二维材料为间隔层的磁子磁电阻器件及包括其的电子设备

1.本发明总体上涉及磁子学和磁子型器件领域，更特别地，涉及一种包括二维导电材料层的磁子磁电阻器件及包括所述磁子磁电阻器件的电子设备。


背景技术：

2.自1975年在fe/ge/co多层膜中发现隧穿磁电阻(tmr)效应以及1988年在磁性多层膜中发现巨磁电阻效应(gmr)以来，自旋电子学中的物理和材料科学的研究和应用取得了很大进展，尤其是磁性隧道结中自旋相关电子的隧穿输运性质和隧穿磁电阻效应已成为凝聚态物理中的重要研究领域之一。1995年miyazaki等人和moderola等人分别在“铁磁性金属/al-o绝缘势垒/铁磁性金属”中发现了高的室温隧穿磁电阻效应，再次掀起了磁电阻效应的研究浪潮。在器件应用方面，1993年johnson提出了一种由铁磁性金属发射极、非磁性金属基极和铁磁性金属集电极组成的“铁磁性金属/非磁性金属/铁磁性金属”三明治全金属自旋晶体管结构[参见m.johnson的文章science 260(1993)320]。这种全金属晶体管的速度可与半导体si器件相比拟，但能耗低10-20倍，密度高约50倍，且耐辐射，具有记忆功能，可以应用于未来量子计算机的各种逻辑电路、处理器等；1994年，ibm研发出利用gmr效应的读头，使磁硬盘存储密度提高17倍，达到3gb/in2。目前基于tmr效应的磁读头技术已经使磁硬盘存储密度提高到2000gb/in2以上。
[0003]
传统的gmr自旋阀结构采用了“磁性层/中间层/磁性层”的三明治结构，其中磁性层由铁磁性导电材料形成，中间层一般使用诸如cu、ru之类的非磁性导电金属层。电流可以垂直或沿面内流过gmr自旋阀结构，利用两个磁性层的磁矩的平行和反平行配置来产生磁致电阻。目前已经确定的是，磁致电阻是一种界面效应，其主要是利用电子在磁性层与中间层界面处的极化和散射来产生自旋极化电流，进而利用两个磁性层的磁矩的平行和反平行组态来调控自旋极化电流的输运，从而产生磁致电阻。但是，对于目前体结构的gmr自旋阀器件而言，当电子在上下磁性层和中间导电间隔层中流动时，不仅会受到一定程度的自旋散射，而且还有相当一部分自旋极化的电流会在上下磁性层中被分流，这会显著降低gmr自旋阀结构的磁致电阻的大小，且增大背景噪声。
[0004]
可见，传统的gmr巨磁电阻器件仍有许多不足，限制了其实际应用范围。因此，需要继续探索新的自旋器件，以克服现有技术中的上述或其他不足之处。


技术实现要素：

[0005]
一示例性实施例提供一种磁子磁电阻器件，包括：第一铁磁性绝缘层；设置在所述第一铁磁性绝缘层上的二维导电材料层；以及设置在所述二维导电材料层上的第二铁磁性绝缘层。
[0006]
在一些示例中，所述二维导电材料层具有1-10个原子层的厚度，优选地具有1-5个原子层的厚度，更优选地具有1-3个原子层的厚度。
[0007]
在一些示例中，所述二维导电材料层包括铁磁性材料、反铁磁性材料或非磁性材
料。所述铁磁性材料的示例可包括co2s2、cobr2、coc2、cr2c、crbr3、crc2、crcl3、crgate3、cri3、crobr、crwge2te6、crwi6、erse、euobr、febr2、fec2、fe3gete2、fei2、mnc2、nibr2、nic2、nii2、vc2，所述反铁磁性材料的示例可包括fe2o3、coi2、coo2、nio2、cri2、crse2、fese、mnbr2、mni2、vbr2、vi2，所述非磁性材料的示例可包括agbr、as、aubr、ause、bi、bi2se3、bi2te3、bn、c、cai2、cdbr2、cdi2、cu2te、cubr、cui、cute、fes、gagete、gas、gase、gate、gei2、ges、gese、hf3te2、hfs2、hfse2、hfte2、hgi2、in2se3、inse、lai2、mgbr2、mgi2、mos2、mose2、mote2、nbs2、nbse2、nbte2、ndi2、olui、pbi2、pbo、pbte、pds2、pto2、pts2、ptse2、rese2、sb、sb2te3、site2、sno、sns2、snse2、snte、sri2、tas2、tase2、tibr2、tini、tis2、tise2、tite2、tl2o、tl2s、tlf、w2n3、ws2、wse2、wte2、ybi2、znbr2、zni2、zrbr、zri2、zrs2、zrse2、zrte2。
[0008]
在一些示例中，所述二维导电材料层包括二维拓扑材料。
[0009]
在一些示例中，所述二维导电材料层包括二维超导材料。
[0010]
在一些示例中，所述第一铁磁性绝缘层和所述第二铁磁性绝缘层中的每个包括以下材料中的一种或多种：r3fe5o
12
、mfe2o4、fe3o4、bafe
12
o
19
、srfe
12
o
19
、以及它们的掺杂化合物，其中r是y、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb或lu，m是mn、zn、cu、ni、mg或co。
[0011]
在一些示例中，所述第一铁磁性绝缘层是具有固定磁化方向的参考磁性层，所述第二铁磁性绝缘层是磁化方向随外磁场而改变的自由磁性层。
[0012]
另一示例性实施例提供一种电子设备，包括上述磁子磁电阻器件。
[0013]
在一些示例中，所述电子设备是磁敏传感器。
[0014]
本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。
附图说明
[0015]
图1是根据本发明一示例性实施例的磁子磁电阻(mmr)器件的层结构示意图。
[0016]
图2a是当铁磁性层的磁矩彼此平行时，电子在二维材料层中传输的示意图。
[0017]
图2b是当铁磁性层的磁矩彼此反平行时，电子在二维材料层中传输的示意图。
具体实施方式
[0018]
增强界面效应以提高gmr自旋阀结构性能的一种传统方法是将中间导电层做得很薄，以减少电子在块体中的传输。然而，这种方法有许多缺点。第一，电子仍在两个铁磁性导体中传输，尤其是对于垂直电流而言，对于界面效应的提高非常有限。另一方面，一般而言中间导电层的导电性能高于两侧的铁磁性层，而传统块体中间导电层的厚度减小会增大gmr自旋阀结构的电阻，导致电流减小，反而会降低磁致电阻效应。因此，难以通过降低中间层厚度来提高传统gmr自旋阀结构的性能。
[0019]
鉴于上述问题，本发明人提出一种新的结构，其能够将电流约束在中间导电层中，中间导电层可以具有非常薄的厚度且同时具有良好的导电性，形成类似于二维电子气的面内电流，该面内电流在传输时能够更大地受到上下铁磁性层界面的影响，从而能够提高磁致电阻(磁子磁电阻)效应。而且，由于避免了电流在上下铁磁性绝缘层中传输，本发明的mmr磁子阀结构还具有显著减小的噪声。
[0020]
图1是根据本发明一示例性实施例的磁子磁电阻(mmr)器件100的层结构示意图。
如图1所示，mmr器件100包括第一铁磁性绝缘层110、第二铁磁性绝缘层130、以及位于二者之间的二维导电材料层120。
[0021]
第一铁磁性绝缘层110和第二铁磁性绝缘层130每个都可以由铁磁性绝缘材料形成，其示例包括但不限于：r3fe5o
12
，其中r可以是y、la、ce、pr、nd、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb和lu；mfe2o4，其中m可以是mn、zn、cu、ni、mg和co；以及fe3o4、bafe
12
o
19
、srfe
12
o
19
等。
[0022]
在一些示例中，第一铁磁性绝缘层110可具有器件工作期间不变的固定磁化方向，如实线箭头所示；而第二铁磁性绝缘层130可具有可随外磁场而改变的自由磁化方向，如双向虚线箭头所示。第一铁磁性绝缘层110的磁化方向可通过各种方式来固定，例如通过反铁磁性钉扎、硬磁钉扎、人工反铁磁结构(saf)、自钉扎等，这些方式都是本领域已知的，因此不再对其一一详细描述。
[0023]
还应注意，虽然图1示出了面内磁化方向，但是第一铁磁性绝缘层110和第二铁磁性绝缘层130也可以具有垂直磁化方向。本领域技术人员可以理解的是，第一铁磁性绝缘层110和第二铁磁性绝缘层130的磁化方向的设置可以类似于传统gmr自旋阀结构中的两个铁磁性导电层的磁化方向的设置。
[0024]
二维导电材料层120可以由各种能够导电的二维材料形成，例如金属、半金属或者半导体，其示例将在下面详细描述。作为示例，二维导电材料层120可以包括例如二维拓扑材料或者二维超导材料。其中，二维超导材料是优选的，因为其超导特性有助于减小因电阻而产生的背景噪声，从而提高器件的磁致电阻。
[0025]
在mmr器件100中，由于上下铁磁性层110和130都是绝缘层，电流仅可以在二维导电材料层120的面内流动。但是，由于第一和第二铁磁性绝缘层110、130对界面处自旋极化电流输运的影响，器件100也能表现出mmr效应，其原理与传统的gmr器件基本相同。简言之，当第一铁磁性绝缘层110和第二铁磁性绝缘层130的磁化方向彼此相同时，与磁矩相同自旋极性的电子受到的散射较小，因此mmr器件100的电阻较低；当第一铁磁性绝缘层110和第二铁磁性绝缘层130的磁化方向彼此相反时，所有电子都受到较大的散射，因此mmr器件100的电阻较高，从而表现出磁致电阻(磁子磁电阻)效应。当与传统gmr器件的最大区别在于，在mmr器件100中，电子仅在二维导电材料层120中流动，而不会在铁磁性绝缘层110和130中流动。由于二维导电材料层120的厚度很薄，电子能够更多地与上下铁磁性层界面相互作用，从而上下铁磁性层对自旋电子输运的影响更显著，使得磁致电阻(磁子磁电阻)效应更高，同时器件噪声更小。
[0026]
可以理解，在mmr器件100中，由于第一和第二铁磁性绝缘层110、130不参与电子输运，因此对其厚度无特殊限制，仅需考虑提供合适的磁矩即可。
[0027]
图2a和图2b分别示出当上下铁磁性层平行(图2a)和反平行(图2b)时，电子在二维导电材料层120中传输的示意图。在图2a和2b中，大圆圈表示二维导电材料层120中的原子层，图中示意性示出了两个原子层，但是二维导电材料层120可具有更多(例如三层或更多层)或更少(例如一层)的原子层。小圆圈表示电子，小圆圈中的向上或向下箭头表示电子的自旋方法，小圆圈右侧的箭头表示电子的传输方向，矩形上下两侧的长箭头分别表示上下铁磁性绝缘层的磁化方向。
[0028]
如图2a所示，当上下铁磁性层的磁矩彼此平行时，特定自旋方向(图中示例为向上)的电子受到的散射较小，因此能够容易地沿着界面方向传输，此时mmr器件100的电阻较
小，例如为r1。
[0029]
如图2b所示，当上下铁磁性层的磁矩彼此反平行时，在上界面处，自旋向下的电子受到较小散射，能够容易地沿期望方向传输，而自旋向上的电子受到较大散射，难以沿期望方向传输。另一方面，在下界面处，自旋向上的电子受到较小散射，能够容易地沿期望方向传输，而自旋向下的电子受到较大散射，难以沿期望方向传输。总体上看，mmr器件100的电阻增大，例如为r2。
[0030]
因此，通过调节自由磁性层的磁矩平行或反平行于参考磁性层，可以控制mmr器件100的电阻，从而产生磁子磁电阻mmr＝(r
2-r1)/r
2 x100％。
[0031]
如前所述，二维导电材料层120可以与传统的中间层一样，是非磁性材料。非磁性二维导电材料的示例包括如下材料：agbr、as、aubr、ause、bi、bi2se3、bi2te3、bn、c、cai2、cdbr2、cdi2、cu2te、cubr、cui、cute、fes、gagete、gas、gase、gate、gei2、ges、gese、hf3te2、hfs2、hfse2、hfte2、hgi2、in2se3、inse、lai2、mgbr2、mgi2、mos2、mose2、mote2、nbs2、nbse2、nbte2、ndi2、olui、pbi2、pbo、pbte、pds2、pto2、pts2、ptse2、rese2、sb、sb2te3、site2、sno、sns2、snse2、snte、sri2、tas2、tase2、tibr2、tini、tis2、tise2、tite2、tl2o、tl2s、tlf、w2n3、ws2、wse2、wte2、ybi2、znbr2、zni2、zrbr、zri2、zrs2、zrse2、zrte2。其中，例如石墨烯(c)，二硫化钼(mos2)等具有优异的导电性和较高迁移率，是用于二维导电材料层120的优选材料。非磁性的二维导电材料层120的厚度可以为例如1-10个原子层厚度，优选地1-5个原子层厚度，更优选地1-3个原子层厚度。
[0032]
另一方面，与传统的非磁性中间层不同的是，二维导电材料层120也可以是铁磁性材料或反铁磁性材料。当二维导电材料层120是铁磁性材料或反铁磁性材料时，其厚度可以为例如2-10个原子层厚度，优选地2-5个原子层厚度。此时，铁磁性或反铁磁性二维导电材料层120的与上方自由铁磁性层邻接的一个或多个原子层的磁矩可以随着自由铁磁性层的磁矩的方向而变化，而与下方参考铁磁性层邻接的一个或多个原子层的磁矩可以与下方参考铁磁性层的磁矩方向保持一致。这样，电子流在平行或反平行磁化的二维导电材料层120内传输，可以进一步提高磁致电阻(磁子磁电阻)效应。
[0033]
可用于二维导电材料层120的铁磁性二维材料的示例包括co2s2、cobr2、coc2、cocl2、cr2c、cr2no2、crbr3、crc2、crgate3、cri3、crobr、crwge2te6、crwi6、erse、euobr、febr2、fec2、fe3gete2、fei2、mnc2、nibr2、nic2、nii2、ticl3、vc2，可用于二维导电材料层120的反铁磁性材料的示例包括fe2o3、coi2、coo2、nio2、cri2、crse2、fese、mnbr2、mni2、vbr2、vi2。
[0034]
可以用各种方法制备图1所示的磁子磁电阻(mmr)器件100。例如，可以将生长的二维导电材料层120转移到第一铁磁性绝缘层110上，再将第二铁磁性绝缘层130叠压到二维导电材料层120，或者可以在第一设备例如磁控溅射设备中沉积第一铁磁性绝缘层110之后，将其转移到第二设备例如化学气相沉积设备(cvd)中以生长二维导电材料层120，然后再将其转移到第一设备中继续沉积第二铁磁性绝缘层130。当然，除了作为示例说明的磁控溅射设备和化学气相沉积设备之外，还可以用目前常用的其他设备例如激光脉冲沉积(pld)或者分子束外延(mbe)等或者未来开发的设备来沉积或生长mmr器件100的各个层。
[0035]
应理解，本发明的mmr器件100可以如传统gmr器件一样应用于各种电子设备中。例如，mmr器件100可以作为磁敏传感器应用于磁存储设备的读头中或者用于诸如电子罗盘之类的定位或导航设备中，这些电子设备的结构是相关领域已知的，这里省略对其的详细描
述。mmr器件100还可以用于磁子流(自旋波)传输的开关和调制器等其他电子设备中，这里不再一一例举。
[0036]
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。