯、钴、铬、钽、钨、铜、铪、铼、铱、金、银和钛中的任意一种。
在本申请的实施例中，所述A可以为铂和钯中的任意一种，所述B可以为钴和铬中的任意一种。
在本申请的实施例中，所述铜铁矿氧化物的薄膜可以包括单层或多层ABO2原子层，其中，每一层ABO2原子层包括A原子层和BO2原子层，所述多层ABO2原子层由交错堆叠的A原子层和BO2原子层构成。
在本申请的实施例中，所述铜铁矿氧化物的薄膜可以为单晶薄膜或非晶状态下的薄膜。
在本申请的实施例中，所述铜铁矿氧化物的薄膜的厚度可以为8nm至150nm。
在本申请的实施例中，所述用途可以包括在自旋轨道矩存储器件、自旋轨道矩逻辑器件或自旋轨道矩传感器件中采用所述铜铁矿氧化物的薄膜提供自旋轨道矩效应，并利用所述自旋轨道矩效应驱动磁化反转、扰动磁矩或激发磁共振。
在本申请的实施例中，所述ABO2的薄膜或所述铜铁矿氧化物的薄膜可以参照文献Solution-processable epitaxial metallic delafossite oxide films. Advanced Functional Materials, 2020, 2002375. 中公开的方法制备得到。
虽然本申请所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本申请而采用的实施方式，并非用以限定本申请。任何本申请所属领域内的技术人员，在不脱离本申请所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本申请的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。
Claims (13)
1.一种自旋轨道矩材料，具有自旋轨道矩效应，其特征在于，所述自旋轨道矩材料的化学式为ABO2；
其中，A和B为不同的重金属原子，O为氧原子，并且A、B与O的原子个数比例为1: 1: 2；
所述A、B各自独立地为铂、钯、钴、铬、钽、钨、铜、铪、铼、铱、金、银和钛中的任意一种；
所述自旋轨道矩材料的电阻率≤20μΩcm。
2.根据权利要求1所述的自旋轨道矩材料，其特征在于，所述A为铂和钯中的任意一种，所述B为钴和铬中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的自旋轨道矩材料，其特征在于，为ABO2的薄膜，所述ABO2的薄膜包括单层或多层ABO2原子层；
其中，每一层ABO2原子层包括A原子层和BO2原子层，所述多层ABO2原子层由交错堆叠的A原子层和BO2原子层构成。
4.根据权利要求3所述的自旋轨道矩材料，其特征在于，所述ABO2的薄膜为单晶薄膜或非晶状态下的薄膜。
5.根据权利要求3所述的自旋轨道矩材料，其特征在于，所述ABO2的薄膜的厚度为8nm至150nm。
6.一种自旋轨道矩器件，其特征在于，包括至少一种根据权利要求1至5中任一项所述的自旋轨道矩材料。
7.根据权利要求6所述的自旋轨道矩器件，其特征在于，包括自旋轨道矩产生层，所述自旋轨道矩产生层包括所述自旋轨道矩材料。
8.根据权利要求7所述的自旋轨道矩器件，其特征在于，为存储器件、逻辑器件或传感器件。
9.根据权利要求7或8所述的自旋轨道矩器件，其特征在于，所述自旋轨道矩产生层配置为驱动磁化反转、扰动磁矩或激发磁共振。
10.一种铜铁矿氧化物的薄膜用于提供自旋轨道矩效应的用途，其特征在于，所述铜铁矿氧化物的化学式为ABO2；
其中，A和B为不同的重金属原子，O为氧原子，并且A、B与O的原子个数比例为1: 1: 2；
所述A、B各自独立地为铂、钯、钴、钽、钨、铜、铪、铼、铱、金、银和钛中的任意一种；
所述铜铁矿氧化物的电阻率≤20μΩcm。
11.根据权利要求10所述的用途，其特征在于，所述A为铂和钯中的任意一种，所述B为钴和铬中的任意一种。
12.根据权利要求10或11所述的用途，其特征在于，所述铜铁矿氧化物的薄膜包括单层或多层ABO2原子层，其中，每一层ABO2原子层包括A原子层和BO2原子层，所述多层ABO2原子层由交错堆叠的A原子层和BO2原子层构成。
13.根据权利要求10所述的用途，其特征在于，包括在自旋轨道矩存储器件、自旋轨道矩逻辑器件或自旋轨道矩传感器件中采用所述铜铁矿氧化物的薄膜提供自旋轨道矩效应，并利用所述自旋轨道矩效应驱动磁化反转、扰动磁矩或激发磁共振。
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