[发明专利]一种层间交换耦合作用可控的磁性多层膜结构及控制方法

说明书

本发明涉及一种层间交换耦合作用可控的磁性多层膜结构，包括衬底和设置在衬底上的多层膜，多层膜包括铁磁层和设置在铁磁层之间的绝缘层，结构包括FM1/MgO/FM2，其中FM1与FM2为铁磁性薄膜。本发明还公开了一种基于该多层膜结构的控制方法。本发明的结构简单易得，且可以通过改变铁磁层的厚度或使用电场来改变FM1/MgO/FM2磁性多层膜的层间交换耦合作用，可在室温下实现，无需其他辅助条件，实用性强。

技术领域

本发明涉及自旋电子技术领域，尤其涉及一种层间交换耦合作用可控的磁性多层膜结构及控制方法。

背景技术

铁磁性多层膜之间的层间交换耦合作用是20世纪80年代发现的磁性多层膜结构的磁学特性。当使用不同的材料作为磁性多层膜FM1/NM/FM2或者[FM/NM]n的中间层NM时，铁磁性薄膜之间会有着不同的层间交换耦合作用，并且可以通过改变NM层的厚度来改变其层间交换耦合特性。

层间交换耦合作用在自旋电子学中有着非常重要的应用，例如GMR与TMR。而TMR因其可以在室温下获得非常巨大的电阻比，以及可以使用磁场或者自旋极化电流直接控制其高低阻态，或者使用电场来辅助控制其高低阻态，而在MRAM中具有非常重要的地位。如果可以只使用电场就可以控制TMR的高低阻态，无疑在降低TMR的能耗、提高TMR的稳定性等方面有着非常巨大的应用前景。而使用电场来控制磁性多层膜之间的层间交换耦合作用，有望实现只使用电场即可控制TMR的高低阻态。

目前采用的使用电场控制层间交换耦合作用的结构与方法，一种是使用电场来控制氧化物绝缘体GdOx中的氧空位的移动来控制层间交换耦合，并且在施加电场时需要进行热退火处理；另一种是对磁性薄膜覆盖一层离子溶液，通过对离子溶液以及与之接触的磁性薄膜施加电场来控制层间交换耦合，且需要使用氮气气氛来保护材料。这些方法要么无法在室温下进行，要么需要其他比较苛刻的辅助条件，实用性不大。

发明内容

为解决现有的技术问题，本发明提供了一种层间交换耦合作用可控的磁性多层膜结构及控制方法。

本发明的具体内容如下：一种层间交换耦合作用可控的磁性多层膜结构，包括衬底和设置在衬底上的多层膜，多层膜包括铁磁层和设置在铁磁层之间的绝缘层，结构包括FM1/MgO/FM2，其中FM1与FM2为铁磁性薄膜。

进一步的，FM1与FM2的材料相同或者不同，FM1与FM2材料为CoFeB或Co。

本发明还公开了一种层间交换耦合作用可控的磁性多层膜控制方法，采用上述磁性多层膜结构，通过改变铁磁性薄膜的厚度或者对磁性多层膜施加正向电场或反向电场改变磁性多层膜的层间交换耦合作用。

进一步的，通过保持底层铁磁性薄膜和MgO薄膜的厚度不变，改变顶层铁磁性薄膜的厚度，或者保持顶层铁磁性薄膜和MgO薄膜的厚度不变，改变底层铁磁性薄膜的厚度来控制磁性多层膜的层间交换耦合作用，使铁磁性薄膜之间的层间交换耦合作用转变为反铁磁耦合或铁磁性耦合。

进一步的，在CoFeB/MgO/CoFeB(t)结构中，逐渐增加顶层CoFeB薄膜的厚度t，使其层间交换耦合作用从反铁磁耦合转变为铁磁性耦合，再由铁磁性耦合转变为反铁磁耦合。

进一步的，通过对磁性多层膜施加正向电场，增强铁磁性薄膜的反铁磁耦合强度；再通过施加一个反向电场，减弱其反铁磁耦合的强度。

本发明的结构简单易得，且可以通过改变铁磁层的厚度或使用电场来改变FM1/MgO/FM2磁性多层膜的层间交换耦合作用，可在室温下实现，无需其他辅助条件，实用性强。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步阐明。

图1为本发明的磁性多层膜结构示意图；

图2为改变顶层CoFeB厚度时对层间交换耦合的影响示意图；