CN117440692A - 一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置和方法 - Google Patents

一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置和方法。该装置包括提供电压的面电极和电源，提供电致应变的压电材料层，提供产生斯格明子拓扑结构的重金属‑磁性材料层以及衬底层和外加的保护层。在压电材料层上下两面电极，通过施加脉冲电压，压电材料层产生应变，并传递到重金属‑磁性材料层，根据不同的脉冲电压产生不同的kπ斯格明子模态。本发明公开的方法利用该装置实现应变介导精确调控磁斯格明子模态。本发明能提高信息存储容量和存储密度，易于制备，能耗低，其小尺寸结构适用于电子器件的集成化，在存储器件、逻辑器件、类脑器件等领域具有潜在的应用前景。

Description

一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置和方法
技术领域
本发明属于自旋电子器件技术领域，具体涉及一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置和方法。
背景技术
磁性斯格明子是一种类似粒子的拓扑孤子，由于其非易失性和可调性，它是开发高密度存储和逻辑器件的理想选择。同时，由于低驱动电流密度和纳米级尺寸，在神经形态计算等领域也具有广泛的应用前景。然而，磁斯格明子在运动过程中会受到拓扑霍尔效应的影响，产生额外的横向速度，从而导致偏转现象，直至湮灭，造成信息在传输过程的丢失与乱序等问题。
因此一种从单铁磁的模态出发构造的自旋逻辑器件的方法被提了出来。单轴铁磁体中k≥2的斯格明子的存在已经在理论上和实验上得到证明。垂直自旋电流的注入可以诱导产生多模态斯格明子，并通过激光束或磁场来实现对其状态的有效调控。例如文章10.1103/PhysRevB.107.014414中所描述的，利用注入垂直于铁磁薄膜平面的局部自旋电流，构造复杂的自旋纹理，以实现多模态斯格明子的生成。
然而，上述方法中存在的能耗高、器件结构复杂、器件小型化受限等问题，不利于斯格明子器件的实际应用。此外，高的自旋电流密度可能会产生过热问题，甚至损坏原型器件。
发明内容
针对上述能耗高，器件结构复杂，小型化受限等问题，本发明提供了一种应变介导精确调控斯格明子模态的装置和方法。
本发明利用逆压电效应和磁致伸缩效应，通过在两个面电极上对压电材料层施加电压，在压电材料层中产生电场，使得压电材料层发生应变并传递到重金属-磁性材料层，从而影响重金属-磁性材料层中磁性纳米薄膜的磁晶各向异性，使得磁性纳米薄膜的磁矩进动，从而实现斯格明子模态的改变。本发明易于制备，方法简单，小尺寸结构适用于电子器件的集成化，并且具有超低能耗的特点。
具体的，本发明提供的技术方案如下：
本发明提出了一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，所述装置包括：电源、两个面电极、衬底层、压电材料层和重金属-磁性材料层；
压电材料层上下表面分别设置两个面电极，即顶部电极和底部电极，两个面电极分别连接电源两端；重金属-磁性材料层设置在顶部电极上，接受压电材料层上表面传递的压电应变；衬底层设置在底部电极下；
所述压电材料层在电压作用下由于逆压电效应会产生面内双轴各向同性应变，并将产生的应变传递至重金属-磁性材料层；
所述重金属-磁性材料层由重金属层和磁性纳米薄膜组成；所述磁性纳米薄膜采用铁磁性材料，具有磁致伸缩性质，所述重金属层用于提供磁性纳米薄膜上的磁斯格明子多模态变化所需要的界面DM相互作用；所述磁性纳米薄膜的形状为圆盘型。
优选的，所述电源为脉冲电压源，用于提供使压电材料层发生应变所需要的电压；电源通过所述面电极对压电材料层上下表面施加脉冲电压，电源的脉冲电压宽度和幅值大小调控应变程度；所述的脉冲电压包括单个脉冲电压或者连续脉冲电压，所述脉冲电压的类型包括正弦脉冲或者矩形脉冲。
优选的，所述压电材料层厚度远大于重金属-磁性材料层，使在重金属-磁性材料层的表面应变与压电材料层上表面的应变一致。
更优选的，压电材料层厚度为1～10μm，重金属-磁性材料层厚度为5～20nm，其中，磁性纳米薄膜的直径为200～400nm。
优选的，所述面电极的材料为铂、金或银，压电材料层的材料为锆钛酸铅或聚偏氟乙烯，衬底层的材料为硅或二氧化硅，重金属-磁性材料层为铂-钴铁硼或铂-钴材料。
优选的，所述面电极、重金属-磁性材料层通过磁控溅射或蒸镀方法制作。
本发明还提出了一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的方法，该方法基于上述的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置实现，包括以下步骤：
连接电源，通过面电极对压电材料层上下表面施加方向脉冲电压，使压电材料层表面发生面内双轴各向同性应变，由方向脉冲电压的大小和压电材料层的压电常数控制压电材料层的最大应变值，由方向脉冲电压的脉冲宽度决定应变的持续时间；
压电材料层产生的应变最终传递至重金属-磁性材料层，改变了磁性纳米薄膜上的磁晶各向异性，磁性纳米薄膜上的磁矩则开始剧烈进动，在电压脉冲撤销后，磁性纳米薄膜上可形成kπ斯格明子，其中k＝0,1,2,3……；
调整方向脉冲电压的脉冲宽度和幅值，实现磁性纳米薄膜上的磁斯格明子模态的调控。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
(1)本发明通过面电极控制材料层的应变，实现应变介导下的斯格明子模态的变化。磁性斯格明子可用于存储，探测逻辑位上的斯格明子是否存在可表示二进制中的逻辑电位。利用压电应变的方式而非自旋电流或局部磁场，一方面是由于更好的局域性可以提高斯格明子存储密度和容量；另一方面，由于规避了电流所带来的焦耳热，本发明在能耗上也有具有明显的优化效果，具体取决于电极的尺寸，相比自旋电流或局部磁场的方式，本发明在能耗上有3～5个数量级的提升。
(2)本发明通过单磁体的应变调控，结构简单，易于制备，更适用于电子器件的集成化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是本发明实施例提供的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置示意图；
图2是本发明实施例提供的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置的结构图，其中(A)俯视图，(B)为主视图，(C)为磁性纳米薄膜的应变示意图；
图3是本发明实施例提供的装置发生应变导致斯格明子模态变化后铁磁圆盘沿z方向磁矩(mz)分布图；
图4是本发明实施例提供本发明实施例的装置施加连续脉冲和单脉冲后的斯格明子模态变化时序图。
附图中具体的符号标记为：
1、重金属-磁性材料层；2、顶部电极；3、压电材料层；4、底部电极；5、衬底层；6、保护层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
针对现有技术中搭建斯格明子器件的高能耗、器件结构复杂、无法小型化等问题，本发明提供了一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置和方法，通过上下面电极控制压电材料层的应变特征进而控制重金属-磁性材料层的磁斯格明子模态的转变，调节合适的脉冲宽度和幅值，可实现精确调控斯格明子模态，结构易于制备，方法简单。
图1是本发明实施例提供的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置示意图。如图1、2所示，实施例提供的一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置包括：重金属-磁性材料层1、顶部电极2、压电材料层3、底部电极4、衬底层5、保护层6。
具体地，压电材料层3上下表面分别放置顶部电极2、底部电极4，顶部电极2和底部电极4皆为面电极，顶部电极2和底部电极4分别连接脉冲电压源两端。重金属-磁性材料层1设置在顶部电极2上，接受压电材料层上表面传递的压电应变。底部电极4下还设置了衬底层5，衬底层的材料为硅或二氧化硅，用于支撑上述结构。顶部电极2、压电材料层3、底部电极4和衬底层5的长宽均相等，厚度不同。由重金属-磁性材料层1、顶部电极2、压电材料层3、底部电极4和衬底层5组成的整个单元的外周加设保护层6，所述保护层6可为长方体金属罩，用于防止单元结构受到外界的干扰，影响模态的切换。
具体地，顶部电极2、底部电极4起施加电压作用，提供使压电材料层3发生应变所需要的电压，电压大小控制最大应变值，面电极通过磁控溅射或蒸镀制作，为铂、金或银材料。
压电材料层3通过逆压电效应产生面内双轴各向同性应变，如图2的(C)所示，基于压电材料层3与重金属-磁性材料层1的材料连续性，在电压作用下，压电材料层3产生应变，并将该应变传递至重金属-磁性材料层1。压电材料层3厚度为1～10μm，为锆钛酸铅或聚偏氟乙烯材料。
重金属-磁性材料层1用于提供磁斯格明子产生所需的界面DM相互作用和运动轨道。重金属-磁性材料层1厚度为5～20nm。重金属-磁性材料层1包括重金属薄膜和磁性纳米薄膜，其中磁性纳米薄膜的形状为圆盘型，直径范围为200～400nm。所述重金属-磁性材料层1通过磁控溅射或蒸镀方法制作，为铂-钴铁硼或铂-钴材料，具体的，重金属薄膜为铂材料，磁性纳米薄膜为钴铁硼或钴材料。
基于以上发明构思，本发明实施例还提供了应变介导精确调控磁斯格明子模态的方法，使用上述实施例提供的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，包括以下过程：
通过在顶电极2和底电极层4上对压电材料层3施加电压，在压电材料层3中产生电场致使压电材料层3发生应变，并传递到重金属-磁性材料层1，进而影响磁性磁性纳米薄膜的磁各向异性能，使得磁性磁性纳米薄膜上的磁化方向发生变化，从而实现斯格明子模态的变化。基于重金属-磁性材料层1和压电材料层3之间具有良好的界面结合作用，且压电材料层3厚度远大重金属-磁性材料层1，因此可近似认为在重金属-磁性材料层1的表面应变与压电材料层3的上表面应变一致。
调控电压脉冲的幅值和宽度，可以实现对磁性纳米薄膜上的斯格明子模态精确调控。如图3所示，实施例的装置发生应变导致斯格明子模态变化后磁性圆盘z方向磁矩(mz)分布图，此处展示了四种模态的分布。具体地，调整磁性纳米薄膜的尺寸和材料参数，模态数可实现k>3的切换。
本实施例中，所采用的脉冲电压，不局限于矩形单脉冲或多脉冲，也可以正弦信号单脉冲或者多脉冲。如图4所示，其中(A)为实施例装置施加连续的正弦脉冲电压，致使磁性纳米薄膜上的斯格明子模态切换的时序图。图4的(B)为实施例装置施加单矩形宽脉冲电压，致使磁性纳米薄膜上的斯格明子模态连续切换的时序图。另外，调整脉冲宽度和幅值，可实现磁性纳米薄膜上的任意模态的切换。
综上，本发明实施例提供的一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置和方法，通过面电极控制压电材料层中的应变特征，在压电材料层垂直方向产生应变并传递至重金属-磁性材料层，使得磁性纳米薄膜上的磁矩发生变化，实现斯格明子模态的切换。本发明易于制备，方法简单，能耗低，反应快速，能够提高信息存储容量和密度，其小尺寸适用于电子器件的集成化，在存储器件、逻辑器件、类脑器件等领域具有潜在的应用前景。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，其特征在于，包括：电源、两个面电极、衬底层、压电材料层和重金属-磁性材料层；
压电材料层上下表面分别设置两个面电极，即顶部电极和底部电极，两个面电极分别连接电源两端；重金属-磁性材料层设置在顶部电极上，接受压电材料层上表面传递的压电应变；衬底层设置在底部电极下；
所述压电材料层在电压作用下由于逆压电效应会产生面内双轴各向同性应变，并将产生的应变传递至重金属-磁性材料层；
所述重金属-磁性材料层由重金属层和磁性纳米薄膜组成；所述磁性纳米薄膜采用铁磁性材料，具有磁致伸缩性质，所述重金属层用于提供磁性纳米薄膜上的磁斯格明子多模态变化所需要的界面DM相互作用。
2.根据权利要求1所述的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，其特征在于，所述电源为脉冲电压源，用于提供使压电材料层发生应变所需要的电压；电源通过所述面电极对压电材料层上下表面施加脉冲电压，电源的脉冲电压宽度和幅值大小调控应变程度。
3.根据权利要求2所述的基于应变介导精确调控斯格明子模态的装置，其特征在于，所述的脉冲电压包括单个脉冲电压或者连续脉冲电压，所述脉冲电压的类型包括正弦脉冲或者矩形脉冲。
4.根据权利要求1所述的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，其特征在于，所述磁性纳米薄膜的形状为圆盘型。
5.根据权利要求1所述的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，其特征在于，所述压电材料层厚度远大于重金属-磁性材料层，使在重金属-磁性材料层的表面应变与压电材料层上表面的应变一致。
6.根据权利要求5所述的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，其特征在于，压电材料层厚度为1～10μm，重金属-磁性材料层厚度为5～20nm，其中，磁性纳米薄膜的直径为200～400nm。
7.根据权利要求1所述的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，其特征在于，所述面电极的材料为铂、金或银，压电材料层的材料为锆钛酸铅或聚偏氟乙烯，衬底层的材料为硅或二氧化硅，重金属-磁性材料层为铂-钴铁硼或铂-钴材料。
8.根据权利要求1所述的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置，其特征在于，所述面电极、重金属-磁性材料层通过磁控溅射或蒸镀方法制作。
9.一种基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-8任一项所述的基于应变介导精确调控磁斯格明子模态的装置实现，包括以下步骤：
连接电源，通过面电极对压电材料层上下表面施加方向脉冲电压，使压电材料层表面发生面内双轴各向同性应变，由方向脉冲电压的大小和压电材料层的压电常数控制压电材料层的最大应变值，由方向脉冲电压的脉冲宽度决定应变的持续时间；
压电材料层产生的应变最终传递至重金属-磁性材料层，改变了磁性纳米薄膜上的磁晶各向异性，磁性纳米薄膜上的磁矩则开始剧烈进动，在电压脉冲撤销后，磁性纳米薄膜上可形成kπ斯格明子，其中k＝0,1,2,3……；
调整方向脉冲电压的脉冲宽度和幅值，实现磁性纳米薄膜上的磁斯格明子模态的调控。
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