[发明专利]无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器及其存储方法

权利要求书

1.一种无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器，其特征在于，包括从上至下的反铁磁层、绝缘层和重金属层，反铁磁层和重金属层的两组写入电流在空间上相互垂直的，控制反铁磁层和重金属层的两组写入电流大小和方向，可控制反铁磁层中的Néel矢量向上或向下的状态，所述Néel矢量状态代表存储的不同信息。

2.根据权利要求1所述无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器，其特征在于，所述反铁磁层材质为稀土-过渡族金属非晶合金，其稀土元素为Tb、Gd、Ho元素中的一种，过渡族金属为具有垂直各向异性的反铁磁材料。

3.根据权利要求1所述无需外场辅助的垂直磁化反铁磁的磁存储器，其特征在于，所述重金属层为自旋霍尔角大的重金属元素层，其元素为Ta、W、Pt、Au、Ir非磁性重金属中的一种，或所述非磁性重金属与其它过渡族金属形成的非磁性合金。

4.根据权利要求1、2或3所述无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器，其特征在于，所述反铁磁层、绝缘层和重金属层的厚度均为nm级。

5.根据权利要求4所述无需外场辅助的垂直磁化反铁磁的磁存储器，其特征在于，所述反铁磁层厚度在3nm以下。

6.一种无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器的存储方法，其特征在于，垂直磁化反铁磁磁存储器的反铁磁层中通入电流时，产生交错类场转矩；磁存储器的重金属层流通电流时，所有的电子都向与电流相反的方向运动，电子的自旋方向会因自旋霍尔效应而依赖于电子运动的方向，以产生类阻尼自旋轨道转矩作用到所述反铁磁层磁性物质的磁矩上；在反铁磁层两种转矩耦合实现反铁磁磁矩翻转，当反铁磁层中的Néel矢量向上，即为正值时，绝缘层中存储单元的状态值定义为1；当Néel矢量向下，即为负值时，存储单元的状态值定义为0。

7.根据权利要求6所述无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器的存储方法，其特征在于，所述垂直磁化反铁磁的磁存储器中心为三维结构的中心，上下层厚度为z方向，向重金属层为正，重金属层写入电流方向为x方向，反铁磁层写入电流方向为y方向；具体包括如下步骤：

A:在需要改写反磁铁信息存储点中的磁化状态时，在重金属层和反铁磁层同时通入直流电流，电流大小在1×10⁷～1×10⁹A/cm²；

B：使重金属层上所通入的直流电流所产生的自旋流从重金属层中进入反铁磁层中，与反铁磁层上所通入的直流电流在反铁磁层中所产生的自旋流共同作用，促使反铁磁层中磁矩翻转；

C：持续通入直流电流，在使用重金属层的自旋霍尔角为正值时，当I₁的方向为+x且I₂的方向为+y时，反铁磁层中的Néel矢量的稳定状态倾向于+z方向；当I₁的方向为+x且I₂的方向为-y时，反铁磁层中的Néel矢量的稳定状态倾向于-z方向；当I₁的方向为-x且I₂的方向为+y时，反铁磁层中的Néel矢量的稳定状态倾向于-z方向；当I₁的方向为-x且I₂的方向为-y时，反铁磁层中的Néel矢量的稳定状态倾向于+z方向；

在使用重金属的自旋霍尔角为负值时，当I₁的方向为+x且I₂的方向为+y时，反铁磁层中的Néel矢量的稳定状态倾向于-z方向；当I₁的方向为+x且I₂的方向为-y时，反铁磁层中的Néel矢量的稳定状态倾向于+z方向；当I₁的方向为-x且I₂的方向为+y时，反铁磁层中的Néel矢量的稳定状态倾向于+z方向；当I₁的方向为-x且I₂的方向为-y时，反铁磁层1中的Néel矢量的稳定状态倾向于-z方向；

反铁磁层中的Néel矢量向上或向下变化，当Néel矢量向上，即为正值时，存储单元的状态值定义为1；当Néel矢量向下，即为负值时，存储单元的状态值定义为0。

8.根据权利要求7所述无需外场辅助的垂直磁化反铁磁磁存储器的存储方法，其特征在于，所述I₁与I₂的大小满足竞争关系：在通入的电流超过翻转的临界电流后，通入重金属层的I₁产生的类阻尼转矩与通入反铁磁层的I₂产生的交错类场转矩需要在反铁磁磁矩实现翻转之后，能够达到平衡，互相抵消，实现稳定的翻转。