CN110828657A - 自旋阀和包含所述自旋阀的自旋电子器件 - Google Patents
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Abstract
本公开的示例性实施例提供了一种自旋阀和包括所述自旋阀的自旋电子器件。所述自旋阀可以包括依次堆叠的两个或多个磁性层，其中，所述两个或多个磁性层中的任意两个相邻磁性层具有不同的矫顽力，且所述任意两个相邻磁性层中的至少一个磁性层是范德瓦尔斯磁性层，其中，所述范德瓦尔斯磁性层是指由范德瓦尔斯磁性材料形成的磁性层。
Description
技术领域
本公开总体上涉及自旋电子学和自旋电子器件领域，具体地，涉及一种自旋阀和包含该自旋阀的自旋电子器件。
背景技术
目前使用的自旋阀的基本原理在于通过在两个磁性层之间***非磁性间隔层而磁去耦，这保证了两个磁性层的磁矩具有平行和反平行配置，从而产生磁电阻效应。这种“磁性层/间隔层/磁性层”的三明治结构中的磁电阻效应是磁传感、数据存储和处理技术的基石。基于此，促使了20多年来基于巨磁电阻(Giant Magneto Resistance，GMR)效应和隧穿磁电阻(Tunnel Magneto Resistance，TMR)效应的信息产业的蓬勃发展。然而，由于电子在穿过间隔层以及间隔层和磁性层之间的界面时难以保证自旋角动量不变，所以利用非磁性间隔层使两个磁性层去耦的自旋阀的发展受到限制。此外，三层结构的自旋阀还不利于器件的小型化。
因此，需要一种无间隔层的自旋阀和包括所述自旋阀的电子器件。
发明内容
本公开的目的在于至少解决上述问题中的一部分或全部。
本公开的一个方面提供了一种自旋阀，所述自旋阀可以包括依次堆叠的两个或多个磁性层，其中，所述两个或多个磁性层中的任意两个相邻磁性层具有不同的矫顽力，且所述任意两个相邻磁性层中的至少一个磁性层是范德瓦尔斯磁性层，其中，所述范德瓦尔斯磁性层是指由范德瓦尔斯磁性材料形成的磁性层。
在一个示例中，每个范德瓦尔斯磁性层可以由相同的范德瓦尔斯磁性材料形成。
在另一示例中，所述两个或多个磁性层中的至少一个范德瓦尔斯磁性层可以具有不同于所述两个或多个磁性层中的另一范德瓦尔斯磁性层的范德瓦尔斯材料。
在另一示例中，所述范德瓦尔斯磁性层可以由以下项中的至少一个形成：范德瓦尔斯磁性金属、范德瓦尔斯磁性半金属、范德瓦尔斯磁性半导体、范德瓦尔斯磁性超导体、范德瓦尔斯磁性绝缘体、范德瓦尔斯铁磁材料、范德瓦尔斯反铁磁材料、范德瓦尔斯面内磁各向异性材料、范德瓦尔斯面外磁各向异性材料、有机范德瓦尔斯磁性材料和无机范德瓦尔斯磁性材料。
在另一示例中，所述两个或多个磁性层中的非范德瓦尔斯磁性层可以由相同或不同的化学键键合的磁性材料形成。
在另一示例中，所述两个或多个磁性层中的非范德瓦尔斯磁性层可以由以下项中的至少一个形成：磁性金属、磁性半金属、磁性半导体、磁性超导体、磁性绝缘体、铁磁材料、反铁磁材料、面内磁各向异性材料、面外磁各向异性材料、有机磁性材料和无机磁性材料。
在另一示例中，所述两个或多个磁性层中的至少一个磁性层可以具有固定磁化方向，且其他磁性层可以具有自由磁化方向。
在另一示例中，所述自旋阀还包括钉扎层，可以设置在所述至少一个磁性层的上方和/或下方，并可以配置为固定所述至少一个磁性层的磁化方向。
本公开的另一方面提供了一种自旋电子器件，包括上述示例性实施例中的任一项所述的自旋阀。
在一个示例中，所述自旋电子器件可以是磁存储器、自旋晶体管、自旋二极管、自旋逻辑器件、自旋振荡器、磁敏传感器或温度传感器。
附图说明
图1示出了传统自旋阀的典型三层结构的侧视图；
图2示出了根据本公开示例性实施例的无间隔层自旋阀的双层结构的侧视图；
图3示出了根据本公开示例实施例的包括钉扎层的自旋阀的结构的侧视图；
图4示出了传统多态自旋阀的多层结构的侧视图；
图5示出了根据本公开示例性实施例的无间隔层多态自旋阀的多层结构的侧视图；以及
图6示出了根据本公开示例性实施例的无间隔层多态自旋阀的多层结构的材料组成的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
在使用类似于“使A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。在使用类似于“系、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的***”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的***等)。
本公开提出了一种无间隔层的自旋阀。根据本公开示例性实施例的自旋阀可以包括依次堆叠的两个或多个磁性层，其中，所述两个或多个磁性层中的任意两个相邻磁性层具有不同的矫顽力，且所述任意两个相邻磁性层中的至少一个磁性层是范德瓦尔斯磁性材料形成的磁性层。
矫顽力是指使磁性材料在被饱和磁化后使其磁感应强度退回到零所需施加的磁场大小。通常，磁性材料在被饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度并不退到零，且只有在原磁场相反方向施加一定大小的磁场才能使其磁感应强度退回到零。矫顽力与磁性材料的成分、厚度、形状等有关。
范德瓦尔斯磁性材料是指分子或原子之间依靠范德瓦尔斯力结合的材料。对于范德瓦尔斯磁性材料而言，可以具有良好键合的电子的界面。由于范德瓦尔斯力往往较弱，因此利用范德瓦尔斯磁性材料制成的磁性层与另一磁性层之间不需要间隔层来去耦合，并且通过利用范德瓦尔斯磁性材料形成没有直接化学键的同质或异质结，使得避免了相关的混杂效应和缺陷诱导的束缚态，从而能够表现出超过由化学键键合的传统磁性多层膜体系的性能。
在本文中，由范德瓦尔斯磁性材料形成的磁性层可以称为范德瓦尔斯磁性层，且由除了范德瓦尔斯磁性材料之外的磁性材料形成的磁性层可以称为非范德瓦尔斯磁性层。
图2和图5分别示出了根据本公开示例性实施例的无间隔层自旋阀的示例结构，且图1和图4分别示出了与图2和图5相对应的传统自旋阀的示例结构。图3示出了根据本公开示例性实施例的包括钉扎层的自旋阀的示例结构。另外，图6示出了根据本公开示例性实施例的无间隔层自旋阀的多层结构的材料组成的示意图。以下，将详细参考附图描述本公开的实施例。
图1示出了传统自旋阀100的典型三层结构的侧视图。如图1所示，传统自旋阀100具有“磁性层-间隔层-磁性层”的三明治结构，其中间隔层120位于磁性层110和磁性层130之间并用于磁去耦。如上所述，间隔层的引入可能使得电子自旋动量在穿过间隔层以及间隔层与磁性层之间的上下界面时发生自旋散射，导致电子自旋动量发生改变等问题。
图2示出了根据本公开示例性实施例的无间隔层自旋阀200的结构的侧视图。
参照图2，无间隔层自旋阀200可以包括第一磁性层210和设置在所述第一磁性层210下方的第二磁性层230。与图1所示的传统自旋阀100不同，本实施例的自旋阀的磁性层之间没有间隔层，这是因为在本实施例中第一磁性层210和第二磁性层230之一或其二者可以是由范德瓦尔斯磁性材料形成的。
在一个实施例中，第一磁性层210和第二磁性层230可以是由同种范德瓦尔斯磁性材料形成的但具有不同矫顽力(coercive force)的两个磁性层。矫顽力是指使磁性材料在被饱和磁化后使其磁感应强度退回到零所需施加的磁场大小。通常，磁性材料在被饱和磁化后，当外磁场退回到零时其磁感应强度并不退到零，且只有在原磁场相反方向施加一定大小的磁场才能使其磁感应强度退回到零。矫顽力与磁性材料的成分、厚度、形状等有关。在本实施例中，由于采用同种范德瓦尔斯磁性材料来形成第一磁性层210和第二磁性层230，所以可以通过改变第一磁性层210和第二磁性层230中的至少一个的厚度、形状等来使第一磁性层210和第二磁性层230具有不同的矫顽力。
在另一实施例中，第一磁性层210和第二磁性层230可以是由不同范德瓦尔斯磁性材料形成的且具有不同矫顽力的两个磁性层。类似于上述实施例所述，不同的矫顽力支持实现不同的态，使得能够实现逻辑“0”和“1”。
此外，在再一实施例中，第一磁性层210和第二磁性层230中的仅一个磁性层是由范德瓦尔斯磁性材料形成的，且另一磁性层是由共价键键合的或化学键键合的磁性材料形成的，使得两个磁性层之间具有不同矫顽力。
无论第一磁性层210和第二磁性层230是以上述哪种形式配置的，第一磁性层210和第二磁性层230都需具有不同的矫顽力。在这种情况下，可以通过施加外加磁场来使第一磁性层210和第二磁性层230的磁矩具有平行配置和反平行配置，从而产生高低磁阻，使得能够实现逻辑“0”和“1”的两个不同态。具体地，在一些实施例中，可以使第一磁性层210和第二磁性层230中的一个磁性层具有固定磁化方向，而使另一磁性层可以具有自由磁化方向，从而通过调节该另一磁性层的磁化方向来使两个层的磁化方向具有平行和反平行配置，以形成不同的两个态。当需要将某个磁化层实现为具有固定磁化方向的磁化层时，该自旋阀还可以附加地包括钉扎层(pinning layer)，以固定该磁性层的磁化方向，如图3所示。
图3示出了根据本公开示例实施例的包括钉扎层的自旋阀的结构的侧视图。如图3所示，钉扎层350设置在磁性层330的下方，以用于固定磁性层330的磁化方向。本领域技术人员应该清楚，钉扎层的位置不限于此，实际上，可以根据需要将钉扎层设置在需要固定磁化方向的磁性层的上方和/或下方。另外，可以应用已知的或将来可知的各种钉扎材料(例如，氧化镍)来形成钉扎层。
应注意的是上述本公开示例性实施例中所采用的范德瓦尔斯磁性材料可以实现为范德瓦尔斯磁性金属、范德瓦尔斯磁性半金属、范德瓦尔斯磁性半导体、范德瓦尔斯磁性超导体和范德瓦尔斯磁性绝缘体中的至少一个或其混合物；或可以实现为范德瓦尔斯铁磁材料和/或范德瓦尔斯反铁磁材料；或可以实现为范德瓦尔斯面内和面外磁各向异性材料等。在只有一个磁性层是由上述范德瓦尔斯磁性材料形成的实施例中，另一磁性层可以是由任何磁性材料形成的，例如磁性金属、半金属、半导体、超导体、绝缘体、铁磁材料、反铁磁材料、面内和面外磁各向异性材料等中的任一个或其组合。
尽管以上参考图1至图3以自旋阀包括两个磁性层为例示出了本发明构思，但是本发明不限于此，且本发明构思还可用于多态自旋阀。
图4示出了传统多态自旋阀400的多层结构的侧视图。
类似于图1，图4所示的多态自旋阀400包括多个磁性层，例如，磁性层410、430和450；以及多个间隔层，例如，间隔层420和440，其中每个间隔层位于相邻的两个磁性层之间，以使相邻的两个磁性层之间去耦。在多态自旋阀400中，通过使多个磁性层410、430和450中的每一个的磁矩具有平行配置和/或反平行配置来实现多态。
图5示出了根据本公开示例性实施例的无间隔层多态自旋阀500的多层结构的侧视图。
如图5所示，类似于图2所示的无间隔自旋阀200，根据本公开示例性实施例的无间隔层多态自旋阀500可以包括依次堆叠的多个磁性层510、530、550和570等，其中相邻两个磁性层中的至少一个是由范德瓦尔斯磁性材料形成的，且相邻两个磁性层具有不同的矫顽力。可以看出，与图4所示的多态自旋阀400不同，多态自旋阀500的磁性层之间没有间隔层。
图6示出了根据本公开示例性实施例的无间隔层多态自旋阀600的多层结构的材料组成的示意图。
具体而言，在相邻两个磁性层二者都由范德瓦尔斯磁性材料形成的情况下，它们可以是由相同的范德瓦尔斯磁性材料形成的且具有不同矫顽力的两个磁性层，如磁性层670和磁性层690。备选地，它们也可以是由不同的范德瓦尔斯磁性材料形成的并具有不同矫顽力的两个磁性层，如磁性层650和670。
在相邻两个磁性层中的一个磁性层是由范德瓦尔斯磁性材料形成的情况下，另一磁性层可以由普通磁性材料(例如共价键或化学键键合的磁性材料)形成，以形成具有不同矫顽力的磁性层，如图6的磁性层630和650，或磁性层630和610。该普通磁性材料可以是除了范德瓦尔斯磁性材料之外的任何磁性材料，例如，有机磁性材料、无机磁性材料、磁性金属、半金属、半导体、超导体、绝缘体、铁磁材料、反铁磁材料、面内和面外磁各向异性材料等中的任一个或其组合。
在图6所示的无间隔层多态自旋阀600中，相邻磁性层中的至少一个或其二者可以具有自由磁化方向，这样使得可以通过施加外加磁场来使相邻磁性层的磁矩具有平行配置和反平行配置，以实现逻辑多态。当多个磁性层610至690中的一部分磁性层可以实现为具有固定磁化方向的磁性层且另一部分可以实现为具有自由磁化方向的磁性层时，可以通过控制外加磁场来使具有自由磁化方向的磁化层具有特定磁化方向。在一个实施例中，当需要将一部分磁化层实现为具有固定磁化方向的磁化层时，该自旋阀还可以附加地包括钉扎层，以便固定这些磁性层的磁化方向。以上已经参考图3对钉扎层进行描述，因此，在此将不再进行赘述。
以上描述了根据本公开示例性实施例的无间隔层自旋阀。如上所述，根据本公开示例性实施例的无间隔层自旋阀的相邻磁性层之间不存在磁耦合，无需***间隔层使相邻磁性层磁去耦，从而避免由引入间隔层所带来的一系列技术和工艺问题。因此，根据本公开的示例性实施例的无间隔层自旋阀对磁传感、数据存储和处理技术及相关信息工业的发展具有十分重要的意义。应注意，附图中磁性层的厚度、形状和层数等都是为了对本公开进行说明而示意性示出地，并非限制性的。本公开不限于此，且可以包括其他厚度、形状和层数等的磁性层。
根据本公开的示例性实施例的无间隔层自旋阀可以用于制造各种自旋电子器件，包括但不限于磁存储器、自旋晶体管、自旋二极管、自旋逻辑器件、自旋振荡器、磁敏传感器或温度传感器等器件。根据本公开的示例性实施例的自旋电子器件可以应用到传统GMR自旋阀或TMR磁性隧道结所能应用到的所有场景。因此，这里不对这些具体应用进行一一详细描述。
应理解，由于不需要间隔层，所以相较于包括传统自旋阀的自旋电子器件，根据本公开示例性实施例的包括无间隔层自旋阀的自旋电子器件不仅尺寸小、集成度高，而且还性能稳定且寿命长。
此外，在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。这里使用的词语“一”、“一个(种)”和“该”等也应包括“多个”、“多种”的意思，除非上下文另外明确指出。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
本领域技术人员可以理解，术语“第一”和“第二”等的序数词可以修饰多种要素。然而，这种要素不受限于上述词句。例如，上述术语不限制要素的顺序和/或重要性。上述术语仅用于区分一个要素与另一要素。例如，可以将第一要素称为第二要素，类似地，也可以将第二要素称为第一要素，而不脱离本公开的范围。
这里描述了一些示例性实施例，仅通过实施例的形式对本发明进行说明，而非限制本发明的保护范围。正如本领域的专业技术人员容易理解的那样，凡根据本发明的构思和精神进行的任何形式和细节上的修改、变化或等同替换所实现的技术，皆应包含在本发明保护范围之内。本发明保护范围由所附权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种自旋阀，包括依次堆叠的两个或多个磁性层，
其中，所述两个或多个磁性层中的任意两个相邻磁性层具有不同的矫顽力，且所述任意两个相邻磁性层中的至少一个磁性层是范德瓦尔斯磁性层，
其中，所述范德瓦尔斯磁性层是指由范德瓦尔斯磁性材料形成的磁性层。
2.根据权利要求1所述的自旋阀，其中，每个范德瓦尔斯磁性层由相同的范德瓦尔斯磁性材料形成。
3.根据权利要求1所述的自旋阀，其中，所述两个或多个磁性层中的至少一个范德瓦尔斯磁性层具有不同于所述两个或多个磁性层中的另一范德瓦尔斯磁性层的范德瓦尔斯材料。
4.根据权利要求1所述的自旋阀，其中，所述范德瓦尔斯磁性层由以下项中的至少一个形成：范德瓦尔斯磁性金属、范德瓦尔斯磁性半金属、范德瓦尔斯磁性半导体、范德瓦尔斯磁性超导体、范德瓦尔斯磁性绝缘体、范德瓦尔斯铁磁材料、范德瓦尔斯反铁磁材料、范德瓦尔斯面内磁各向异性材料、范德瓦尔斯面外磁各向异性材料、有机范德瓦尔斯磁性材料和无机范德瓦尔斯磁性材料。
5.根据权利要求1所述的自旋阀，其中，所述两个或多个磁性层中的非范德瓦尔斯磁性层由相同或不同的化学键键合的磁性材料形成。
6.根据权利要求1所述的自旋阀，其中，所述两个或多个磁性层中的非范德瓦尔斯磁性层由以下项中的至少一个形成：磁性金属、磁性半金属、磁性半导体、磁性超导体、磁性绝缘体、铁磁材料、反铁磁材料、面内磁各向异性材料、面外磁各向异性材料、有机磁性材料和无机磁性材料。
7.根据权利要求1所述的自旋阀，其中，所述两个或多个磁性层中的至少一个磁性层具有固定磁化方向，且其他磁性层具有自由磁化方向。
8.根据权利要求7所述的自旋阀，还包括钉扎层，设置在所述至少一个磁性层的上方和/或下方，并配置为固定所述至少一个磁性层的磁化方向。
9.一种自旋电子器件，包括权利要求1至8中的任一项所述的自旋阀。
10.根据权利要求9所述的自旋电子器件，其中，所述自旋电子器件是磁存储器、自旋晶体管、自旋二极管、自旋逻辑器件、自旋振荡器、磁敏传感器或温度传感器。
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