CN108010549B - 一种自旋极化电流发生器及其磁性装置 - Google Patents

一种自旋极化电流发生器及其磁性装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自旋极化电流发生器及其磁性装置，所述发生器包括第一导电层、第二导电层以及位于第一导电层和第二导电层之间的反铁磁层，第一导电层、第二导电层和反铁磁层构成第一导电层‑反铁磁层‑第二导电层层叠结构。该发生器利用反铁磁材料和金属材料，形成不对称层叠结构用以产生自旋极化电流，具有低的电阻率，因而能够降低能耗。所述磁性装置包括第一导电层，以及在所述第一导电层上的至少一个由反铁磁层和第二导电层构成的堆叠结构，所述反铁磁层与第一导电层相邻；在相邻所述堆叠结构的第一导电层上设有磁性结，所述磁性结包括自由磁性层。该装置能够减少器件发热，并提高了器件工作的可靠性和稳定性。

Description

一种自旋极化电流发生器及其磁性装置
技术领域
本发明涉及具有磁性/反铁磁材料或结构的电路和器件及其应用，更具体地说，涉及自旋极化电流发生器及其磁性装置。
背景技术
自旋是电子等粒子的固有性质之一。电子具有两个不同的自旋态(通常定义为自旋向上和自旋向下)。电流中的电子可以是非自旋极化的，不同自旋状态的电子具有相等的概率，电流中的电子也可以是自旋极化的，其一个自旋状态的电子数目大于另一个自旋状态的电子数目，此类电流称为自旋极化电流。传统的自旋极化电流可以通过，例如使电流通过具有特定磁化取向的(第一)磁性层，来实现，然后所述自旋极化电流可以被引导入另一个(第二)磁性层中，引起角动量的转移，由此激发的自旋转移矩(spin-transfer torque，称为STT)对第二磁性层中的局部磁矩产生影响，导致第二磁性层的磁化进动，或者磁化翻转(磁化取向的切换)。
磁性隧道结(magnetic tunnel junction，称为MTJ)由两层磁性金属(例如铁，钴，镍)和夹在两磁性金属层之间的超薄绝缘层(例如氧化铝，或氧化镁)组成。如果在两个磁性金属层之间施加偏置电压，由于绝缘层很薄，电子可以通过遂穿效应通过其势垒。在给定偏压下，隧道电流/遂穿电阻的大小取决于两个铁磁层中磁化的相对取向，这种现象称为隧穿磁阻(tunneling magnetoresistance，称为TMR)，这是自旋依赖的隧穿效应的体现。两个铁磁层中磁化的相对取向可以通过施加的磁场来改变。
自旋阀是由两个或更多个导电磁性材料组成的器件，其电阻可以根据不同层中磁化的相对取向在两个值(高阻值和低阻值)之间变化。电阻变化是巨磁阻(giantmagnetoresistive，称为GMR)效应的结果。在最简单的情况下，自旋阀由两个铁磁体和夹在两个铁磁体之间的非磁性材料组成，其中一个铁磁体(称为第一铁磁体)由反铁磁体固定，用于提高第一铁磁体的磁矫顽力，使其表现为“硬”磁层，而另一个铁磁体(称为第二铁磁体)的磁化取向是可以改变，表现为“软”磁层。非磁性层把两个铁磁层隔开，使得它们中有一个保持磁化取向自由(软磁性)。由于矫顽力的差异，软磁层可以在较低的外加磁场强度下改变极性，此时硬磁层磁化保持不变。因此，通过施加适当强度的外加磁场，可以使软磁层切换其极性，从而自旋阀具有两个不同的状态：两磁性层磁化平行的低电阻状态和两磁性层磁化反平行的高电阻状态。
现今，磁性结(magnetic junction，称为MJ，包括MTJ和自旋阀)通常用于磁性随机存取存储器中。磁性随机存取存储器由于具有非易失性，优异的耐久性，高读/写速度，低功耗等优点而引起越来越多科研人员的兴趣。磁性随机存取存储器(magnetic randomaccess memory，称为MRAM)中的磁阻元件可以是包括两个或更多个铁磁性薄膜的磁性结。MJ的电阻取决于固定磁性层和自由磁性层的磁化的相对取向，自由磁性层(free magneticlayer，称为FL)的磁矩可以在两个稳定取向之间切换，MJ的电阻在固定磁性层和自由磁性层的两个相对磁取向情况下呈现两个值，可用于表示数据存储的二进制状态“1”和“0”，并应用于二进制逻辑。可以通过外加磁场改变磁性结的自由层磁化取向，从而得到自由磁性层与固定磁性层磁化平行或反平行时对应的低阻态(“1”)或高阻态(“0”)，进而得到逻辑电路需要的1/0态。但利用电流提供外加磁场需要较大的电流密度，能耗较高，且会限制存储单元阵列即磁性结阵列的排列密度。
一种类型的MRAM是自旋转移矩-随机存取存储器(STT-RAM)。利用自旋极化电流对磁矩的作用(自旋转矩)，通过改变电流方向来切换自由磁性层的磁化方向，从而完成STT-RAM中MJ的数据写入。STT-RAM的数据写入也可以在自旋极化电流和其它效应(如改变自由磁性层的磁晶各向异性，电场，热效应，形变等)的共同作用下完成。
MRAM位单元有两端和三端的结构，两端结构的读写路径相同，由于绝缘隧道势垒层在电流通过时可能被击穿，因此两端结构的MTJ MRAM的可靠性存在较大挑战。三端结构分开了读写路径，从而可以对把写入路径和读出路径分别与外电路进行阻抗匹配，提升了结构的性能，同时规避了存写电流时的绝缘隧道势垒层击穿问题。三端结构的典型应用是SHE MRAM(spin Hall effect magnetic random access memory)，这类结构在MRAM磁性结的自由层一侧加了重金属层，利用电流在重金属层内流动时由于自旋霍尔效应在电流流向的垂直方向产生自旋极化，从而得到自旋极化电流，用于驱动临近的自由层的磁化翻转。SHE MRAM的自旋转换效率用θSH(spin Hall angle)表示，θSH定义为横向自旋电导率与纵向电导之比，或横向自旋电流密度与施加的纵向电流密度之比，在Cornell大学的一篇专利“Circuits and devices based on spin hall effect to apply a spin transfertorque with a component perpendicular to the plane of magnetic layers”(专利号为US 9,691,458B2)中，使用的SHE材料是Ta、W、Hf或Pt等具有高原子序数的重金属或其合金以及其金属间化合物，这些材料在一定的原子结构下，自旋霍尔角可以大于或等于8％，如θSH(β-Ta)＝15％。SHE MRAM的不足之处在于其核心结构的重金属层电阻率很大，如室温下，β-Ta的电阻率为ρNM(β-Ta)＝200(μΩ·cm)，自旋转换效率(自旋霍尔角)为|θSH(β-Ta)|＝2～15％，β-W的电阻率为ρNM(β-W)＝227～312(μΩ·cm)，自旋转换效率(自旋霍尔角)为|θSH(β-W)|＝(33±6)％，Pt的电阻率为ρNM(Pt)＝15.6～98.0(μΩ·cm)，自旋霍尔角为|θSH(Pt)|＝0.6％～16％，由于合适、高效的重金属材料普遍具有很高的电阻率，当电流通过该重金属层时，根据焦耳定律(Q＝I2Rt)，会产生很大的焦耳热，造成写入数据时能耗很大，同时产生的热量使器件工作温度不断升高，严重影响了存储器件的稳定性，且器件电阻率随温度升高而增大，对于工业使用所提供的固定工作电压(每个半导体技术节点提供的工作电压Vdd有限，而且有下降趋势)，写入电流将不断减小，从而可能带来写入电流不足以使自由磁性层磁化翻转、写入失败的问题，降低了器件使用的可靠性，因此，电阻率过大或许会成为影响SHE MRAM得到广泛应用的首要因素。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的之一在于提供一种自旋极化电流发生器，该发生器利用反铁磁材料和金属材料，形成不对称层叠结构用以产生自旋极化电流，具有低的电阻率，因而能够降低能耗。
本发明的再一目的在于提供一种基于该自旋极化电流发生器的磁性装置，该装置能够减少器件发热，并提高了器件工作的可靠性和稳定性。
本发明是通过下述技术方案来实现的：
本发明给出了一种自旋极化电流发生器，包括：
第一导电层、第二导电层以及位于所述第一导电层和第二导电层之间的反铁磁层，所述
第一导电层、第二导电层和反铁磁层构成第一导电层-反铁磁层-第二导电层层叠结构，电流通过所述层叠结构时，可以产生自旋极化。
优选的，所述层叠结构的反铁磁层是单层材料或由多种材料构成的复合层，所述单层材料包括金属、合金或稀土金属及其合金；所述复合层由合成反铁磁材料制成，采用所述合成反铁磁材料制成的复合层由铁磁层与间隔层构成。
进一步，构成所述单层材料的金属或合金包括Cr，CoRh，FeRh，Cr基合金：CrV、CrMn、CrRe、CrFe、CrRu、CrOs、CrCo、CrRh、CrIr、CrNi、CrPd、CrPt、CrCu、CrAg、CrAu、CrGa、CrIn、CrMnPt、FeNiCr，Mn基合金：CrMn、ReMn、FeMn、RuMn、OsMn、CoMn、RhMn、IrMn、NiMn、PdMn、PtMn、CuMn、AgMn、AuMn、PdPtMn、CoCrMn，以及NiFeCrCo基合金。
进一步，构成所述单层材料的稀土金属及其合金包括La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb或Lu中的一种或多种；
所述稀土金属合金包括稀土金属与常规金属，所述常规金属选自但不限于Y、Fe、Ni、Pd、Al、In、Gd、Sn中的一种或多种。
优选的，构成所述复合层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数。
优选的，构成所述复合层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
优选的，所述第一导电层和第二导电层分别选自下述不同的金属或合金材料：
Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种。
优选的，所述反铁磁层的厚度为0.1nm～10nm；所述第一导电层的厚度为1nm～100nm；所述第二导电层的厚度为1nm～100nm。
进一步，所述第一导电层的厚度与第二导电层的厚度可以相同或不同。
本发明进而给出了一种利用所述自旋极化电流发生器构成的磁性装置，包括第一导电层，以及在所述第一导电层上的至少一个由反铁磁层和第二导电层构成的堆叠结构，所述反铁磁层与第一导电层相邻；在相邻所述堆叠结构的第一导电层上设有磁性结，所述磁性结包括自由磁性层；
电流通过至少一个所述堆叠结构至第一导电层结构时，产生的自旋极化电流在所述自由磁性层上施加自旋转矩；在无电流通过时，不产生自旋极化电流；
所述自由磁性层的磁矩使用至少由自旋极化电流施加的自旋转矩来切换，所述自旋极化电流由电流通过至少一个所述堆叠结构至第一导电层结构而产生。
优选的，所述第一导电层被一个或多个堆叠结构共有，并且所述第一导电层被一个或多个所述磁性结共有。
优选的，所述至少一个堆叠结构的第二导电层由不同的导电材料制成，以产生具有不同极化的自旋电流；
所述至少一个堆叠结构的反铁磁层具有不同的厚度，以产生具有不同极化的自旋电流。
优选的，所述自由磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述铁磁性或亚铁磁性金属及其合金选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合。
优选的，所述自由磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co。
优选的，所述自由磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种。
优选的，所述自由磁性层由合成反铁磁(synthetic antiferromagnetic，称为SAF)材料制成，由所述SAF材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；
构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
优选的，所述自由磁性层的磁矩垂直于所述自由磁性层所在平面；或所述自由磁性层的磁矩在所述自由磁性层所在平面内。
优选的，所述磁性结还包括固定磁性层，和在所述自由磁性层和所述固定磁性层之间的非磁性间隔层，所述自由磁性层用于数据存储。
优选的，所述非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、Eu中的一种或多种。
优选的，所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V中的一种或多种。
优选的，所述非磁性间隔层选自但不限于SiC和陶瓷材料。
本发明的有益效果在于：
利用反铁磁材料和金属材料，形成不对称层叠结构“第一导电层-反铁磁层-第二导电层”(C1-AFM-C2)代替SHE MRAM使用的重金属层产生自旋极化电流(在体系总磁矩为零的情况下，由于所述不对称层叠结构的界面不对称可以引起自旋极化电流的产生)，C1/C2可以是良导体，从而①相比于SHE MRAM，可以避免使用高电阻率的重金属；②导体1和导体2可以是与现有半导体技术相匹配的、具有低电阻率的材料，如Au，Ag，Cu，Al(Cu和Al是半导体技术常用材料)等，如Au的电阻率为ρAu＝2.20μΩ·cm，Ag的电阻率为ρAg＝1.55μΩ·cm，Cu的电阻率为ρCu＝1.70μΩ·cm，Al的电阻率为ρAl＝2.70μΩ·cm，从而有效减小了写入路径的电阻率，既降低能耗，又减少发热，提高了器件工作的可靠性和稳定性；③具有与SHE相当的自旋转换效率，目前可以达到20％，使用“第一导电层-反铁磁层-第二导电层”结构的自旋电流发生器带来的优势为自旋电子器件及其应用开辟了新的空间。
附图说明
图1A示出根据本发明公开的一个实施例的三端磁存储器位单元100。
图1B示出图1A中的磁存储器位单元100的俯视图120。
图1C示出根据本发明公开的一个实施例的以框图形式140表示的使用C1-AFM-C2结构来产生自旋极化电流的三端磁存储器件的控制电路。
图2A示出根据本发明公开的一个实施例的磁存储器位单元的示意性正视图200。
图2B示出根据本发明公开的一个实施例的磁存储器位单元的示意性俯视图220。
图3示意Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程描述的磁矩进动过程中所受的三项相互作用。
图4示出根据本发明公开的一个实施例的C1-AFM-C2的不对称层叠结构。
图5示出根据本发明公开的一个实施例的用于产生自旋极化电流的示例性C1-AFM-C2结构的示意性横截面500。
图6示出图5所示Au-Cr-Ag结构的各材料层中沿着层叠方向(+z方向)不同位置的磁矩M变化的曲线600。
图7示出图5所示Au-Cr-Ag结构的总磁矩Mtot相对于Cr原子层的累积(Cr原子层指数N)的变化曲线700。
图8示出图5所示Au-Cr-Ag结构的电导G相对于Cr原子层的累积(Cr原子层指数N)的变化曲线800。
图9示出图5所示Au-Cr-Ag结构的极化P相对于Cr原子层的累积(Cr原子层指数N)的变化曲线900。
具体实施方式
以下示例性实施例涉及具有磁性材料或结构的电路和器件及其应用，更具体地说，涉及自旋极化电流发生器及其磁性装置，但不作为对本发明做任何限制的依据。
图1A示出根据本发明公开的一个实施例的磁性装置，为清楚起见，图1A和本发明的任何其它图示未按比例画出。磁性装置是采用“第一导电层-反铁磁层-第二导电层”(称为“C1-AFM-C2”)不对称层叠结构作为自旋极化电流发生器来描述的三端磁存储器位单元100。该磁性装置包括第一导电层C1 120，以及在第一导电层C1 120上的两个由反铁磁层(AFM层)(即第二反铁磁层140、第一反铁磁层130)和第二导电层(左第二导电层C2 142、右第二导电层C2 132)构成的堆叠结构，其中，第一导电层C1 120与左反铁磁层140、右反铁磁层130相邻；在两个堆叠结构之间的第一导电层C1 120上设有磁性结，其中，在本实施例中磁性结110包括自由磁性层112。在另外的一些实施例中，磁性结MJ 110包括自由磁性层112、固定磁性层116，和位于自由磁性层和固定磁性层之间的非磁性间隔层114。
磁性结(MJ)110可以是存储单元的一部分，存储单元还可以包括诸如晶体管等选择装置和/或其它磁性结。在体系总磁矩为零的情况下，由于所述不对称层叠结构C1-AFM-C2的界面不对称可以引起自旋极化电流的产生。电流通过至少一个所述堆叠结构至第一导电层结构时，产生的自旋极化电流在所述自由磁性层上施加自旋转矩；在无电流通过时，不产生自旋极化电流。
在另一些实施例中，三端磁存储器位单元100包括磁性结110和至少一个C1-AFM-C2结构。
在本实施例中，“第一导电层-反铁磁层-第二导电层”不对称层叠结构用来切换自由磁性层112的磁矩取向。其中，C1 120、第一AFM层130和第一C2 132堆叠在一起形成第一C1-AFM-C2结构，C1 120、第二AFM层140和第二C2 142堆叠在一起形成第二C1-AFM-C2结构。“第一AFM层130-第一C2 132”叠层和“第二AFM层140-第二C2 142”叠层分别设置在磁性结110的右侧和左侧。在本实施例中，由第一和第二C1-AFM-C2结构共享的第一导电层C1 120与自由磁性层112直接接触。在一些实施例中，第一导电层C1与自由磁性层之间可以存在中间层。
在一些实施例中，通过调节第一和第二AFM层的厚度，使流过第一和第二C1-AFM-C2结构的电流产生不同自旋极化。在另外一些实施例中，通过选择不同的导电材料做第一和第二C2，使流过第一和第二C1-AFM-C2结构的电流产生不同自旋极化。
C1-AFM-C2结构的AFM层由Néel温度(Néel温度或磁有序温度TN，反铁磁材料在高于Néel温度时呈现顺磁性)高于室温的单层材料或多种材料构成的复合层制成。
在一些实施例中，所述AFM层由单层材料的金属制成，所述金属选自但不限于Cr。
在另一些实施例中，所述AFM层由单层材料的合金制成，所述合金选自但不限于CoRh，FeRh。
在另一些实施例中，所述AFM层由单层材料的Cr基合金制成，所述Cr基合金选自但不限于：CrV、CrMn、CrRe、CrFe、CrRu、CrOs、CrCo、CrRh、CrIr、CrNi、CrPd、CrPt、CrCu、CrAg、CrAu、CrGa、CrIn、CrMnPt、FeNiCr。
在另一些实施例中，所述AFM层由单层材料的Mn基合金制成，所述Mn基合金选自但不限于：CrMn、ReMn、FeMn、RuMn、OsMn、CoMn、RhMn、IrMn、NiMn、PdMn、PtMn、CuMn、AgMn、AuMn、PdPtMn、CoCrMn。
在另一些实施例中，所述AFM层由单层材料的NiFeCrCo基合金制成。
在另一些实施例中，所述AFM层由稀土金属及其合金制成，所述稀土金属及其合金选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种。
在另一些实施例中，所述AFM层由稀土金属合金制成，所述稀土金属合金包括稀土金属与常规金属，所述常规金属选自但不限于Y、Fe、Ni、Pd、Al、In、Gd、Sn中的一种或多种。
在另一些实施例中，所述AFM层由多种材料构成的复合层制成，所述复合层由合成反铁磁(synthetic antiferromagnetic，称为SAF)材料制成，所述SAF层由铁磁层与间隔层构成，所述铁磁层选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数，所述间隔层选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
在一些实施例中，C1-AFM-C2结构的第一导电层和第二导电层由不同的材料制成以形成用于产生自旋极化电流的不对称叠层。
本发明的C1-AFM-C2结构的第一和第二导电层由不同的导电材料制成，所述第一和第二导电层选自但不限于Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种。第一导电层C1需要具有低电阻率和大的自旋扩散长度。
上述的反铁磁层的厚度为0.1nm～10nm；所述第一导电层的厚度为1nm～100nm；所述第二导电层的厚度为1nm～100nm；所述第一导电层的厚度与第二导电层的厚度可以相同或不同。
上述实施例采用不同材料制成的AFM层、第一导电层和第二导电层，均可以使流过C1-AFM-C2结构的电流产生自旋极化。
如图1A所示，在本实施例中，第一C2 132形成第一电气端子，第二C2 142形成第二电气端子，固定磁性层116直接或间接连接到第三电气端子。电流经过“第一C2 132-第一反铁磁层130”或“第二C2 142-第二反铁磁层140”流入第一导电层C1 120后产生自旋极化，其中具有相同自旋极化方向的电子或其它电荷载体可以扩散到自由磁性层112中，自旋极化电子提供的自旋转移矩可能使自由磁性层112的磁矩从其初始平衡状态(例如平行于易轴)快速偏转到所期望的方向。
在本实施例中，磁性结包括自由磁性层112。自由磁性层可以是单层磁性材料或不同材料的复合层，例如“铁磁性层-非磁性层(例如Ru)-铁磁性层”复合层。
在一些实施例中，自由磁性层112由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述自由磁性层选自但不限于Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合。
在另一些实施例中，自由磁性层112由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自但不限于3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co。
在另一些实施例中，自由磁性层112由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自但不限于Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自但不限于Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自但不限于Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种。
在另一些实施例中，自由磁性层112由合成反铁磁(syntheticantiferromagnetic，称为SAF)材料制成，采用所述合成反铁磁材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自但不限于Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；构成所述自由磁性层的间隔层材料选自但不限于Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
在另一些实施例中，所述磁性结还包括固定磁性层116，和在所述自由磁性层112和固定磁性层116之间的非磁性间隔层114，自由磁性层用于数据存储。
所述固定磁性层116与自由磁性层112的材料选择范围相同，固定磁性层116和自由磁性层112的厚度可以不同。在一些实施例中，所述自由磁性层112和固定磁性层112是导电的。
在一些实施例中，非磁性间隔层114是绝缘隧道势垒层，所述非磁性间隔层为氧化物，氮化物，或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自但不限于Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、Eu中的一种或多种。
在另一些实施例中，非磁性间隔层114是导电层，所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自但不限于Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V中的一种或多种。
在另一些实施例中，非磁性间隔层114选自但不限于SiC和陶瓷材料。
在另一些实施例中，间隔层114可以为其它结构，例如在“Method and system forproviding a magnetic tunneling junction using spin-orbit interaction basedswitching and memories utilizing the magnetic tunneling junction”(美国专利，专利号为9,076,537)中提出的在绝缘体系中加入导电通道的粒状层(a granular layerincluding conductive channels in an insulating matrix)。
上述实施例采用不同材料制成的自由磁性层112和固定磁性层116是铁磁性的，而间隔层114是非磁性的。
在另一些实施例中，磁性结110还包括用于将固定磁性层116的磁矩固定住的钉扎层(未示出)。在一些实施例中，固定磁性层116的磁矩以其它方式固定。在一些实施例中，自由磁性层112和固定磁性层116的磁矩在平面内。在一些实施例中，自由磁性层112和固定磁性层116的磁矩垂直于平面。
在一些实施例中，仅使用“第一导电层-反铁磁层-第二导电层”结构产生的自旋极化电流来提供必要幅度的自旋转移矩用于自由磁性层112的磁化切换。在本实施例中，使用电流流经路径“第一C2 132-第一反铁磁层130-C1 120-第二反铁磁层140-第二C2 142”产生的自旋极化电流来提供自旋转移矩用于切换自由磁性层112的磁矩取向。
如图1A所示，写入电流经过“第一C2-第一反铁磁层”或“第二C2-第二反铁磁层”叠层产生自旋极化，接着流入第一导电层C1 120，其中具有相同自旋极化方向的电子或其它电荷载体可以扩散到自由磁性层112中，从而对自由磁性层112的磁矩产生自旋转移矩
Figure BDA0001493666580000111
(spintorque generated by spin cuerent)，所述自旋转移矩相当于对自由磁性层112施加的一个等效场
Figure BDA0001493666580000112
(effective field generated by spin cuerent)，
Figure BDA0001493666580000113
因此，对C1-AFM-C2结构注入电流引起的电子自旋极化可以等效地描述为对自由磁性层112施加一个外磁场。
通过调节MJ 110和C1-AFM-C2结构中各层的材料和尺寸，在自由磁性层和第一导电层C1之间提供所需的界面电子耦合作用，以使(在给定流过C1-AFM-C2结构的电流的情况下)较多的自旋极化电子或其它电荷载体从第一导电层C1扩散到自由磁性层中。
下面给出本磁性装置的工作方式。
在本实施例中，写入路径是“第一C2 132-第一反铁磁层130-第一导电层C1 120-第二反铁磁层140-第二C2 142”，写入电流可以沿着所述写入路径正向或反向流动。以正向写入电流进行说明，电流经过“第一C2 132-第一反铁磁层130”产生自旋极化，接着在第一导电层C1 120所在平面内流动时，具有相同自旋极化方向的电子或其它电荷载体扩散到自由磁性层112中，其产生的自旋转移矩使得自由磁性层112中的磁化翻转。通过施加正向或者反向电流，可以使MJ切换到低阻态或者高阻态，从而将数据写入存储单元100。在一些实施例中，写入路径是“第一C2-第一AFM层-C1”，写入电流可以沿着所述写入路径正向或反向流动。
下面描述存储单元100的读取过程。在本实施例中，读取路径为“磁性结110-第一导电层120-第一反铁磁层130-第一C2 132”或“磁性结110-第一导电层120-第二反铁磁层140-第二C2 142”。在一些实施例中，读取路径为“磁性结110-第一导电层C1”，所述第一导电层C1耦合到三端磁存储器的第二电气端子(未示出)。在一些实施例中，使用放大器感测流过MJ的读取电流。在本实施例中，读取和写入路径被解耦合以提供更好的技术控制和读写过程的优势。
图1B示出图1A中的磁存储器位单元100的俯视图120。如图1A-图1B所示，固定磁性层116和自由磁性层112的磁矩垂直于平面(x-y平面)。在一些实施例中，MJ可以具有便于技术制造的圆形横截面，这是因为工业上用于生长MJ的硅衬底大多数是圆形的。在一些实施例中，MJ可以根据需要具有椭圆形、矩形、正方形或任何其它形状的横截面。在本实施例中，第一和第二C1-AFM-C2结构分别设置在磁性结110的右侧和左侧。在本实施例中，第一导电层C1 120由第一和第二C1-AFM-C2结构的第一和第二反铁磁层共享。第一和第二C1-AFM-C2结构的第二导电层分别称为第一C2 132和第二C2 142。
在一些实施例中，通过调节第一和第二AFM层的厚度及其中的磁化分布，使流过第一和第二C1-AFM-C2结构的电流产生不同自旋极化(例如，第一AFM层在层叠方向上具有“上-下-上-下”的磁化分布，第二AFM层在相同堆叠方向上具有“下-上-下-上”的磁化分布)。在C1 120中流动的电子或其它电荷载体的自旋极化方向由写入电流选择经“第一C2132-第一AFM层130”注入C1 120还是经“第二C2 142-第二AFM层140”注入C1 120决定。例如，如图1A-图1B所示，固定层116的磁化向上(沿+z方向)，可以设置第一AFM层中的磁化分布使得流过“第一C2 132-第一AFM层130”的写入电流在+z方向上自旋极化，以给MJ写入逻辑1(平行磁化状态)，而设置第二AFM层中的磁化分布使得流过“第二C2 142-第二AFM层140”的写入电流在-z方向上自旋极化，以给MJ写入逻辑0(反平行磁化状态)。
图1C示出根据本发明公开的一个实施例的以框图形式140表示的使用C1-AFM-C2结构来产生自旋极化电流的三端磁存储器件的控制电路。在本实施例中，第一和第二C2形成第一和第二电气端子，固定磁性层耦合到第三电气端子，存储器控制电路耦合到第一，第二和第三电气端子以实现所需的数据写入和读取功能。
(1)所述控制电路用于将数据写入MJ，通过选择第一和第二电气端子驱动电流沿写入路径“第二C2-第二AFM层-C1-第一AFM层-第一C2”流动(正向或反向)，以在C1层中产生自旋极化的电子或其它电荷载体，其扩散进入自由磁性层，利用感应的自旋转移矩来切换自由磁性层的磁化取向；
(2)所述控制电路用于从MJ读取数据，通过使用第一和第三电气端子驱动电流沿读取路径“固定磁性层-非磁性间隔层-自由磁性层-C1-第一AFM层-第一C2”，或使用第二和第三电气端子驱动电流沿读取路径“固定磁性层-非磁性间隔层-自由磁性层-C1-第二AFM层-第二C2”，来感测MJ的磁化状态。
通过选择连接在第二电气端子和控制电路之间的写入线或连接在第三电气端子和控制电路之间的读取线，其与连接在第一电气端子和控制电路之间的接线形成闭合的写入电路或读取电路，为使用C1-AFM-C2结构来产生自旋极化电流的三端磁存储器件提供写入或读取功能。
图2A和图2B示出根据本发明公开的一个实施例的磁存储器位单元的示意性正视图200和俯视图220。MJ 210可以是存储单元的一部分，所述存储单元还可以包括诸如晶体管等选择装置和/或其它磁性结。为清楚起见，图2A-2B和本文件的任何其它图示未按比例画出。
在本实施例中，MJ 210的固定磁性层和自由磁性层为平面内磁化，“第一导电层-反铁磁层-第二导电层”不对称层叠结构用来切换自由磁性层212的磁矩取向。在一些实施例中，通过调节第一和第二AFM层的厚度及其中的磁化分布，使流过第一和第二C1-AFM-C2结构的电流产生不同自旋极化(例如，第一AFM层在层叠方向上具有“左-右-左-右”的磁化分布，第二AFM层在相同堆叠方向上具有“右-左-右-左”的磁化分布)。在C1 220中流动的电子或其它电荷载体的自旋极化方向由写入电流选择经“第一C2 232-第一AFM层230”注入C1220还是经“第二C2 242-第二AFM层240”注入C1 220决定。例如，如图2A-2B所示，固定磁性层216的磁化沿-y方向，可以设置第一AFM层中的磁化分布使得流过“第一C2 232-第一AFM层230”的写入电流在-y方向上自旋极化，以给MJ写入逻辑1(平行磁化状态)，而设置第二AFM层中的磁化分布使得流过“第二C2 242-第二AFM层240”的写入电流在+y方向上自旋极化，以给MJ写入逻辑0(反平行磁化状态)。
图3示意Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程公式(1)描述的磁矩进动过程中所受的三项相互作用：进动项，阻尼项和自旋转移矩(spin-transfer torque，称为STT)项。如果阻尼矩和STT大小相等方向相反，图1A-1C和图2A-2B中自由磁性层的磁矩Mfree将处于稳恒进动状态，进动轨迹如图3中的虚线圆所示。
Figure BDA0001493666580000131
图4示出根据本发明公开的一个实施例的C1-AFM-C2的不对称层叠结构，在体系总磁矩为零的情况下，由于所述不对称层叠结构的界面不对称，“第一导电层-反铁磁层”界面和“反铁磁层-第二导电层”界面的磁化强度不同程度地增大，从而产生了净磁化强度，C1-AFM-C2结构总体表现出铁磁性，因此流过C1-AFM-C2结构的电流可以产生自旋极化。所述C1-AFM-C2结构可以作为一种新型自旋极化电流发生器，用于磁存储器和磁逻辑器件等磁性装置中，例如可以代替自旋霍尔效应磁性随机存取存储器(spin Hall effect magneticrandom access memory，称为SHE MRAM)中的高电阻率的重金属层来产生自旋极化电流。
图5示出根据本发明公开的一个实施例的用于产生自旋极化电流的示例性C1-AFM-C2结构的示意性横截面500，其中由Cr制成的AFM层是自旋输运的散射区域，第一导电层由Au制成，第二导电层由Ag制成。在体系总磁矩为零的情况下，由于所述Au-Cr-Ag不对称层叠结构的界面不对称可以引起自旋极化电流的产生。
根据第一性原理计算的要求将结构划分成多个原子层，也称为主层，原子层索引标记在结构的右侧，由此建立示例性C1-AFM-C2结构Au-Cr-Ag的准一维紧束缚模型，输运沿+z方向，x-y平面垂直于输运方向。模型利用尾波消除方程求解输运问题。由于为结构划分的各原子层足够厚，所以只考虑相邻原子层间的相互作用，忽略其它层之间的耦合。***在垂直于输运方向(+z方向)的平面(O-x-y平面)内具有二维平移不变性，则***本征态可以用二维布里渊区横向波矢
Figure BDA0001493666580000141
来表示，在混合表象下第I原子层的运动方程(KKR方程)为
Figure BDA0001493666580000142
其中
Figure BDA0001493666580000143
为第I原子层的振幅，体系的倒空间结构常数为实空间结构常数的傅里叶变换
Figure BDA0001493666580000144
其中{TI,J}表示第I层的一个格点连接到第J层所有格点的矢量。理想电极中的任意散射态，利用Block因子推导出两边电极的Block波函数，然后在中间散射区进行波函数匹配，得到中间散射区的波函数，并推导出中间散射区边界原子层(第0层和第N+1层)的运动方程，通过上述两个边界条件，将描述散射问题的无穷多个运动方程截断为有限个方程组：
Figure BDA0001493666580000145
将C0和CN+1按照在电极中各自局域化量子化轴下的本征模展开，并考虑相应本征模所携带的电流的相对大小，可以得到两边电极上在各自局域化量子化轴下传播的本征模之间的透射矩阵元，如从下电极模υ到上电极模μ的透射系数为
Figure BDA0001493666580000151
其中本征模的群速度为
Figure BDA0001493666580000152
其中
Figure BDA0001493666580000153
为相邻两个原子层中等价原子之间的距离。得到透射系数和反射系数后，可以求出体系的电导G：
Figure BDA0001493666580000154
所述第一性原理计算方法已经被成功应用于物理、化学、生物学等多个科学领域，是研究纳米体系材料的重要手段。例如，(2011)Xing-tao Jia等人通过第一性原理计算研究了自旋电子学领域的磁性绝缘体，他们预测了正常金属和磁性绝缘体的界面处的自旋转移矩的数量级，并使用局部自旋模型计算了银和绝缘铁磁体钇铁石榴石(Yttrium IronGarnet，称为YIG)界面的自旋混合电导G↓↑(1014Ω-1m-2)，使用Schep校正的Ag|Fe4|YIG|Fe4|Ag(001)的自旋混合电导G↓↑≈8.0×1014Ω-1m-2，计算结果与B.Heinrich等人测得的S5样品的自旋混合电导G↓↑＝5.0×1014Ω-1m-2相近；(2014)Shi-Zhuo Wang等人利用相同的方法研究了“多相合金FeCo/MgO/FeCo(001)”MTJ的热电性和界面无序，计算了Seebeck系数S，电导Gσ，导热系数κ及其它一些热电参数，并与相关实验进行了比较(理论计算与实验测量取得了良好的一致性)，如文献(Shi-Zhuo Wang,Ke Xia,and Gerrit E.W.Bauer,2014.)中图2所示，对于MgO势垒层为7个单层厚(1.6nm)，自由层和固定层的磁矩取向平行的磁性隧道结，计算得到RA＝23.8Ω·μm2(无氧空位(clean))和RA＝12Ω·μm2(5％氧空位)，接近于文献(N.Liebing et al.,2011.)和文献(N.Liebing et al.,2012.)中的测量结果RA＝17Ω·μm2(势垒层厚度为1.5nm),对于MgO势垒层为4～5个单层厚(1.0nm)的磁性隧道结，计算结果与文献(S.Yuasa and D.D.Djayaprawira,2007.)报道的测量值RA＝0.4～1Ω·μm2相吻合；(2016)Shi-Zhuo Wang等人利用相同的方法研究了电压和温度梯度引起的Fe0.5Co0.5/MgO/Fe0.5Co0.5(001)MTJ的自旋转矩矩，并研究了少量的界面氧空位(oxygenvacancy，称为OV)对面内STT的“阈值电压”的优化作用，其中一个具有不对称OV分布的样本再现了文献(C.Wang et al.,2011.)中的实验测量，如文献(Shi-Zhuo Wang and Ke Xia,2016.)中图5所示，偏置电压在-0.1V≤Vb≤0.3V范围内，计算得到的MTJ L5R0的自旋转移矩对偏压的偏导
Figure BDA0001493666580000161
与实验(6个单层(6ML)厚的MgO MTJ，左侧和右侧界面处存在不对称OV分布)结果一致；(2016)Lei Wang等人利用相同的方法研究了在有限温度(finitetemperature)下纯体材Pt和Py|Pt(Py＝Ni80Fe20)双层膜的自旋霍尔效应，发现了由自旋轨道耦合和无序引起的巨大的界面自旋霍尔角(界面自旋霍尔角表征了界面处自旋转换效率，即由单位电流(charge current)产生的总自旋流的大小)，并计算了Pt的自旋霍尔电导率σSH＝1600Ω-1cm-1，这与Edurne Sagasta等人通过***地测量和分析得出的Pt的本征自旋霍尔电导率(intrinsic spin Hall conductivity)
Figure BDA0001493666580000162
非常一致。第一性原理对自旋转移矩、TMR、热电效应、自旋霍尔效应等参数的预测与以上以及其它多项实验结果吻合，充分证明了前文所述第一性原理计算方法的正确性和实用性。
在本发明中，所述第一性原理计算方法被用于“第一导电层-反铁磁层-第二导电层”结构中的自旋输运和自旋转移矩的计算。图6示出图5所示Au-Cr-Ag结构的各材料层中沿着层叠方向(+z方向)不同位置的磁矩M变化的曲线600，所述Au-Cr-Ag结构为用来产生自旋极化电流的示例性C1-AFM-C2结构，Cr原子层指数N为偶数以呈现反铁磁性。可以看出，反铁磁Cr层的磁矩在Au-Cr界面和Cr-Ag界面发生突变，分别反方向增大(+2.1μB，-1.9μB)，而Cr层内部磁矩基本不受相邻Au层和Ag层的影响(～±0.65μB)。通过对反铁磁层的两个相邻层的材料或其它参数进行选择，可以分别调节两界面处磁矩增大的程度，例如图5的Au-Cr-Ag结构，Au-Cr界面和Cr-Ag界面磁矩不同程度的增大使Au-Cr-Ag结构整体表现一定铁磁性，从而可以利用Au-Cr-Ag(C1-AFM-C2)结构表现的铁磁性来产生自旋极化电流。在一些实施例中，Cr层的磁化分布使得电流经过Au-Cr-Ag结构后在+/-z方向自旋极化。在一些实施例中，Cr层的磁化分布使得电流经过Au-Cr-Ag结构后在+/-y方向自旋极化。
图7示出图5所示Au-Cr-Ag结构的总磁矩Mtot相对于Cr原子层的累积(Cr原子层指数N)的变化曲线700，可以看出，Au-Cr-Ag结构的总磁矩在0.18μB上下波动。
图8示出图5所示Au-Cr-Ag结构的电导G相对于Cr原子层的累积(Cr原子层指数N)的变化曲线800，黑色方形点表示自旋向上的电导G↑，白色圆点表示自旋向下的电导G↓，可以看出，G↑和G↓都随Cr原子层数的增加而变小，且对于N≥4，G↑和G↓的值很接近，|G↑-G↓|存在0～0.05e2/(hA)的较小差值，而对N＝2，二者出现～0.18e2/(hA)的较大差值(A表示Au-Cr-Ag结构在垂直于电流流向方向的截面积)，且N＝2时，极化P也取相对较大值，说明自旋极化程度相对较大，因此Cr原子层数取2是C1(Au)-AFM(Cr)-C2(Ag)结构用来产生自旋极化电流的合理选择。
图9示出图5所示Au-Cr-Ag结构的极化P相对于Cr原子层的累积(Cr原子层指数N)的变化曲线900。可以看出，随着Cr原子层数的变化，P值在±20％范围内波动，当N＝8和N＝14时，|P|值较大，由P＝|G↑-G↓|/(G↑+G↓)可得，N＝8和N＝14时自旋极化程度相对较大。
图9示出流过C1(Au)-AFM(Cr)-C2(Ag)结构的电流已经被自旋极化，因此能够使用C1-AFM-C2结构来翻转相邻的自由磁性层的磁矩从而将数据写入磁性结。以图1A所示实施例进行说明，写入路径是“第一C2 132-第一AFM层130-C1 120-第二AFM层140-第二C2142”。经“第一C2 132-第一AFM层130”或“第二C2 142-第二AFM层140”注入C1 120的电流产生自旋极化，其中从C1 120扩散到FL 112中的电子或其它电荷载体感应的自旋转移矩使FL112的磁化失稳，用来切换FL 112的磁化取向。写入电流可以沿着该路径正向或反向流动，取决于所需的用于数据存储的MJ 110的最终状态(平行磁化-低电阻状态-二进制1，或反平行磁化-高电阻状态-二进制0)。

Claims (11)

1.一种自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，包括自旋极化电流发生器和磁性结；
所述自旋极化电流发生器包括：
第一导电层、第二导电层以及位于所述第一导电层和第二导电层之间的反铁磁层，所述第一导电层、第二导电层和反铁磁层构成第一导电层-反铁磁层-第二导电层不对称层叠结构，电流通过所述不对称层叠结构时，可以产生自旋极化；在无电流通过时，不产生自旋极化电流；
在所述第一导电层上设有至少一个由反铁磁层和第二导电层构成的堆叠结构，所述反铁磁层与第一导电层相邻；
在相邻所述堆叠结构的第一导电层上设有磁性结，所述磁性结包括自由磁性层；
电流通过至少一个所述堆叠结构至第一导电层时，产生的自旋极化电流在所述自由磁性层上施加自旋转矩；
所述自由磁性层的磁矩使用至少由自旋极化电流施加的自旋转矩来切换，所述自旋极化电流由电流通过至少一个所述堆叠结构至第一导电层而产生；
所述层叠结构的反铁磁层是单层材料或由多种材料构成的复合层，所述单层材料包括金属、合金或稀土金属及其合金；所述复合层由合成反铁磁材料制成，采用所述合成反铁磁材料制成的复合层由铁磁层与间隔层构成。
2.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，构成所述单层材料的金属或合金选自Cr，CoRh，FeRh，Cr基合金：CrV、CrMn、CrRe、CrFe、CrRu、CrOs、CrCo、CrRh、CrIr、CrNi、CrPd、CrPt、CrCu、CrAg、CrAu、CrGa、CrIn、CrMnPt、FeNiCr，Mn基合金：CrMn、ReMn、FeMn、RuMn、OsMn、CoMn、RhMn、IrMn、NiMn、PdMn、PtMn、CuMn、AgMn、AuMn、PdPtMn、CoCrMn，以及NiFeCrCo基合金；
所述稀土金属及其合金选自La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu中的一种或多种；
所述稀土金属合金包括稀土金属与常规金属，所述常规金属选自Y、Fe、Ni、Pd、Al、In、Gd、Sn中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，构成所述复合层的铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；
构成所述复合层的间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，所述第一导电层和第二导电层分别选自下述不同的金属或合金材料：
Li、Mg、Al、Ca、Sc、Ti、V、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Ba、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Tl、Pb、Bi、Po、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，所述反铁磁层的厚度为0.1nm～10nm；所述第一导电层的厚度为1nm～100nm；所述第二导电层的厚度为1nm～100nm；
所述第一导电层的厚度与第二导电层的厚度可以相同或不同。
6.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，所述第一导电层被一个或多个堆叠结构共有，并且所述第一导电层被一个或多个所述磁性结共有。
7.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，所述至少一个堆叠结构的第二导电层由不同的导电材料制成，以产生具有不同极化的自旋电流；
所述至少一个堆叠结构的反铁磁层具有不同的厚度，以产生具有不同极化的自旋电流。
8.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，所述自由磁性层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，所述铁磁性或亚铁磁性金属及其合金选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn、NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd、Pt中的一种或多种金属的结合；
或所述自由磁性层由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，所述合成铁磁性或亚铁磁性材料选自3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au、Ni/Co；
或所述自由磁性层由半金属铁磁材料制成，所述半金属铁磁材料包括形式为XYZ或X2YZ的Heusler合金，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd、Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn、Sb中的一种或多种；
或所述自由磁性层由合成反铁磁材料制成，采用所述合成反铁磁材料制成的自由磁性层由铁磁层与间隔层组成；构成所述自由磁性层的铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)p、(Co/Pd)m、(Co/Pt)n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；
构成所述自由磁性层的间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag、Au中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，所述自由磁性层的磁矩垂直于所述自由磁性层所在平面；
或所述自由磁性层的磁矩在所述自由磁性层所在平面内。
10.根据权利要求1所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，所述磁性结还包括固定磁性层，和在所述自由磁性层和所述固定磁性层之间的非磁性间隔层，所述自由磁性层用于数据存储。
11.根据权利要求10所述的自旋极化电流发生器构成的磁性装置，其特征在于，所述非磁性间隔层为氧化物、氮化物或氮氧化物，所述氧化物、氮化物或氮氧化物材料的组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si、Eu中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层为金属或合金，所述金属或合金的组成元素选自Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo、V中的一种或多种；
或所述非磁性间隔层选自SiC和陶瓷材料。
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108987031B (zh) * 2018-07-06 2019-10-18 西安交通大学 一种磁性隧道结器件及其磁性随机存储装置
CN109244233B (zh) * 2018-07-26 2021-02-19 西安交通大学 基于人工反铁磁固定层的磁性隧道结器件及随机存储装置
CN109524459B (zh) * 2018-09-17 2019-10-08 北京应用物理与计算数学研究所 基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器
CN109450555B (zh) * 2018-11-19 2020-12-15 南方科技大学 量子信息交换装置及量子信息交换方法
US10957848B2 (en) 2019-02-08 2021-03-23 International Business Machines Corporation Heusler compounds with non-magnetic spacer layer for formation of synthetic anti-ferromagnets (SAF)
CN109904291B (zh) * 2019-02-13 2021-09-28 湖北大学 一种自旋电子器件及其制备方法、调控方法
JP6806200B1 (ja) * 2019-08-08 2021-01-06 Tdk株式会社 磁気抵抗効果素子およびホイスラー合金
CN112582531A (zh) * 2019-09-30 2021-03-30 华为技术有限公司 一种磁性存储器及其制备方法
CN110954512B (zh) * 2019-10-18 2020-09-15 北京应用物理与计算数学研究所 合金材料原胞的声子谱的解析计算方法及装置
CN111384235B (zh) * 2020-03-20 2023-05-23 河南理工大学 一种磁性隧道结及基于磁性隧道结的nsot-mram装置
CN111933789B (zh) * 2020-08-11 2022-07-08 兰州大学 一种多态存储器、其制备方法和存储方法及人工突触器
CN112799240B (zh) * 2020-12-30 2022-09-16 广东省科学院半导体研究所 磁光器件及其制作方法
CN113314667B (zh) * 2021-04-14 2023-05-30 山东大学 一种基于sot效应产生偏置的磁性薄膜材料结构
CN113466759B (zh) * 2021-06-30 2023-06-13 山东大学 单、双轴磁阻磁场传感器和制作方法
CN114823021A (zh) * 2022-04-16 2022-07-29 江西师范大学 一种具有反铁磁近邻效应的析氧反应电催化剂

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1577495A (zh) * 2003-07-24 2005-02-09 株式会社东芝 磁电阻元件、磁头和磁记录/再现装置
US7630231B2 (en) * 2004-12-30 2009-12-08 Infineon Technologies Ag Hybrid memory cell for spin-polarized electron current induced switching and writing/reading process using such memory cell
CN104393169A (zh) * 2014-10-10 2015-03-04 北京航空航天大学 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器
CN104704564A (zh) * 2012-08-06 2015-06-10 康奈尔大学 磁性纳米结构中基于自旋霍尔扭矩效应的电栅控式三端子电路及装置
CN106252503A (zh) * 2015-06-15 2016-12-21 中国科学院物理研究所 基于反铁磁材料的超高频自旋微波振荡器
CN107004440A (zh) * 2014-07-17 2017-08-01 康奈尔大学 基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置
WO2017160893A1 (en) * 2016-03-14 2017-09-21 Purdue Research Foundation Spin-transfer-torque synthetic anti-ferromagnetic switching device

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015102739A2 (en) * 2013-10-18 2015-07-09 Cornell University Circuits and devices based on spin hall effect to apply a spin transfer torque with a component perpendicular to the plane of magnetic layers

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1577495A (zh) * 2003-07-24 2005-02-09 株式会社东芝 磁电阻元件、磁头和磁记录/再现装置
US7630231B2 (en) * 2004-12-30 2009-12-08 Infineon Technologies Ag Hybrid memory cell for spin-polarized electron current induced switching and writing/reading process using such memory cell
CN104704564A (zh) * 2012-08-06 2015-06-10 康奈尔大学 磁性纳米结构中基于自旋霍尔扭矩效应的电栅控式三端子电路及装置
CN107004440A (zh) * 2014-07-17 2017-08-01 康奈尔大学 基于用于有效自旋转移矩的增强自旋霍尔效应的电路和装置
CN104393169A (zh) * 2014-10-10 2015-03-04 北京航空航天大学 一种无需外部磁场的自旋轨道动量矩磁存储器
CN106252503A (zh) * 2015-06-15 2016-12-21 中国科学院物理研究所 基于反铁磁材料的超高频自旋微波振荡器
WO2017160893A1 (en) * 2016-03-14 2017-09-21 Purdue Research Foundation Spin-transfer-torque synthetic anti-ferromagnetic switching device

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