[发明专利]一种基于自旋涡度耦合的自旋电子学器件

说明书

本发明公开了一种高效的Si/SiO2/Ni₈₁Fe₁₉/Cu‑CuO_x/TaN自旋电子学器件。该自旋电子学器件的结构依次包括：基片、磁性层、非磁性层、保护层；其中，所述磁性层为Ni₈₁Fe₁₉层，所述非磁性层为Cu‑CuO_x层。具体结构可为：Si/SiO₂/Ni₈₁Fe₁₉(10nm)/Cu‑CuO_x(1‑20nm)/TaN(1nm)或者Si/SiO₂/Ni₈₁Fe₁₉(10nm)/Al‑AlO_x(1‑20nm)/TaN(1nm)。本发明使用轻金属Cu、Al替代传统重金属Pt、Ta作为自旋流产生层，可以更高效的将电荷流转换为自旋流，具有高效的自旋轨道矩产生效率。器件在退火后自旋霍尔磁电阻和自旋轨道矩产生效率得到很大提高，热稳定性良好。

技术领域

本发明属于自旋电子学器件制备领域，具体涉及一种高效的自旋轨道矩产生器件及其制备方法与应用。

背景技术

数据存储和处理器件的发展是推动信息工业进步的关键。近年来，通过利用重金属和磁性薄膜界面的自旋-轨道耦合(spin-orbit coupling，SOC)效应，将电荷电流转换为自旋电流(自旋霍尔效应，SHE)，产生自旋-轨道矩(SOT)，被认为是实现磁化翻转的一种高效途径。此外，基于SOC和反对称交换作用(DMI)的手性磁结构(如手性Néel磁畴壁和斯格明子)为实现高速度、高密度磁存储开辟了新的途径。然而，目前SOC效应产生的物理现象的数值往往比较小(如常见重金属Pt的电荷流/自旋流转化效率—自旋霍尔角只有0.068)，而且不适合大批量生产器件。

传统观点认为，轻金属元素由于弱的自旋轨道耦合被认为产生的SOT几乎可以忽略不记，但是最近理论研究和部分实验证明自然且非完全氧化的轻金属Cu中可以获得与Pt相比拟的自旋轨道力矩，这是因为自然氧化的Cu薄膜中会形成由上而下氧化水平不同的CuO_x薄膜，从而使Cu层中沿着厚度方向具有不同的电导率和电子迁移率，导致了传导电子漂移速度空间分布的不均匀，形成了电流涡度。这种电流涡度的存在通过自旋涡度耦合(SVC)使得电荷流转换为自旋流。SVC在自然氧化的Cu薄膜中的应用不但大大丰富了自旋-轨道耦合相关现象的材料体系，更为获得高效的自旋操控提供了新的思路。但是通过SVC产生自旋流缺乏系统的材料和结构设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效的自旋流产生器件及其制备方法。

本发明所提供的自旋电子学器件的结构自下而上依次为：基片、磁性层、非磁性层、保护层；

所述基片可以为各种常见的氧化物基片，包括Si/SiO₂、Al₂O₃、MgO基片等；

所述铁磁层可以为Fe、Co、Ni等磁性元素的单质或者化合物，包括：Fe、Ni、Co、Ni₈₁Fe₁₉、Fe₅₀Co₅₀、Fe₁₀Co₉₀等。磁性层厚度可为6-20nm不等，使用直流磁控溅射的方法制备；

所述非磁性层为3d过渡元素的氧化物，如：Cu-CuO_x、Al-AlO_x、Cr-CrO_x、Ti-TiO_x等。非磁性层厚度4-20nm不等，使用直流磁控溅射制备，经过特殊步骤退火得到具有氧化水平梯度的非磁性层。所述自旋电子学器件的核心作用部分为具有复杂氧化结构的非磁性层。

所述保护层可以为TaN、Al₂O₃层，厚度可为1nm，防止器件进一步氧化。