CN1187024A - 用于产生和发射自旋极化电子的方法和电子发射器件 - Google Patents

Abstract

电子发射器件,包括第一导电材料;与其磁耦合的磁性超薄膜;位于二者之间的电绝缘透磁介质;电耦合于磁性超薄膜的第二导电材料,形成受到电场冲击时发射电子的结构;以及电耦合于发射电子结构的正极,产生冲击发射电子结构的电场。产生和发射自旋极化电子的方法,对第一导电材料施加电压建立磁场极性;在磁性超薄膜中极化电子;对磁性超薄膜施加电流提供自旋极化的电子流;通过对第二导电材料施加电场以发射极化电子。

Description

用于产生和发射自旋极化电子 的方法和电子发射器件

本发明涉及到数据储存及检索。更确切地说是涉及到用自旋极化电子存储数据的方法和设备。尤其涉及用于产生和发射自旋极化电子的方法及用于产生和发射自旋极化电子的电子发射器件。

多年以来，对高速大容量数据储存器件一直存在着不断增长的需求。随着模拟系统转变为数字系统以及现有处理器工艺所显现的处理速度的不断提高，快速存取大量数据的能力已赶不上要求。在计算机模拟科学领域以及高清晰度电视(HDTV)、HDTV录相、压缩磁盘、个人数字式助手(PDA)、个人通信助手(PCA)、数字式走带机构和甚至汽车之类的消费领域中，情况更是如此。而且，计算机、多媒体和通信的交叉领域将通过虚拟现实、交互式电视、语音识别系统(声音交互式)、手写体识别系统以及具有娱乐系统的集成通信而影响消费者，上述每一种情况都要求高速静态大容量数据存储器。

采用常规光刻技术以及对现有存储器工艺作出的逐步改进已得到了一些进展。这种逐步进展只会增大不断提高的处理器速度与其储存并有效利用所需数据量的能力之间的差距。

因此，本发明的目的是一种存储介质以及一种用来使用自旋极化电子在存储介质上存储数据并从中读取所存储的数据的方法和设备，这种方法基本上避免了由有关技术的局限性和缺点所造成的各种问题。

本发明的特点和优点将加以描述并从本发明的实施得以了解。本发明的目的和其它优点将由书面描述及其权利要求和附图中所具体指出的方法和电子发射器件加以实现并完成。

为达到这些及其它优点并根据本发明的目的，作为举例和广义的描述，用于产生和发射自旋极化电子的电子发射器件包含第一导电材料；磁耦合于第一导电材料的磁性超薄膜；位于第一导电材料和磁性超薄膜之间的电绝缘的透磁介质；电耦合于磁性超薄膜的第二导电材料，形成为具有受到电场冲击时发射电子的结构；以及电耦合于发射电子结构的正极，用于产生冲击发射电子结构的电场。

根据本发明的另一种情况，一种产生和发射自旋极化电子的方法，包含下列步骤：对第一导电材料施加电压以建立磁场极性；基于磁场极性，在磁性超薄膜中极化电子；对磁性超薄膜施加电流以提供在磁性超薄膜中被自旋极化的电子流；通过对制成为发射电子结构的第二导电材料施加电压以发射极化电子。

应该理解，无论上述的一般描述还是下面的详细描述都是示例和解释性的，并且是为了提供权利要求所述的本发明的进一步的解释。

用来为本发明提供进一步理解而结合并组成本说明书一部分的附图，描述了本发明的一个现有最佳实施例，且与说明书一起用来解释本发明的原理。

图1是本发明最佳实施例数据存储和检索器件的剖面图；

图2是用于图1数据存储和检索器件中的消象散器(stigmator)元件的平面图；

图3(a)和3(b)是图1数据存储介质的局部剖面图；

图4(a)是图1数据存储介质的平面图；

图4(b)是图1数据存储介质的局部剖面图，示出了放置和对准区；

图5(a)-5(b)是数据存储操作过程中，图1数据存储介质的局部剖面图；

图6(a)-6(b)是第一数据读取操作过程中，图1数据存储介质的局部剖面图；

图7(a)-7(b)是第二数据读取操作过程中，图1数据存储介质的局部剖面图；

图8是对准操作过程中，图1数据存储和检索器件的局部剖面图；

图9是消隐/放置操作过程中，图1数据存储和检索器件的局部剖面图；

图10是最佳电子发射器件的侧面切开图；

图11是图10所示器件的底部切开图；

图12是图10所示器件的底部图；以及

图13示出了本发明的一个变通实施例。

现详细参照本发明的最佳实施例，其一个例子示于附图中。

图1示出了本发明数据存储和检索器件的一个示例性实施例。此数据存储和检索器件包括一个控制单元1、一个带有尖端2b的自旋极化电子源40、一个抽取器4、准直器6、7和9、静电透镜10、11和12、以及绝缘元件5和8。此数据存储和检索器件还包括一个消隐元件13、粗和精微偏转器14和15、一个电子探测器16、一个数据存储层17以及一个衬底18。

控制单元1包括一个微处理器或本技术领域熟知的其它控制电路。如下面将要更详细地描述的那样，控制单元1对数据存储和检索器件所执行的各种功能和操作进行协调并使之程序化。控制单元1还用来使数据存储检索器件通过地址输入、数据输入和数据输出端与诸如计算机甚至另一个数据存储和检索器件实行连接。借助于这一连接，来自外部器件的控制信号和数据可被传送到控制单元1，并用必要的规程被控制单元1译码。采用必要的规程，控制单元1可产生控制响应和数据，并将此数据返回到外部器件。预期控制单元1可通过例如电或光连接而与外部器件连接。例如，进出于控制单元1的光传输可用电激励激光二极管来实现。

包括尖端2b的自旋极化电子源40提供自旋极化电子3。具体地说，自旋极化电子3由自旋极化电子源40产生并集中在尖端2b。如在下面应用中更详细地描述的那样，尖端2b是一个用来发射低能电子的调制过的自极化锐尖。

每个自旋极化电子3都有一个电子磁场，其极化方向决定于电子自旋。此电子磁场的极化方向对应于第一和第二数据值中的一个。例如，向上极化的电子磁场可对应于数据值“1”，而向下极化的电子磁场可对应于数据值“0”，反之亦然。

电位V₁由控制单元1加至自旋极化电子源40。可用控制单元1来改变电位V₁的强度以控制自旋极化电子3的强度和电流。信号S₁₉也由控制单元1加至自旋极化电子源40。信号S₁₉控制着自旋极化电子3的磁场极化方向。控制单元1最好在器件工作过程中能改变电位V₁和信号S₁₉，以便补偿器件及其环境随时间而发生的物理变化。

抽取器4、准直器6、7和9、静电透镜10-12、消隐元件13以及粗和精微偏转器14和15，各组成例如一个导电的环形，从而确定一个光圈。抽取器4从尖端2b抽出自旋极化电子3，而准直器6、7和9使自旋极化电子3准直成一个自旋极化电子束19。静电透镜10-12使自旋极化电子束19聚焦，而粗和精微偏转器14和15分别将自旋极化电子束19引向数据存储层17。

自旋极化电子束19所行经的环境最好是诸如真空这样的不导电和非电离的环境。但预计，自旋极化电子束19所行经的环境也可以是本技术领域所知的不妨碍反而增进自旋极化电子束19从电子源2到数据存储介质17的通行的任何一种其它的环境。

如图1所示，尖端2b定位成垂直于抽取器4的表面、处于抽取器4的中央且靠近抽取器4的表面。抽取器4和准直器6的口径最好分别约为1μm和100μm。但根据数据存储和检索器件的具体设计和所需的自旋极化电子束19的特性，也可用大一些或小一些的口径。

包含例如Si之类的绝缘元件5被置于抽取器4和准直器6之间，以便将它们的导电表面分隔开来。绝缘元件5的孔径最好稍大于抽取器4和准直器6的孔径，以便减小绝缘元件5与产生于穿过抽取器4和准直器6孔径的电子中的静电场之相互作用。

电位V₂和V₃由控制单元1分别加至抽取器4和准直器6，以便在各孔径中产生磁场。尖端2b相对于抽取器4孔径中产生的静电场的位置使自旋极化电子3从尖端2b跳出，且穿过抽取器4的孔径进入准直器6的孔径。准直器6使电子聚焦成相互平行的轨道指向数据存储层。

准直器7和9以及绝缘元件8(可分别与抽取器4、准直器6和绝缘元件5相似或完全相同)构成一个可选透镜级以协助将自旋极化电子3准直成自旋极化电子束19。准直器7和9以及绝缘元件8还可用来对自旋极化电子3进行加速或减速以获得所需的束能量。

电位V₂-V₅可由控制单元1进行调节以获得自旋极化电子3和自旋极化电子束19所需的特性。在器件工作过程中可执行电位V₂-V₅的控制，以补偿器件及其环境随时间的物理变化。

自旋极化电子束19在通过准直器9之后，再穿过静电透镜10-12。由控制单元1分别将电位V₆-V₈加至静电透镜10-12 ，以产生通过透镜孔径的静电场。这些静电场使自旋极化电子束19聚焦成所需的直径，例如1-25nm。静电透镜10-12的孔径最好约为10-100μm，但也可根据数据存储和检索器件的具体设计和所需的自旋极化电子束19的特性(例如强度、束形状等)而改变。而且，可改变静电透镜10-12的厚度、它们的相对位置以及电位V₆-V₈，以获得自旋极化电子束19的所需特性。再者，在器件工作过程中，可用控制单元1来改变电位V₆-V₈，以补偿器件及其环境随时间的物理变化。静电透镜10-12的数目可更少或更多。还可额外增加磁透镜，或用磁透镜来取代静电透镜10-12、抽取器和准直器6、7和9。

自旋极化电子束19在通过静电透镜12之后，再穿过消隐元件13。正如下面将更详细地解释那样，消隐元件13是一可选元件，它中止自旋极化电子束19的作用。消隐元件13的最佳位置如图1所示在粗调微偏转器14的上方，以使自旋极化电子束19达到稳态。

自旋极化电子束19通过消隐元件13之后，再通过粗调微偏转器14以及细调微偏转器15。粗调微偏转器14最好包含8个分别由控制单元1提供的信号S₂-S₉所控制的极。同样，细调微偏转器14最好也包含8个分别由控制单元1提供的信号S₁₀-S₁₇所控制的极。粗调和细调微偏转器14和15分别使自旋极化电子束19指向数据存储层17。当粗调微偏转器14将自旋极化电子束19的轨迹弯向数据存储层17上的一个大概的区域时，细调微偏转器15对自旋极化电子束19的轨迹作进一步调整，以便将自旋极化电子束19指向数据存储层17的一个特定区域。借助于用这种方法逐渐弯曲自旋极化电子束19，可减少引入到自旋极化电子束19中的畸变和象差。预计微调偏转器15可使自旋极化电子束19在数据存储层17上的定位精确到原子级。虽然已提到粗调和细调微偏转器14和15分别各有8个极，但可预料粗调和细调微偏转器14和15也可分别具有本技术领域所知的其它的结构。而且，粗调及细调微偏转器14和15分别与数据存储层17的相对位置可定为自旋极化电子束19的X-Y轴扫描范围的函数。

虽然在图1中未示出，但数据存储和检索器件还可包含一个图2所示的消象散器元件。此消象散器元件最好位于静电透镜12和消隐元件13之间，或者位于消隐元件13和粗调微偏转器14之间。如图2所示，消象散器元件包含例如一个导电材料，用以在由8个分别用电位V₁₂-V₁₉偏置的消象散器元件25所组成的孔径中产生静电场。预料此消象散器元件25可具有本技术领域所知的其它结构。各个电位V₁₂  V₁₉由控制单元1加至消象散器元件25的消象散器极，且在器件工作过程中被设定，以建立一个导致自旋极化电子束19的所需形状的场，并补偿数据存储和检索器件及其环境随时间的物理变化。虽然消象散器元件一般用来提供圆形截面形状的自旋极化电子束19，但消象散器元件也可用来提供不是圆形例如椭圆形截面形状的自旋极化电子束19。

电子探测器16包含金属之类的导电材料，且如图1所示构造，以便优化偏转电子或数据存储层17发射的二次电子的检测。电子探测器16最好定位成不干扰自旋极化电子束19的路径但离数据存储层17足够近以检测偏转的或发射的电子。冲击到电子探测器16的电子在电子探测器16中产生信号，被馈至控制单元1作为信号S₁₈。

数据存储层17和衬底18一起构成数掘存储介质。数据存储层17最好用例如溅射、激光烧蚀或本技术领域所知的其它技术淀积在衬底18上。衬底18包含一个应变层29、一个信号工作层30以及非磁性和不导电材料(例如玻璃或陶瓷)，用作数据存储层17、应变层29和信号工作层30的机械支持。

数据存储层17包含确定数目的磁性材料原子层，其中确定数目的原子层由于变应层29造成的应变原子间距而为数据存储层17提供了垂直于其表面即沿其易磁化轴的磁性各向异性。例如，在数据存储层17含有Fe的情况下，排列成体心四方(bct)晶格的Fe的三个原子层，当淀积在例如Ir之类的适当应变层上时，就为数据存储层提供很强的Z轴磁矩。但当大于三个原子层Fe开始偏向面心立方(fcc)晶格，使Fe原子的磁性各向异性偏移到X-Y平面。将Fe与诸如Co或Ni之类的某些掺杂剂或合金元素组合，或改变层的数目，也可得到相似的结果。

由于数据存储层17的垂直磁性各向异性，数据存储层17中各原子晶格就产生其磁化沿其易磁化轴即垂直于数据存储层17表面的数据磁场。这些数据磁场以23的形式代表性地示于图3(a)中。正如自旋极化电子3所产生的磁场，在数据存储层17中产生的每个数据磁场的极化方向对应于第一和第二数据值中的一个。例如，向上极化的数据磁场可对应于数据值“1”，而向下极化的数据磁场可对应于数据值“0”，反之亦然。用这种方法，数据存储层17的各部位就在二种状态即第一和第二磁极性方向中的一种状态中存储数据。预计数据存储层17的这此部位可小到1原子宽乘以3原子厚。

如图4(a)和4(b)所示，数据存储层17包括多个对准区22和放置区21。每个对准区22和放置区21包含一个用绝缘体28电绝缘于数据存储层17的导电材料27。对准区22和旋转区21用来执行对准、旋转和消隐操作，下面将详细加以描述。如图1所示，用控制单元1来探测放置区21的电位V₁₀和对准区22的电位V₁₁。

数据存储层17最好具有平整表面。预计数据存储介质可具有任何数目表面形状的三维弯曲表面，以便使数据存储层上的所有各点到细调孔径中心的距离大致相等，从而缩短电子渡越时间并在整个数据存储层表面上提供均匀的束聚焦深度。

图1数据存储和检索器件中，数据的存储如下完成。控制器1接收一个地址信号和一个数据输入信号。自旋极化电子源40根据数据输入信号提供极化方向对应于第一和第二数据值中的一个的自旋极化电子3。接着，抽取器4从尖端2b抽出自旋极化电子3，准直器6、7和9将自旋极化电子3准直成自旋极化电子束19，而静电透镜10-12对自旋极化电子束19进行聚焦。如图5(a)所示，自旋极化电子束19被微偏转器14和15引到产生于数据存储层17部位中的数据磁场处，数据则存储于此。控制器1利用地址信号来确定数据待要存入的部位。如图5(b)所示，根据以正确波长对数据磁场的触发，自旋极化电子束19撞击数掘存储层17的表面，引起沿易磁化轴的级联场反转效应，产生数据磁场。结果，自旋极化电子束19中电子的极化方向被赋予数据磁场。

为了获得所需的级联场反转效应，应根据数据存储层17所用的材料来选定自旋极化电子束19中电子的波长。具体地说，自旋极化电子束19的波长应大约等于数据存储层17所用材料原子外层d亚层中电子的德布罗意波长。换言之，束能量应大约等于数据存储层17所用材料原子外层d亚层中电子的动能。

如上所述，预计数据存储层17的小到1个原子宽的部位可代表一个数据值。但如图3(b)所示，几个原子宽的数据存储层17部位也可代表一个数据值。若数据存储层17中的原子照这样成团，则自旋极化电子束19应该做得足够大以适应较大的数据存储区。

可用二个技术中的一个来完成从数据存储层17中读取数据。在第一种数据读取技术中，控制器1接收一个地址信号。自旋极化电子源40提供极化方向对应于第一和第二数据值中的一个的自旋极化电子3。接着，抽取器4从尖端26抽取自旋极化电子3，准直器6、7和9使自旋极化电子3准直成自旋极化电子束19，而静电透镜10-12对自旋极化电子束19进行聚焦。然后由微偏转器14和15将自旋极化电子束19引至要从中读取数据的数据存储层17的部位。控制器1使用地址信号来确定要读取数据的部位。

如图6(a)所示，若要读出的部位的数据磁场的极化方向与自旋极化电子束19中电子的极化方向相同，则自旋极化电子束19中的电子被数据磁场吸引并被数据存储层17吸收。数据存储层17对电子的吸收导致产生信号S₂₀。

如图6(b)所示，若数据磁场的极化方向与自旋极化电子束19中电子的极化方向相反，则自旋极化电子束19中的电子被数据磁场偏转并撞击到电子探测器16上。如前所述，电子对电子探测器16的撞击导致产生信号S₁₈。

数据磁场对自旋极化电子束19中电子的吸引，被控制单元1探测作为第一数据值例如“0”，而数据磁场对自旋极化电子束19中电子的偏转被控制单元1探测作为第二数据值例如“1”。具体地说，控制单元1在相对于自旋极化电子3产生的固定时刻，因而也是相对于自旋极化电子束19与数据存储层17撞击的固定时刻，探测并整理信号S₁₈、信号S₂₀或S₁₈和S₂₀二者。若在自旋极化电子3产生之后一特定时间，控制单元1没探测到信号S₁₈和/或探测到了电压V₂₀，则控制单元1确定自旋极化电子束19中的电子已被数据磁场吸引并被数据存储层17吸收。另一方面，若在自旋极化电子3产生之后的一特定时间，控制器1探测到信号S₁₈和/或未探测到信号S₂₀，则控制单元1确定自旋极化电子束19中的电子已被数据磁场偏转并被电子探测器16探测到了。数据存储层17中的过量电子最好在例如产生信号S₂₀的电极处排出，而电子探测器16中的过量电子最好在例如产生信号S₁₈的电极处排出。

正如储存数据的情况，当用第一种技术从数据存储层17中读取数据时，应根据数据存储层17所用的材料来选定自旋极化电子束19的能量水平。但当用第一种技术来读取数据时，自旋极化电子束19的能量水平应足够低，以便不引起对产生于数据存储层17中的数据磁场的磁改变。

在第二种数据读出技术中，自旋极化电子源40提供极化方向对应于第一和第二数据值中一种数据值的自旋极化电子3。接着，抽取器4从尖端2b抽出自旋极化电子3，准直器6、7和9将自旋极化电子3准直成自旋极化电子束19，而静电透镜10-12对自旋极化电子束19进行聚焦。然后由微偏转器14和15将自旋极化电子束19导至要读取数据的数据存储层17的部位。

在这一第二种技术中，自旋极化电子束19的能量比数据存储操作时的高，并要高得足以使自旋极化电子束19渗透入数据存储层17部位中，使这部分数据存储层17产生二次电子。自旋极化电子束19的能量最好不应高到足以引起原子在数据存储层17晶格中发生热迁移。

数据存储层17产生的二次电子具有特定的能量和自旋，这是数据存储层17部分产生的数据磁场的极化方向与自旋极化电子束19中电子的极化方向之间关系的特征。这些二次电子特征被探测作为第一和第二数据值中的一种数据值。

例如，如图7(a)所示，若数据磁场的极化方向与自旋极化电子束19中电子的极化方向相同，则数据存储层17产生具有对应于第一数据值例如“1”的第一能量和第一自旋特性的二次电子24。同样，如图7(b)所示，若数据磁场的极化方向与自旋极化电子束19中电子的极化方向相反，则数据存储层17产生具有对应于第二数据数值例如“0”的第二能量和第二自旋特性的二次电子26。数据存储层17产生的二次电子被电子探测器16探测到，以产生表明二次电子特性的信号S₁₈。在接收到信号S₁₈时，控制器1判断二次电子的特性。

虽然这一第二种技术已描述成探测数据存储层17所产生二次电子的能量和自旋特性，但预料也可探测本技术领域所知的二次电子的其它特性以读取存储在数据存储层17上的数据。而且，如图7(a)和7(b)所示，虽然数据存储层17所产生的大多数二次电子被数据存储层17发射，但在数据存储层17中保留了一些二次电子以产生信号S₂₀。于是可预料，也可用控制单元1来探测并通过信号S₂₀来判断数据存储层17产生的二次电子的特性。

如图8所示，自旋极化电子束19的对准是借助于在一个或多个对准区22处探测电子束的方法来执行的。当电位V₁₁被控制单元1探测到时，地址与目标对准区匹配。若未探测到电位V₁₁，则可用控制单元1调整送到微偏转器14和15的信号S₂-S₁₇，以便补偿任何对准偏差。在器件工作过程中，最好定期进行自旋极化电子束19的对准。

如上所述，消隐元件13在控制单元1的控制下防止自旋极化电子束19撞击到数据存储层17上。消隐元件13包含例如由信号S₁控制的二个极。预料消隐元件13可具有本技术领域所知的其它结构，而且各极可被单独控制。控制单元1在规定时刻将信号S₁加于消隐元件13一规定时间长度，以便在自旋极化电子束19被微偏转器14和15移向数据存储层17的另一部位的过程中将电子束19消隐。消隐元件13还可在数据读出操作中当控制单元1检测电子是否被数据存储层17偏转成发射时，用来消隐自旋极化电子束19。消隐元件13的各个极使自旋极化电子束19散开，使束中的电子不以束的形式撞击到数据存储层17的表面上。

预料微偏转器14和15在数据读取操作过程中也可用来执行自旋极化电子束19的消隐。例如，控制单元1可向微偏转器14和15馈送信号S₂-S₁₇，以便将自旋极化电子束19引到数据存储层17上不用作数据存储的特定区域例如图9所示的放置区21上。自旋极化电子束19对放置区21的撞击被控制单元1探测为电位V₁₀。

由于制造、退化或其它原因，在数据存储层17中可能存在不完整性，它变成数据存储层17中不能用来存储数据的一些缺陷区。因而提供一个格式化操作来避免对这些缺陷区进行数据存取。例如，在格式化操作过程中，控制单元1对数据存储层17中产生的每个数据磁场在向上和向下极性之间至少循环一次并检验每一结果。例如借助于相继使用上述的数据读取和数据存储操作，可执行这一格式化。控制单元1确定数据存储层17中的某些部位(从中不能可靠地读取写入的数据)是否不能使用。格式化操作完成时，数据存储层17中不能使用部位的位置被储存在存储器中，由例如控制单元1维持，以用来决定后续数据存储操作中数据可存储在何处。

预料在数据存储和检索器件的工作过程中，格式化操作可检测并储存数据存储层17的不能使用部位的位置。例如，在数据存储层17部位的每一存储操作之后，控制单元1则可从该部位读取，以便验证该部分目前是无缺陷的。

控制单元1也可用存储器来储存数据存储层17中用来储存和保护经常读取但不常存入的数据的那些部位的位置。储存当前存储介质中的这类例子是储存在ROM中的结构数据和驱动软件。这类数据被储存在数据存储层17中指定保护在存储器中的部位中。作为防止被保护数据无意地改变的一种额外预防措施，数据存储层17的某些部位可包含一个不同的数据存储层17材料。这一不同材料在存储数据时会需要与未加保护的数据位置不同的自旋极化电子束强度。于是，就会要求对控制单元1存储器存取并对自旋极化电子束强度进行修正以改变这种被保护的数据的极性。

已用纵向自旋极化来说明这种自旋极化电子束，但也可用横向极化。横向自旋极化要求介质中的磁矩平行或反平行于电子束极化而且各存储区之间的磁耦合要不足以干扰束/介质的相互作用。

用上述方法和设备得到的一个优点是免除了所有的运动部件。但预料加入某些机械后，数据存储层也可做成相对于束而移动。这一运动可导致数据存储层旋转、一个数据层与另一数据层的交换、或本技术领域已知的其它过程。电子束形成设备也可做成运动式。

电位V₂-V₈、V₁₂-V₁₉以及信号S₂-S₉、S₁₀-S₁₇和S₁₉最好带有可调偏置分量。这些偏置分量被用来补偿位置的不对准、束的变形以及其它元件引起的对自旋极化电子束19的可修正的影响。借助于改变元件孔径内的场强，元件的偏置分量可修正此元件对自旋极化电子束19的影响。偏置调节最好在器件工作过程中用控制单元1来执行。当读和写功能不能确定或修改数据存储层17中产生的数据磁场的极性时，它们以特定的次序出现。对每一元件的偏置补偿量决定于为重新聚焦在数据存储层17上的自旋极化电子束19的强度，波长和截面所需的调整以便可修改并读取已知数据磁场。

图10更详细地示出了电子发射器件40。尖端26是一个经调制过的用来发射低能纵向极化电子的自极化锐尖，电子的自旋轴平行于发射路径。衬底2a用作尖端2b的外部安装，而且是在其上制造其余尖端部件的基底元件。衬底2a包括使磁化层31与靠近伸出部33a(即导电层33的电接触)的导电层33之间形成电隔离的二氧化硅(SiO₂)。

图10所示绝缘层32位于磁化层31上并伸过靠近磁化层伸出部33a的磁化层31的边缘。绝缘层32包括SiO₂，它使磁化层31中的电流与导电层33中的电流隔离。

导电层33是一个超薄膜铁磁材料，诸如用MBE或本技术领域已知的其它方法淀积在绝缘层32上的Fe。导电层33最好是一个单磁畴。磁化层伸出部31和导电层伸出部33分别电连接于磁化层31和导电层33。

图11示出了沿图10所示线A-A得到的电子发射器件40的切开图。(图10是沿图11所示B-B线的切开图)。磁化层31是导电金属材料，诸如用分子束外延(MBE)通过光刻掩模淀积在衬底2a上的金。磁化层31包括一组平面同心环，有二个用于信号电压S₁₉的在平面外的电接触。

图12示出了磁化层伸出部31a(磁化层31的在平面外的伸出部)上用于信号S₁₉的二个电连接区。一个用于源电压V₁的电连接区位于导电层33的平面外的伸出部33a上(也见图10)。用铟焊料或本技术领域所知的其它适当材料，将电连接直接焊接到磁化层伸出部31a和导电层伸出部33a。

尖端2b是一个可外延长生在导电层33上的导电材料锐尖。尖端2b与导电层33之间的整体连接避免了导电层33与尖端2b之间的电学界面，从而减轻了跨越层33和尖端2b之间界面时的电子自旋散射以及对进入尖端2b的自旋极化电子流的自旋引入的可变阻抗。于是更多的电子跨过界面并保持其极化。

不要求尖端2b有初始磁化或其分量。信号S₁₉是极性交变于[+]或[-]的电压，信号S₁₉被连接到邻近衬底2a的磁化层伸出部31a的二个电连接区。电流I₁₉流过磁化层31的一个电连接区，经过同心环，从磁化层31的第二电连接区流出。电流I₁₉在该层平面的上方和下方建立一个磁场。这一产生的磁场垂直地伸过绝缘层32和导电层33。导电层33由于磁化层31中流过的电流I₁₉的方向而沿第一方向被磁化。在清除信号电压S₁₉之后，导电层33由于是顺磁材料而保持磁化。信号电压S₁₉是一个由控制器1控制成与工作中器件同相位的交变极性电压。当信号电压S₁₉被控制器1转换成相反极性时，导电层33沿反方向即第二方向被磁化。加于导电层33的源电流I₁被导电层33的本征磁化所极化。由于尖端的锐点在尖端2b的电场梯度最大处被来自抽取器4的电场磁度渗透，自旋极化电流被从尖端2b的锐尖抽出。

载流子可以是电子或空穴。下面的解释描述电子。Fe原子的3d亚层有5个一种自旋的电子和6个相反自旋的电子。电子自旋通过从轨道角动量分离并大约二倍于轨道角动量的本征角动量而产生磁矩。由于这一本征角动量，每一电子具有一个磁矩，调整组成原子磁矩。Fe原子3d亚层的前5个电子用磁化层31产生的外场调整其自旋和合成的磁矩并与之平行(在原子电子轨道结构的限制内)。第六自旋与前5个反平行，抵消一个电子磁矩。电流包括带有随机自旋的电子。因此，当电流流过被外磁场垂直渗透的平面薄膜时，电流被极化。结果，流过导电层33的电子被自旋极化。

倘若使自旋极化的通过导电层33的磁化轴与发射表面纵向并列，则尖端各部分可以是任何结构。作为变通，可通过将尖端各部分制造成对最佳实施例稍加修改的结构而产生横向极化电子。在这一变通实施例中。通过导电层的磁化轴与发射表面垂直并置。

通常，自旋极化电子源可以是本技术领域已知的任何一种用来提供自旋极化电子的源。例如尖端可以是扫描电子显微镜或其它相似器件的尖端。此尖端最好具有单原子直径之类的小直径。

虽然已描述了平坦的数据存储层17，但预料也可使用其它的形状和结构。例如，磁性介质可被分割成诸如瓦状、锥形、棱状、圆柱、球形、立方形或其它彼此可以或不可以电绝缘的不规则形状几何结构的阵列。倘若束中电子的磁轴与几何结构中说明的原子的磁轴平行，则几何结构可具有任一形状。

图13示出了本发明的一个变通实施例的一部分。圆柱35包括衬底34上的铁磁材料。圆柱35的易磁化轴可以是纵向的。为了极化圆柱35的磁轴，此易磁化轴取向平行于束19中纵向自旋极化电子。

作为另一变通，磁性介质可以是淀积在表面上规则阵列中的圆锥形结构。圆锥的磁轴可平行于表面平面，要求束中被横向极化的自旋极化电子对极化圆锥的磁轴进行极化。

虽然已说明的是Fe磁性介质，但由于磁性介质的磁矩是由介质中组分金属外层d亚层电子的自旋引起，故任何几个原子层的带有f或s亚层电子与外层d亚层电子的杂化范围结合能并可制成呈现bct之类应变结构的多电子金属，可用作磁性介质。可选作磁性介质的金属可来自第三周期过渡族。例如3d族可选金属可包括Co和Ni。同样，来自4d和5d系的可选金属可分别包括Mo和Ir。

在这些金属中，在外层d亚层被填满之前，电子填充下一外层的外f亚层或s亚层。对于3d系，s电子决定原子的化学性质，而d电子决定原子的磁学性质。通常，只要有可能，外d亚层中的电子总保持不成对。亚层中前五个电子具有平行的自旋，每个都增加原子的磁矩。正如借助于分析第四量子数与最低电子能态的相互作用可指出的那样，后继的电子必须是反平行的，这些反平行的电子与第一部分电子配起对来，并抵消其磁矩。

对于本技术领域熟练人员来说，显然可对本发明作出各种修改和改变而不超越本发明的构思与范围。于是意味着本发明包括其各种修改和改变，只要这些修改和改变属于所附权利要求的范围。

Claims (29)

1.用于产生和发射自旋极化电子的电子发射器件，包括：

第一导电材料；

磁耦合于第一导电材料的磁性超薄膜；

位于第一导电材料和磁性超薄膜之间的电绝缘的透磁介质；

电耦合于磁性超薄膜的第二导电材料，形成为具有受到电场冲击时发射电子的结构；以及

电耦合于发射电子结构的正极，用于产生冲击发射电子结构的电场。

2.权利要求1的器件，其中电场在内部扩展到电子发射器件。

3.权利要求1的器件，其中将发射电子的结构制成锥形。

4.权利要求1的器件，其中电绝缘的透磁材料为空气。

5.权利要求1的器件，其中电绝缘的透磁材料为真空。

6.权利要求1的器件，还包括：

连接于磁性超薄膜的电流源，用于提供被自旋极化的电子流；以及

用于改变电流源所提供的电子流的装置。

7.权利要求6的器件，其中用于改变电子流的装置包括间断提供电子流的装置。

8.权利要求6的器件，其中用于改变的装置在自旋极化电子发射期间不起作用。

9.权利要求6的器件，其中用于改变的装置在自旋极化电子发射期间起作用。

10.权利要求1的器件，其中将第一导电材料制成具有增强磁性超薄膜中所产生的磁场的冲击的结构。

11.权利要求1的器件，其中第一导电材料形成为多圈。

12.权利要求1的器件，还包括：

连接于第一导电材料的电压源；以及

用于将电压源的极性改变为第一极性和第二极性之一的装置，以将磁性超薄膜中的电子极化为对应于电压源的极性的极化方向。

13.权利要求12的器件，包括用于改变电压源所提供的电压量的装置，以改变磁性超薄膜中电子的极化程度。

14.权利要求1的器件，其中的磁性超薄膜为应变膜。

15.权利要求1的器件，还包括：

连接于磁性超薄膜的电流源，用于提供被自旋极化的电子流；

用于改变电流源所提供的电子流的装置；

连接于第一导电材料的电压源；以及

用于将电压源的极性改变为第一极性和第二极性之一的装置，以将磁性超薄膜中的电子极化为对应于电压源的极性的极化方向。

16.权利要求15的器件，还包括用于改变电压源所提供的电压量的装置，以改变磁性超薄膜中电子的极化程度。

17.权利要求15的器件，其中用于改变电压源极性的装置控制第一导电材料所产生的电场的极性。

18.权利要求17的器件，其中磁场极性控制磁性超薄膜中的极化电子的极化方向。

19.权利要求16的器件，其中电压源可以是断开的。

20.权利要求16的器件，其中电压源可在自旋极化电子发射期间起作用。

21.权利要求16的器件，其中电压源不会减小发射电子的极化程度。

22.权利要求17的器件，其中用于改变电压源极性的装置包括用于间断提供电压的装置。

23.权利要求17的器件，其中磁场在内部扩展到电子发射器件。

24.权利要求12的器件，其中用于改变极性的装置包括：

用于接收极性信号的装置；以及

基于接收到的极性信号，用于控制改变极性的装置以改变磁性超薄膜的极性的装置。

25.产生和发射自旋极化电子的方法，包括以下步骤：

对第一导电材料施加电压以建立磁场极性；

基于磁场极性，在磁性超薄膜中极化电子；

对磁性超薄膜施加电流以提供在磁性超薄膜中被自旋极化的电子流；

通过对制成为发射电子结构的第二导电材料施加电场以发射极化电子。

26.权利要求25的方法，其中施加电压的步骤包括：

在第一极性和第二极性之间改变电压。

27.权利要求26的方法，还包括以下步骤：

基于施加给磁性超薄膜的电流控制极化电子流。

28.权利要求26的方法，还包括以下步骤：

通过改变电场强度控制发射电子的能级。

29.权利要求26的方法，还包括以下步骤：

切换发射电子的极性。

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