自旋劈裂-铁磁性耦合材料及其应用

1.本发明属于自旋电子学领域，涉及一种自旋劈裂-铁磁性耦合材料及其应用。


背景技术：

2.随着自旋电子学的发展，各种磁性器件被广泛应用在人们的日常生活中，如mram(magnetoresistive random access memory)，其是一种非易失性(non-volatile)的磁性随机存储器，其经历三代发展，由最初的磁场驱动型mram到自旋转移力矩型mram(stt-mram)，再到自旋轨道力矩型mram(sot-mram)。
3.sot-mram其磁矩翻转力源于sot，理论上比上一代stt-mram中的stt作用力更强，理论功耗更低。然而，sot中强自旋轨道耦合(soc)材料与相邻铁磁自由层之间的异质结构，在界面会产生额外界面散射，造成能量损耗。
4.因此，提供一种自旋劈裂-铁磁性耦合材料及其应用，实属必要。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自旋劈裂-铁磁性耦合材料及其应用，用于解决现有技术中自旋劈裂-铁磁性异质结构产生界面散射及能量损耗的问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种自旋劈裂-铁磁性耦合材料，所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料包括自旋劈裂材料及掺杂元素，所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料同时具有能带自旋劈裂及铁磁性，其中，能带自旋劈裂的特性在于所述自旋劈裂材料，铁磁性的特性在于所述掺杂元素。
7.可选地，所述自旋劈裂材料包括bitei、cos、cdte、hgte、znte、ptn2及wn2中的一种；所述掺杂元素包括重元素或提供局域不对称性电子的轻元素中的一种或者组合；所述重元素包括cr、mn、mo、w、v、fe、co、ni、pd及sc，所述轻元素包括h、li及b。
8.可选地，所述自旋劈裂材料的自旋劈裂能大于0.1ev；所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料的平均原子磁矩大于0.02μb/atom。
9.可选地，所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料为全电学驱动式自旋劈裂-铁磁性耦合材料，在无外加磁场下，通过电流调控对自旋劈裂-铁磁性耦合材料的磁矩进行翻转。
10.可选地，添加了辅助外加磁场的步骤。
11.本发明还提供一种器件结构，所述器件结构由上述自旋劈裂-铁磁性耦合材料制备。
12.本发明还提供一种磁隧道结，所述磁隧道结包括自上而下设置的磁自由层、非磁性势垒层及磁固定层，且所述磁自由层由上述自旋劈裂-铁磁性耦合材料制备。
13.本发明还提供一种mram单元，所述mram单元包括顶电极、所述磁隧道结及底电极。
14.可选地，所述顶电极与所述底电极平行设置，读电流经过所述磁隧道结，写电流经过电极。
15.本发明还提供一种磁隧道结器件，所述磁隧道结器件包括所述磁隧道结。
16.本发明还提供一种电子设备，所述电子设备包括所述磁隧道结。
17.如上所述，本发明的自旋劈裂-铁磁性耦合材料及其应用，通过对自旋劈裂材料进行掺杂获得包括自旋劈裂材料及掺杂元素的自旋劈裂-铁磁性耦合材料，自旋劈裂-铁磁性耦合材料同时具有能带自旋劈裂及铁磁性，其中，能带自旋劈裂的特性在于自旋劈裂材料，铁磁性的特性在于掺杂元素。本发明提供的自旋劈裂-铁磁性耦合材料可实现全电学式自旋轨道力矩驱动控制，以消除传统自旋轨道力矩下自旋劈裂材料及铁磁材料形成的异质结构，从而简化后续制备的器件结构，且可降低能量损耗。
附图说明
18.图1显示为实施例中自旋劈裂材料cdte的自旋劈裂能带结构示意图。
19.图2显示为实施例中自旋劈裂-铁磁性耦合材料w
0.17
cd
0.83
te的磁矩翻转曲线。
20.图3显示为实施例中磁隧道结的结构示意图。
21.图4显示为实施例中基于磁隧道结的读写路径示意图。
22.图5显示为自旋劈裂能定义的示意图。
23.元件标号说明
24.100
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磁自由层
25.200
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非磁性势垒层
26.300
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磁固定层
27.400
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顶电极
28.500
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底电极
29.600、700
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电流
具体实施方式
30.基于自旋电子学的发展，简化器件结构，降低能量损耗，成为迫切需要解决的问题，经发明人研究，若制备一种材料，使得该材料可同时具有强soc效应及铁磁性，则理论上就可以利用该材料本身的sot作用，翻转材料自身的磁矩。
31.本实施例提供一种全电学驱动产生自旋轨道力矩的“自旋劈裂-铁磁性”耦合(spin-splitting-ferromagnetic coupling，ssfc)材料及其应用，该材料的磁矩是由材料本身的sot作用来翻转的，且sot可以由全电学的手段产生。具体作用机理是：在空间对称性破缺的材料中，在soc效应的作用下，材料产生了自旋劈裂效应，电荷流通过材料后在界面处产生非平衡态的自旋积累，形成一个类似于磁场的类场自旋轨道力矩(field-likespinorbitaltorque，f-sot)，该力矩可以翻转材料本身的磁矩方向。从而自旋劈裂-铁磁性耦合材料可消除现有sot机制下的soc材料/铁磁材料的异质结构，从而可简化器件结构，且可降低能量损耗。
32.该自旋劈裂-铁磁性耦合材料可以用于制备磁隧道结(magnetic tunnel junctions，mtj)，且该mtj结构可通过pvd磁控溅射、紫外光刻和氩离子刻蚀等方法制备，该mtj结构还可运用在其他磁性器件和电子设备中，如磁性存储器(magnetic random access memories，mram)等。
33.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
34.如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
35.为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。本文使用的“介于
……
之间”表示包括两端点值。
36.在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
37.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，其组件布局型态也可能更为复杂。
38.本实施例提供一种自旋劈裂-铁磁性耦合材料，所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料包括自旋劈裂材料及掺杂元素，所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料同时具有能带自旋劈裂及铁磁性，其中，能带自旋劈裂的特性在于所述自旋劈裂材料，铁磁性的特性在于所述掺杂元素。
39.具体的，所述自旋劈裂材料本身是具有自旋劈裂效应的非磁材料，通过所述掺杂元素可使得所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料具有铁磁性，其中，在所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料中能带自旋劈裂的特性来源于所述自旋劈裂材料的rashba效应、dresselhaus效应、zeeman-like效应、hidden-rashba效应、hidden-dresselhaus效应或对称性引起的强自旋劈裂效应，而铁磁性则来源于对所述自旋劈裂材料的元素掺杂，从而所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料同时具有能带自旋劈裂与铁磁性相互耦合的特性，可使该材料的磁矩可被电流翻转。
40.作为示例，所述自旋劈裂材料包括bitei、cos、cdte、hgte、znte、ptn2及wn2中的一种。
41.具体的，所述自旋劈裂材料本身是具有自旋劈裂效应的非磁性材料，以提供能带自旋劈裂性能，其中，能带自旋劈裂的特性可来源于所述自旋劈裂材料的rashba效应、dresselhaus效应、zeeman-like效应、hidden-rashba效应、hidden-dresselhaus效应或对称性引起的强自旋劈裂效应。
42.作为示例，所述掺杂元素可包括重元素或提供局域不对称性电子的轻元素中的一种或者组合。
43.具体的，由于所述自旋劈裂材料本身仅具有自旋劈裂效应，而非磁性材料，因此，
当通过向所述自旋劈裂材料中掺入如重元素或提供局域不对称性电子的轻元素时，基于掺杂元素的性能，可使得带有掺杂元素的所述自旋劈裂材料铁磁性具有自旋劈裂及铁磁性，以形成磁矩可被电流翻转的所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料。
44.其中，形成所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料的方法可采用pvd磁控溅射，但并非局限于此。
45.作为示例，所述重元素可包括cr、mn、mo、w、v、fe、co、ni、pd及sc，所述轻元素为非磁性元素，可包括h、li及b。关于掺杂元素的选择，可根据具体制备进行灵活变换，此处不作过分限定。
46.作为示例，所述自旋劈裂材料的自旋劈裂能大于0.1ev；所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料的平均原子磁矩大于0.02μb/atom。
47.具体的，如图5，自旋劈裂能e0对于rashba和dreselhaus类型的自旋劈裂来说，e0为能量极值点到能量简并点之间的能量差，对于zeeman-like类型的自旋劈裂来说，e0为高对称点的两条劈裂能带之间的能量差。
48.作为示例，所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料为全电学驱动式自旋劈裂-铁磁性耦合材料，从而所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料可在无外加磁场下，通过电流调控对自旋劈裂-铁磁性耦合材料的磁矩进行翻转，但并不局限于此，进一步的，所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料亦可辅助添加外加磁场，以通过施加外加磁场来进一步的提高磁矩翻转效率，从而优化器件的性能。
49.具体的，在空间对称性破缺的材料中，在soc效应的作用下，材料产生了自旋劈裂效应，电荷流通过材料后在界面处产生非平衡态的自旋积累，形成一个类似于磁场的f-sot，该力矩可以翻转材料本身的磁矩方向，从而所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料为通过纯电学驱动的自旋轨道力矩翻转材料的磁矩，可消除传统自旋轨道力矩下自旋劈裂材料及铁磁材料形成的异质结构，简化器件结构，且可降低能量损耗。
50.本实施例还提供一种器件结构，所述器件结构可由所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料制备，如可采用所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料制备自旋晶体管等，关于所述器件结构的种类并非局限于此。
51.如图3，本实施例还提供一种磁隧道结，所述磁隧道结包括自上而下设置的磁自由层100、非磁性势垒层200及磁固定层300，且所述磁自由层100由上述自旋劈裂-铁磁性耦合材料制备。
52.具体的，所述非磁性势垒层200可以为氧化物层、有机材料层或半导体材料层，且所述非磁性势垒层200中可包括掺杂元素选自但不仅限于al、mg、ti、zn、si、c、h、o、ga、as、in、mn及p中的一种或多种的组合，关于所述磁固定层300的材质此处不作限定。
53.其中，所述磁隧道结可通过pvd磁控溅射、紫外光刻和氩离子刻蚀等方法制备，此处不作详述。
54.进一步的，本实施例还提供一种mram单元，所述mram单元包括顶电极、所述磁隧道结及底电极。
55.作为示例，所述顶电极与所述底电极平行设置，读电流经过所述磁隧道结，写电流经过电极。
56.进一步的，本实施例还提供一种磁隧道结器件，所述磁隧道结器件包括所述磁隧
道结，所述磁隧道结器件可包括如磁读头等，关于所述磁隧道结器件的种类并非局限于此。
57.进一步的，本实施例还提供一种电子设备，所述电子设备包括所述磁隧道结，所述电子设备可包括如磁性传感器等，关于所述磁电子设备的种类并非局限于此。
58.以下通过具体的实施例，对本技术中有关所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料进行介绍。
59.在该实施例中，所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料采用cdte材料作为所述自旋劈裂材料，采用w元素作为所述掺杂元素，以制备单层材料为巨自旋劈裂磁性材料的w
0.17
cd
0.83
te，该材料具有较大的自旋劈裂能，自旋劈裂能大于0.1ev，如图1示意了所述自旋劈裂材料cdte的自旋劈裂能带结构图。
60.图2示意了所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料w
0.17
cd
0.83
te的磁矩翻转曲线。其中，m＝m/ms，m为材料的磁矩，ms为饱和磁矩，m为归一化的无单位制磁矩。
61.进一步的，如图3，该实施例还提供一种使用所述所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料制造的mtj的结构图，该磁隧道结包括位于顶层的磁自由层100、位于中间层的非磁性势垒层200及位于底层的磁固定层300的三明治结构，所述磁自由层100由所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料制造。其中，通过外加电场翻转所述磁自由层100的磁矩方向与所述磁固定层300之间磁矩的平行与反平行，可以形成所述磁隧道结的低阻态与高阻态，从而达到信息存储的目的。
62.在该实施例中，所述磁自由层100是具有dresselhaus自旋劈裂效应和铁磁性的自旋劈裂-铁磁性耦合材料。
63.进一步的，如图4，该实施例还提供一种使用所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料制作的mram单元，包括顶电极400、磁自由层100、非磁性势垒层200、磁固定层300和底电极500，所述顶电极400与所述底电极500的方向平行，读写路径不同，读电流穿过所述磁隧道结，写电流穿过电极。
64.其中，在图4中展示了一种横向和纵向电流共同作用下，基于所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料的所述磁隧道结结构读写数据的过程。所述顶电极400与所述磁自由层100直接接触，当存储器写入信息时，电流700流经所述电极400，所述磁自由层100在其界面产生非平衡的自旋积累，翻转材料本身的磁矩与所述磁固定层300的磁矩平行或反平行，得到所述磁隧道结的低阻态或高阻态，从而将数据写入存储单元。当读取信息时，可通入正向或逆向电流600流经所述自旋劈裂-铁磁性耦合材料，其流过所述磁自由层100时，翻转该层磁矩与所述磁固定层300的磁矩平行或反平行，得到所述磁隧道结的低阻态或高阻态。
65.综上所述，本发明的自旋劈裂-铁磁性耦合材料及其应用，通过对自旋劈裂材料进行掺杂获得包括自旋劈裂材料及掺杂元素的自旋劈裂-铁磁性耦合材料，自旋劈裂-铁磁性耦合材料同时具有能带自旋劈裂及铁磁性，其中，能带自旋劈裂的特性在于自旋劈裂材料，铁磁性的特性在于掺杂元素。本发明提供的自旋劈裂-铁磁性耦合材料可实现全电学式自旋轨道力矩驱动控制，以消除传统自旋轨道力矩下自旋劈裂材料及铁磁材料形成的异质结构，从而简化后续制备的器件结构，且可降低能量损耗。
66.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完
成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。