[发明专利]基于磁子阀和磁子结的磁子磁电阻和自旋霍尔磁电阻器件

说明书

本发明涉及基于磁子阀和磁子结的磁子磁电阻器件和自旋霍尔磁电阻器件。根据一实施例，一种磁子磁电阻器件可包括：第一磁子传导层；设置在所述第一磁子传导层上的第二磁子传导层；以及设置在所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层之间的中间层，其中，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层由磁性绝缘材料形成，所述中间层由非磁金属或反铁磁绝缘体或反铁磁金属材料形成。

技术领域

本发明总体上涉及磁器件领域，更特别地，涉及一种基于磁子阀和磁子结的磁子磁电阻器件和包括磁子磁电阻器件的自旋霍尔磁电阻器件。

背景技术

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Moodera等人分别在“铁磁金属/Al-O绝缘势垒/铁磁金属”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研发出利用巨磁电阻效应的读头，使硬盘存储密度提高17倍，达到3Gb/in²。

传统的GMR和TMR器件都是通过载流子——电子的自旋来影响器件的输运性质，虽然它们在传统自旋电子学领域，例如计算机硬盘磁头和磁随机存储器等领域取得了巨大的成功，但是这些器件还有进一步革新和发展的空间。它们最大的缺陷是器件工作伴随着自旋载体——电子的运动，因而会产生焦耳热，这是现有微电子器件的最大功耗来源。

发明内容

为了从根本上解决这一问题，还可以考虑利用其它自旋信息的载体，例如自旋波或其量子化单元——磁激子(也称为磁振子，简称磁子)来传递角动量信息，这可为开发低功耗并兼有粒子和波动双重特性的计算机技术带来革命性变化。

一示例性实施例提供一种磁子磁电阻(Magnon Magnetoresistance，MMR)器件，包括：第一磁子传导层；设置在所述第一磁子传导层上的第二磁子传导层；以及设置在所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层之间的中间层，其中，所述第一磁子传导层和所述第二磁子传导层由磁性绝缘材料形成，所述中间层由非磁金属或反铁磁绝缘体材料或反铁磁金属材料形成。

在一些示例中，所述磁性绝缘材料包括以下材料中的一种或多种：R₃Fe₅O₁₂、MFe₂O₄、Fe₃O₄、BaFe₁₂O₁₉、SrFe₁₂O₁₉、以及它们的掺杂化合物，其中R是Y、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu，M是Mn、Zn、Cu、Ni、Mg或Co。

在一些示例中，所述非磁金属包括以下材料中的一种或多种：V、Cr、Cu、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt、Au。

在一些示例中，所述反铁磁绝缘体材料包括以下材料中的一种或多种：NiO、Fe₂O₃、Cr₂O₃、MnO、FeO、CoO、MnF₂。

在一些示例中，所述反铁磁金属材料包括以下材料中的一种或多种：IrMn、PtMn、AuMn、PdMn、FeMn、NiMn、CuMnAs。