CN104347226B - 一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，包括依次设置的衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、自由层、覆盖层，其中，所述自由层为磁性斯格明子层或者其钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层，并将此基于磁性斯格明子层的磁性多层膜为基础制作隧穿磁电阻磁性隧道结、巨磁电阻纳米多层膜和巨磁电阻纳米柱。能够在较低临界电流密度下实现自由层磁矩的翻转，并实现磁性多层膜体系在高电阻态和低电阻态之间的转变；磁性多层膜的自由层和钉扎层均为磁性斯格明子层，能够在较低临界电流密度下实现自由层磁矩的翻转，从而操控磁性多层膜体系在高电阻态和低电阻态间变化，从而实现“0”和“1”的数据存储及相关的磁性传感器功能。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子学材料与原理型器件领域，具体地说，涉及一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜。
背景技术
一般的隧穿磁电阻磁性隧道结、巨磁电阻纳米多层膜和巨磁电阻纳米柱的核心结构包括两层铁磁性薄膜、及其中间一层隔离层（通常称为三明治结构）。当两层铁磁性薄膜的磁矩处于平行排列的状态，体系表现出较低的电阻值（低电阻态）；当两层铁磁性薄膜的磁矩处于反平行排列的状态，体系表现出较高的电阻值（高电阻态）。高/低电阻值决定了隧穿磁电阻效应（中间隔离层为绝缘薄膜，如Al2O3、MgO、MgAlO等）和巨磁电阻效应（中间隔离层为导电薄膜，如Cu、Cr等）比值的大小。对于一般的磁性隧道结、巨磁电阻多层膜和巨磁电阻纳米柱，只有当通过它的电流密度达到106～107A/cm2量级时，自由层的磁矩才会发生翻转。
上述磁性隧道结、巨磁电阻多层膜和巨磁电阻纳米柱，其若实现自由层的磁矩翻转需要较大的电流密度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，能够在较低的电流密度下，实现自由层磁矩的翻转。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，包括依次设置的衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、自由层、覆盖层，其中，所述自由层为磁性斯格明子层。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述钉扎层为铁磁层，或者为由反铁磁层和铁磁层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部铁磁层、夹层和顶部铁磁层组成的多层膜结构。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层具有面内各向异性或垂直各向异性。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述磁性斯格明子钉扎层为磁性斯格明子层，或者为由反铁磁层和磁性斯格明子层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部磁性斯格明子层、夹层和顶部磁性斯格明子层组成的多层膜结构。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述磁性斯格明子层为具有面内涡旋磁矩结构的合金材料、多铁材料或者反铁磁材料；所述磁性斯格明子层的厚度为2-30nm。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，具有面内各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中的底部铁磁层和顶部铁磁层的厚度为2-20nm，其构成材料为自旋极化率大于50%的铁磁金属，或者所述铁磁性金属的合金，或者稀磁半导体材料，或者半金属材料。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，具有垂直各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层为：厚度为1-1.5nm的自旋极化率比较高的铁磁合金；或者[Co/(Pd,Pt)]n多层膜，其中Co的厚度为0.2-1nm，Pd或者Pt厚度为1-2nm，周期n为2～10；或者L10相的(Co,Fe)-Pt合金，厚度为5-30nm；或者稀土-过渡金属合金，其厚度为5-30nm。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述衬底为绝缘材料，其厚度为0.3-1mm；
所述缓冲层是能够和衬底紧密结合的非磁性单层金属层或多层复合金属薄膜；
所述夹层为非磁性金属层，其厚度为0.2-1.5nm；
所述反磁层为厚度为3～30nm的反铁磁性的合金材料，或者厚度为5～50nm且具有反铁磁性的氧化物；
所述隔离层为厚度为1-5nm的绝缘层，或者厚度为0.2-100nm的非磁性金属层；
所述覆盖层为不易被氧化且导电性良好的金属层，其厚度为10-100nm。
作为基于磁性斯格明子层的磁性多层膜的一种优选方案，所述磁性斯格明子层的翻转电流密度为102A/cm2量级。
本发明的有益效果为：本发明通过提供一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，该多层膜的自由层为磁性斯格明子层和/或其钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层，并将此基于磁性斯格明子层的磁性多层膜为基础制作隧穿磁电阻磁性隧道结、巨磁电阻纳米多层膜和巨磁电阻纳米柱。能够在较低临界电流密度（102A/cm2量级）下实现自由层磁矩的翻转，并实现磁性多层膜体系在高电阻态和低电阻态之间的转变；磁性多层膜的自由层和钉扎层均为磁性斯格明子层，能够在较低临界电流密度（102A/cm2量级）下实现自由层磁矩的翻转，从而操控磁性多层膜体系在高电阻态和低电阻态间变化，从而实现“0”和“1”的数据存储及相关的磁性传感器功能。
附图说明
图1是本发明具体实施方式一提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图2是本发明具体实施方式二提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图3是本发明具体实施方式三提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图4是本发明具体实施方式四提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图5是本发明具体实施方式五提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图6是本发明具体实施方式六提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图7是本发明具体实施方式七提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图8是本发明具体实施方式八提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
图9是本发明具体实施方式九提供的磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图；
具体实施方式
下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
实施方式一
本申请提供了一种基于磁性斯格明子层的多层膜，其可以在较低的翻转电流密度下实现磁矩翻转，并适用于制造隧穿磁电阻磁性隧道结、巨磁电阻纳米多层膜和巨磁电阻纳米柱。
上述基于磁性斯格明子层的多层膜，包括依次设置的衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、自由层、覆盖层，其中，自由层为磁性斯格明子层。
且上述钉扎层为铁磁层，或者为由反铁磁层和铁磁层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部铁磁层、夹层和顶部铁磁层组成的多层膜结构。
上述铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层均分为两类，其中第一类具有面内各向异性，第二类具有垂直各向异性。即铁磁层具有面内各向异性或垂直各向异性，双层膜中的铁磁层具有面内各向异性或垂直各向异性，多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层均具有面内各向异性或垂直各向异性。
其中，具有面内各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中的底部铁磁层和顶部铁磁层的厚度为2-20nm，其构成材料为采用自旋极化率比较高（即自旋极化率大于50%）的铁磁金属，优选Co、Fe、Ni；或者上述铁磁性金属的合金薄膜，优选CoFe、CoFeB、NiFeCr或NiFe等铁磁性合金，厚度为2～20nm；以及GaMnAs、GaMnN等稀磁半导体材料和CoMnSi、CoFeAl、CoFeSi、CoMnAl、CoFeAlSi、CoMnGe、CoMnGa、CoMnGeGa、La1-xSrxMnO3、La1- xCaxMnO3等半金属材料，厚度为2～50nm。具有垂直各向异性的铁磁层，双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层为：采用自旋极化率比较高的铁磁合金，优选CoFeB，厚度为1～1.5nm；以及[Co/(Pd,Pt)]n多层膜，Co厚度为0.2～1nm，Pd或者Pt厚度为1～2nm，周期n为2～10；以及L10相的(Co,Fe)-Pt合金，厚度为5～30nm；以及稀土-过渡金属合金，优选GdCoFe、TbCoFe，厚度为5～30nm。
构成钉扎层的反铁磁层包括具有反铁磁性的合金材料，优选PtMn、IrMn、FeMn和NiMn，厚度为3～30nm；以及具有反铁磁性的氧化物，优选CoO、NiO，厚度为5～50nm。
构成钉扎层的夹层为非磁性金属层，一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度为0.2～1.5nm。
在此实施方式中，优选的，钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层。更为具体的：磁性斯格明子钉扎层为磁性斯格明子层，或者为由反铁磁层和磁性斯格明子层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部磁性斯格明子层、夹层和顶部磁性斯格明子层组成的多层膜结构。
其中，构成自由层或钉扎层的磁性斯格明子层为具有面内涡旋磁矩结构的合金材料，优选FeCoSi、MnSi、FeGe，厚度为2～30nm；以及具有面内涡旋磁矩结构的多铁材料Cu2OSeO3，厚度为2～30nm；以及具有面内涡旋磁矩结构的反铁磁材料La2CuxLi1-xO4，厚度为2～30nm。
且上述磁性斯格明子层临界翻转电流密度为102A/cm2量级。
衬底为绝缘材料，优选Si、SiC、玻璃、MgO、SrTiO3或Si-SiO2衬底，厚度为0.3～1mm。
缓冲层是能够和衬底结合较紧密的非磁性金属层（包括单层或者多层复合金属薄膜），其材料优选Ta、Ru、Cr、Cu、Ag、Au、Pd、Pt、CuN等，厚度可为2～100nm。
隔离层为绝缘层或非磁性金属层；
其中：绝缘层为绝缘物质，一般采用AlOx、MgO、Mg1-xZnxO、AlN、Ta2O5、ZnO、HfO2、TiO2、Alq3、LB有机复合薄膜、GaAs、AlGaAs、InAs等材料制作，优选MgO、AlOx、Mg1-xZnxO、AlN和Alq3、LB有机复合薄膜，厚度一般在为1～5nm。
非磁性金属层，一般采用Cu、Cr、V、Nb、Mo、Ru、Pd、Ta、W、Pt、Ag、Au或其合金制作，厚度为0.2～100nm。
覆盖层为不易被氧化且导电性比较好的的金属层（包括单层或者多层复合金属薄膜），其材料优选Ta、Ru、Cu、Ag、Au、Al、Pt等，厚度为10～100nm，用于保护磁性多层膜结构不被氧化。
为了对上述基于磁性斯格明子层的多层膜进行进一步的解释，本实施方式还提供了上述多层膜的制备过程：
利用磁控溅射、分子束外延、热蒸发、电子束蒸发、原子层沉积和脉冲激光束沉积等薄膜制备技术生长磁性多层膜结构：该多层膜结构依次为衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层，以及衬底、缓冲层、磁性斯格明子钉扎层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。以上述的磁性多层膜结构（隔离层为绝缘层）为基础，采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子薄膜作为自由层以及磁性斯格明子薄膜作为自由层和钉扎层的磁性隧道结；通过上述的磁性多层膜结构（隔离层为金属层），可以直接用磁性斯格明子薄膜作为自由层以及磁性斯格明子薄膜为自由层和钉扎层的巨磁电阻纳米多层膜；以述的磁性多层膜结构（隔离层为金属层）为基础，采用微纳加工工艺包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层以及磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的巨磁电阻纳米柱。
下面结合具体实施例对本发明作进一步地描述。
图1为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：依次为衬底、缓冲层、铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，铁磁层具有面内各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
在此实施方式中，上述多层膜的具体制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积铁磁层CoFeB4nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积隔离层AlOx1nm;
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层AlOx上沉积磁性斯格明子自由层FeCoSi5nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeCoSi上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式二
图2为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，铁磁层具有面内各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta5nm；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积铁磁层CoFeB4nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积隔离层MgO1nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层MnSi5nm;
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层MnSi上沉积覆盖层Ta5nm。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的隧穿磁电阻磁性隧道结。
实施方式三
图3为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、底部铁磁层、夹层、顶部铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，底部铁磁层和顶部铁磁层均具有面内各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(30nm)/Ta(5nm)；；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积底部铁磁层CoFe2.5nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在底部铁磁层CoFe上沉积夹层Ru0.9nm；
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在夹层Ru上沉积顶部铁磁层CoFeB3nm；
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在顶部铁磁层CoFeB上沉积隔离层MgO1nm;
7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层FeGe5nm;
8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeGe上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式四
图4为中磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，铁磁层具有垂直各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(10nm)/Ta(5nm)；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积铁磁层CoFeB1nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层CoFeB上沉积隔离层MgO1nm;
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层FeCoSi5nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeCoSi上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式五
图5为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，铁磁层具有垂直各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta5nm；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积铁磁层[Pd(1nm)/Co(0.2nm)]56nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在铁磁层[Pd/Co]5上沉积隔离层MgO1nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层MnSi5nm;
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层MnSi上沉积覆盖层Ta5nm。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式六
图6为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、底部铁磁层、夹层、顶部铁磁层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，底部铁磁层和顶部铁磁层均具有垂直各向异性，磁性斯格明子自由层具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(30nm)/Ta(5nm)；；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积底部铁磁层[Pt(1nm)/Co(0.3nm)]1013nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在底部铁磁层[Pt/Co]10上沉积夹层Ru0.9nm；
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在夹层Ru上沉积顶部铁磁层[Co(0.3nm)/Pt(1nm)]56.5nm；
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在顶部铁磁层[Co/Pt]5上沉积隔离层MgO1nm;
7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层FeGe5nm;
8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeGe上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层的磁性隧道结。
实施方式七
图7为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、磁性斯格明子层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，磁性斯格明子自由层和磁性斯格明子层均具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(20nm)/Ta(5nm)；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积磁性斯格明子层FeCoSi10nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子层FeCoSi上沉积隔离层AlOx1nm;
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层AlOx上沉积磁性斯格明子自由层MnSi5nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层MnSi上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的隧穿磁电阻磁性隧道结。
实施方式八
图8为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：衬底//缓冲层/反铁磁层/磁性斯格明子层/隔离层/磁性斯格明子自由层/覆盖层。其中隔离层为绝缘层，磁性斯格明子自由层和磁性斯格明子层具有面内涡旋磁矩结构。
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta5nm；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积磁性斯格明子层FeCoSi10nm；
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子层FeCoSi上沉积隔离层MgO1nm;
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层MnSi5nm;
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层MnSi上沉积覆盖层Ta5nm。
通过后续的常规半导体微纳加工工艺包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的隧穿磁电阻磁性隧道结。
实施方式九
图9为磁性多层膜结构以及低电阻态和高电阻态的磁矩取向示意图。
磁性多层膜结构：其依次为衬底、缓冲层、反铁磁层、底部磁性斯格明子层、夹层、顶部磁性斯格明子层、隔离层、磁性斯格明子自由层、覆盖层。其中隔离层为绝缘层，磁性斯格明子自由层、底部磁性斯格明子层和顶部磁性斯格明子层均具有面内涡旋磁矩结构。
上述多层膜的制备过程为：
1)选择一个厚度为0.5mm的Si-SiO2作为衬底，并在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在该衬底上沉积缓冲层Ta(5nm)/Ru(30nm)/Ta(5nm)；；
2)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，沉积时氩气压为0.07Pa的条件，在缓冲层Ta/Ru/Ta上沉积反铁磁层IrMn12nm；
3)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在反铁磁层IrMn上沉积底部磁性斯格明子层FeCoSi5nm;
4)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在底部磁性斯格明子层FeCoSi上沉积夹层Ru0.9nm；
5)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在夹层Ru上沉积顶部磁性斯格明子层FeCoSi5nm;
6)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在顶部磁性斯格明子层FeCoSi上沉积隔离层MgO1nm;
7)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在隔离层MgO上沉积磁性斯格明子自由层FeGe5nm;
8)在磁控溅射设备上以真空优于2×10-6Pa，沉积速率为0.1nm/s，氩气压为0.07Pa的条件，在磁性斯格明子自由层FeGe上沉积覆盖层Ta(5nm)/Ru(5nm)。
采用微纳加工技术包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的磁性隧道结。
实施方式十
在此实施方式中，磁性多层膜的结构与上述实施方式1-9任意一个多层膜的结构类似，其区别在于是隔离层由绝缘层变为金属层，如1纳米厚的Cu或Cr薄膜。在此实施方式中磁性多层膜结构，可以直接用作磁性斯格明子层作为自由层以及磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的巨磁电阻纳米多层膜。
实施方式十一
在此实施方式中，磁性多层膜的结构与上述实施方式1-9任意一个多层膜的结构类似，其区别在于中间层由绝缘层变为金属层，如1纳米厚的Ag薄膜。在此实施方式中磁性多层膜结构，通过后续的常规半导体微纳加工工艺包括涂胶、曝光、刻蚀、生长绝缘物质和电极制备基于磁性斯格明子层作为自由层和钉扎层的巨磁电阻纳米柱。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，包括依次设置的衬底、缓冲层、钉扎层、隔离层、自由层、覆盖层，其特征在于，所述自由层为磁性斯格明子层；
所述磁性斯格明子层为具有面内涡旋磁矩结构的合金材料、多铁材料或者反铁磁材料；所述磁性斯格明子层的厚度为2-30nm；
所述钉扎层为由反铁磁层和铁磁层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部铁磁层、夹层和顶部铁磁层组成的多层膜结构；
所述衬底为绝缘材料，其厚度为0.3-1mm；
所述缓冲层是能够和衬底紧密结合的非磁性单层金属层或多层复合金属薄膜；
所述夹层为非磁性金属层，其厚度为0.2-1.5nm；
所述反铁磁层为厚度为3～30nm的反铁磁性的合金材料，或者厚度为5～50nm且具有反铁磁性的氧化物；
所述隔离层为厚度为1-5nm的绝缘层，或者厚度为0.2-100nm的非磁性金属层；
所述覆盖层为不易被氧化且导电性良好的金属层，其厚度为10-100nm。
2.如权利要求1所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层具有面内各向异性或垂直各向异性。
3.如权利要求1所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述钉扎层具有磁性斯格明子钉扎层。
4.如权利要求3所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性斯格明子钉扎层为由反铁磁层和磁性斯格明子层组成的双层膜，或者为反铁磁层、底部磁性斯格明子层、夹层和顶部磁性斯格明子层组成的多层膜结构。
5.如权利要求2所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，具有面内各向异性的双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中的底部铁磁层和顶部铁磁层的厚度为2-20nm，其构成材料为自旋极化率大于50％的铁磁金属，或者所述铁磁性金属的合金，或者稀磁半导体材料，或者半金属材料。
6.如权利要求2所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，具有垂直各向异性的双层膜中的铁磁层，以及多层膜结构中底部铁磁层和顶部铁磁层为：厚度为1-1.5nm的自旋极化率大于50％的铁磁合金；或者[Co/(Pd,Pt)]n多层膜，其中Co的厚度为0.2-1nm，Pd或者Pt厚度为1-2nm，周期n为2～10；或者L10相的(Co,Fe)-Pt合金，厚度为5-30nm；或者稀土-过渡金属合金，其厚度为5-30nm。
7.如权利要求1所述的基于磁性斯格明子层的磁性多层膜，其特征在于，所述磁性斯格明子层的翻转电流密度为102A/cm2量级。
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