基于轨道转矩效应的轨道电子学存储器件制造技术

本发明专利技术提供了一种基于轨道转矩效应的轨道电子学存储器件。通过磁控溅射方法制备轨道转矩异质结、轨道转矩磁性隧道结器件以及轨道霍尔纳米振荡器器件，利用弱自旋

【技术实现步骤摘要】
基于轨道转矩效应的轨道电子学存储器件


[0001]本专利技术涉及一种电子存储器领域，更具体地说，尤其涉及一种基于轨道转矩效应的轨道电子学存储器件。

技术介绍

[0002]自旋
‑
轨道矩电子存储逻辑器件可实现低功耗，高速度，高密度的数据存储，从而受到广泛的关注。
[0003]自旋
‑
轨道矩电子存储逻辑器件通过构建铁磁/非磁异质结，利用非磁层的自旋霍尔效应可以实现电荷流
‑
自旋流的转换，自旋流相对于电荷流具有无焦耳热耗散的巨大优势。
[0004]自旋流进入铁磁层产生自旋轨道转矩实现磁矩的翻转。但是，自旋霍尔效应依赖于强自旋
‑
轨道耦合效应，需在强自旋
‑
轨道耦合效应的重金属(Au、Pt、Ta、W、Pd)或者拓扑绝缘体材料(BiSe、BiTe)等中才能实现。但是，重金属和拓扑绝缘体等的使用带来了成本高或制备技术上的困难性。
[0005]轨道霍尔效应则不依赖于强自旋
‑
轨道耦合效应[如参考文献1：如参考文献1：Go D,Jo D,Kim C,et al.Intrinsic spin and orbital Hall effects from orbital texture:Physical Review Letters,10.1103/PhysRevLett.121.086602[P].2018.；参考文献2：Jo D,Go D,Lee H W.Gigantic intrinsic orbital Hall effects in weakly spin
‑
orbit coupled metals:Physical Review B,10.1103/PhysRevB.98.214405[P].2018.]，在轻金属及其氧化物、氮化物等弱自旋
‑
轨道耦合效应材料中便可以实现。
[0006]将弱自旋
‑
轨道耦合效应材料与铁磁材料复合构成异质结，同样可以类似于自旋霍尔效应一般，在弱自旋
‑
轨道耦合效应材料中基于轨道霍尔效应实现电荷流
‑
轨道流的转换，轨道流进而进入铁磁层实现轨道流
‑
自旋流的转换，产生轨道转矩对铁磁层磁矩翻转，实现电荷流
‑
轨道流
‑
自旋流的转换，进而实现基于轨道转矩的存储器件，这将有效解决以上所述成本高和制备技术困难的问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于轨道转矩的自旋电子存储器件，实现低成本，低功耗，高速度，高密度的数据存储。
[0008]基于轨道转矩的自旋电子存储器件，将铁磁材料与弱自旋
‑
轨道耦合效应非磁材料的复合构成铁磁/非磁异质结，弱自旋
‑
轨道耦合效应材料作为轨道霍尔效应通道产生的轨道流，进入铁磁材料产生轨道矩实现磁矩的翻转。
[0009]基于轨道转矩的自旋电子存储器件，从下至上依次设置：单晶基片、非磁层、铁磁层、保护层，通过微纳加工制备轨道转矩异质结器件；其中，非磁层的制备厚度为4
‑
100nm。
[0010]基于轨道转矩的自旋电子存储器件，从下至上依次为：单晶基片、非磁层、铁磁自由层、绝缘势垒层、铁磁钉扎层、保护层，通过微纳加工制备轨道转矩磁性隧道结器件；其
中，非磁层的制备厚度为4
‑
100nm。
[0011]进一步，非磁层采用Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu及其氧化物和氮化物的任意一种或几种。
[0012]进一步，铁磁层采用Co、Fe、Ni、NiFe、CoFeB中的任意一种或几种。
[0013]进一步，保护层采用MgO。
[0014]进一步，铁磁自由层、铁磁钉扎层采用CoFeB。
[0015]进一步，绝缘势垒层采用MgO。
[0016]进一步，在制备时利用磁控溅射方法，依次在单晶基片上设置非磁层、铁磁层、保护层；
[0017]其中，选择Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu及其氧化物和氮化物的任意一种或几种作为弱自旋
‑
轨道耦合效应材料靶材，也即作为非磁层；
[0018]选择Co、Fe、Ni、NiFe、CoFeB中的任意一种或几种作为铁磁材料靶材，也即作为铁磁层；
[0019]制备时，溅射气氛采用Ar气氛围，压强为2.5
‑
3.0mTorr；
[0020]铁磁和非磁层直流溅射功率采用30
‑
50W；
[0021]MgO射频溅射功率采用150W。
[0022]进一步，再制备时利用磁控溅射方法，依次在单晶基片上设置非磁层、铁磁自由层、绝缘势垒层、铁磁钉扎层、保护层；
[0023]制备时，溅射气氛采用Ar气氛围，压强为2.5
‑
3.0mTorr；
[0024]铁磁自由层、绝缘势垒层、铁磁钉扎层的直流溅射功率采用30
‑
50W；
[0025]保护层的频溅射功率采用150W。
[0026]本专利技术的技术方案是：
[0027]本申请的有益效果在于：
[0028]第一，基于轨道转矩效应的轨道电子学存储器件，通过弱自旋
‑
轨道耦合效应材料代替强弱自旋
‑
轨道耦合效应材料，产生轨道矩实现磁矩的翻转或进动，可实现低成本，高速度、高密度、低功耗的信息存储。
[0029]第二，样品可通过磁控溅射方法制备，具有制备方法简单、可工业化的优点，符合可持续发展理念、成本低。特别的，本申请给出了关键工艺参数：溅射气氛采用Ar气氛围，压强为2.5
‑
3.0mTorr；铁磁自由层、绝缘势垒层、铁磁钉扎层的直流溅射功率采用30
‑
50W；保护层的频溅射功率采用150W。
[0030]第三，本申请的第三个专利技术点在于：非磁层的制备厚度为4
‑
100nm。申请人目前的实验表明：非磁层的厚度为4
‑
100nm能出现轨道霍尔效应。
附图说明
[0031]下面结合附图中的实施例对本专利技术作进一步的详细说明，但并不构成对本专利技术的任何限制。
[0032]图1为轨道霍尔效应示意图。
[0033]图2为轨道转矩异质结器件结构设计图。
[0034]图3为轨道转矩异质结器件测量实物图。
[0035]图4为轨道转矩磁性隧道结器件结构设计图。
[0036]图5为道霍尔纳米振荡器器件结构设计图。
具体实施方式
[0037]除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本专利技术所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的材料，如无特殊说明，均为常规材料；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
[0038]下面结合附图详细说明本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于轨道转矩的自旋电子存储器件，其特征在于，将铁磁材料与弱自旋
‑
轨道耦合效应非磁材料复合构成铁磁/非磁异质结，弱自旋
‑
轨道耦合效应材料作为轨道霍尔效应通道产生的轨道流，进入铁磁材料产生轨道矩实现磁矩的翻转。2.基于轨道转矩的自旋电子存储器件，其特征在于，从下至上依次设置：单晶基片、非磁层、铁磁层、保护层，通过微纳加工制备轨道转矩异质结器件和轨道霍尔纳米振荡器器件；其中，非磁层的制备厚度为4
‑
100nm。3.基于轨道转矩的自旋电子存储器件，其特征在于，从下至上依次为：单晶基片、非磁层、铁磁自由层、绝缘势垒层、铁磁钉扎层、保护层，通过微纳加工制备轨道转矩磁性隧道结器件；其中，非磁层的制备厚度为4
‑
100nm。4.根据权利要求2或3所述的自旋电子存储器件，其特征在于，非磁层采用Al、Ti、V、Cr、Mn、Cu及其氧化物和氮化物的任意一种或几种。5.根据权利要求2或3所述的自旋电子存储器件，其特征在于，铁磁层采用Co、Fe、Ni、NiFe、CoFeB中的任意一种或几种。6.根据权利要求2或3所述的自旋电子存储器件，其特征在于，保护层采用MgO。7.根据权利要求3所述的自旋电子存储...

【专利技术属性】
技术研发人员：张德林，王平，杨玉鹤，冯北春，姜勇，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：