[发明专利]利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用

说明书

本发明涉及一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用，该单层铁磁材料为厚度在1～100nm的薄膜，具有强自旋轨道耦合作用，通入电流后产生自旋力矩，并利用自旋力矩翻转该单层铁磁材料的自身磁矩。本发明在单层铁磁中利用电流产生自旋力矩，并利用此自旋力矩翻转该单层铁磁自身的磁矩，可应用于磁性随机存储器与自旋逻辑器件，基于本发明技术的器件可以具有不受限制的厚度从而具有更高的热稳定性，即非易失性，在应用上将简化器件的架构和制备工艺，具有巨大的成本优势。

技术领域

本发明涉及单层铁磁材料，具体涉及一种利用电流驱动单层铁磁材料磁矩翻转的技术及其应用。

背景技术

磁随机存储器以磁性材料的磁矩方向作为信息载体，具有非易失性，读写速度快，存储密度高等优点。自旋逻辑器件基于新兴的自旋电子学，利用自旋进行逻辑运算，具有超低功耗的优点。磁随机存储器和自旋逻辑器件，均需要使用电流操控磁性材料的磁矩或者磁化状态，目前有两种主流技术可以实现这种操控，即自旋转移矩(Spin transfertorque,STT)技术和自旋轨道矩(spin orbit torque,SOT)技术。自旋转移矩技术早于自旋轨道矩技术出现。采用自旋转移矩技术的器件需要两种不同的磁性层，一般的结构为磁性层1/中间层(通常为氧化层如MgO)/磁性层2，其中一种磁性层的磁矩方向固定不变，作为参考层，另一种磁性层的磁矩方向可在向上和向下两种状态中切换，作为存储层，又称自由层。电流流经参考层成为自旋极化电流，这种自旋极化电流流入存储层，对存储层施加力矩作用，从而实现翻转存储层磁矩的功能。由于自旋转移矩效应的强弱很大程度上依赖于磁性材料的极化率，这种器件通常需要很大的电流密度才能完成翻转磁矩的操作。而且，高密度电流容易击穿中间层，造成器件损坏。自旋轨道矩效应是2010前后发现的一种新效应，它与自旋转移矩效应有着物理机制上的本质区别。基于自旋轨道矩技术的器件一般只需要一种铁磁层，其结构通常为非磁性金属层/铁磁层双层膜。电流流经非磁性金属层，通过自旋霍尔效应(Spin Hall effect,SHE)或者拉什巴效应(Rashba effect)产生自旋流或者界面自旋累积，从而对铁磁层施加力矩作用，实现翻转铁磁层磁矩的功能。自旋轨道矩效应的大小主要取决于重金属层的自旋轨道耦合(Spin orbit coupling,SOC)强度，通过选取合适的强自旋轨道耦合材料，能使得这种器件以较小的电流密度实现翻转磁矩的操作。然而，当前的这种双层膜中产生的自旋轨道矩强烈地依赖于非磁性金属层/铁磁层界面的性质，因而要求铁磁层厚度非常的薄(2纳米)，这不利于器件的热稳定性。另一方面，使用双层膜也将增加器件制备工艺的复杂程度。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题而提供一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料及其应用。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种利用电流驱动磁矩翻转的单层铁磁材料，该单层铁磁材料为厚度在 1～100nm的薄膜，其具有铁磁性和强自旋轨道耦合作用，通入电流后产生自旋力矩，并利用自旋力矩翻转该单层铁磁材料的自身磁矩，在单层铁磁材料中可实现利用电流产生作用于该单层铁磁材料磁矩的自旋力矩，并且此自旋力矩可以翻转单层铁磁材料的磁矩。

所述单层铁磁材料为Fe与金属元素X的合金薄膜，所述金属元素X选自Pt， Pd，Ta，W，Bi或Gd的一种，所述Fe也可用Co、Ni或它们的合金替换。

优选地，所述单层铁磁材料为FePt、FePd、CoPt、CoPd、MnBi、GdFeCo或 CoGd的合金薄膜

进一步优选为FePt，所述FePt合金薄膜中Pt原子所占FePt总原子数的33-59％，呈现L1₀有序晶体结构。