CN113782668B - 一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件及其实现方法。本发明通过源漏电极通入直流的写入电流，产生面外的轨道磁矩的极化，进而产生面外反阻尼矩效应，在面外反阻尼矩效应下无需额外的磁场辅助就能够实现垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化翻转，称为轨道转移矩；撤去写入电流后垂直磁各向异性自由铁磁层保持改变后的磁化状态，从而具有非易失性；通过源漏电极通入直流的读取电流，通过测量电极得到异质结的霍尔电阻，从而反应垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化状态；改变写入电流方向，实现反向的轨道转移矩，从而使得垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化反向翻转；轨道转移矩实现磁化翻转所需的临界电流更小，从而可以大大降低器件的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及凝聚态物理的自旋电子学领域，具体涉及一种无需外磁场辅助的垂直磁各向异性磁化翻转器件及其实现方法。
背景技术
自旋电子学(spintronics)利用电子的自旋和磁矩自由度，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩输运。自旋电子学是一门新兴的学科和技术，在硬盘磁头、磁随机存储器、自旋场发射晶体管及自旋发光二极管等方面均有应用潜力。在自旋电子学领域，一个重要的发现即巨磁电阻效应(Giant Magnetoresistance)。巨磁电阻效应指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时存在巨大变化的现象。它通常产生于层状的磁性薄膜结构中。该结构即磁隧穿结，具体包含两个铁磁层，两个铁磁层之间则通过一个绝缘体薄膜分开。当两个铁磁层磁化方向相同时，载流子受到的与自旋相关的散射最小，体系的隧穿电阻处于低电阻状态；而当二者磁化方向相反时，载流子受到的与自旋相关的散射最大，隧穿电阻处于高电阻状态。巨磁电阻效应已经被成功应用于硬盘磁头，具有重要的商业价值。巨磁电阻效应从物理发现（1995 年发现20%的室温隧穿磁电阻效应）到材料制备和2005 年基于巨磁电阻效应的磁读出头器件大规模生产化（>270 Gbit/inch2）仅用了不到 10 年时间。从 1997年至今，基于以上巨磁电阻效应的磁读出头产品及其硬磁盘已经被广泛地应用到网络服务器和台式计算机、手提电脑、数字照相机以及MP3、MP4 等音乐播放器中，显著促进了计算机和信息技术的进步。正因为如此，2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻效应的发现者Albert Fert和Peter Grunberg，以表彰他们为当代凝聚态物理和信息材料科学发展做出的贡献。
但是，要实现巨磁电阻效应，就必须改变磁性薄膜结构中自由铁磁层的磁化状态。在过去，人们通过外加磁场来实现磁化状态的改变，但外加磁场往往意味着较大的功耗，同时增加了器件的复杂度，限制了器件的应用范围。1996年，Slonczewski和Berger在理论上分别独立地提出一种新的自旋相关效应—电流诱导的磁化翻转效应，即不通过外加磁场，而是通过注入自旋极化电流，使得铁磁层的磁化方向改变，甚至发生翻转。利用电流效应实现磁化翻转的技术对于巨磁电阻效应的实际应用十分重要。自此，利用电流效应实现磁化的翻转就成为了自旋电子学领域的一个重要议题，这一技术将在读写磁头、磁存储单元和自旋逻辑器件等方面都有着重要应用价值。
目前在自旋电子学领域，利用电流实现磁化翻转共有三种主流的方式。
1. 早期的巨磁电阻效应应用中，利用电流产生的磁场来实现自由铁磁层磁化的翻转，但这种方式存在功耗高，难以在纳米级器件中应用及电路设计复杂等等缺陷。
2. 相比于利用磁场进行磁化的翻转，自旋转移矩(spin-transfer torque, STT)作为一种新的技术则通过自旋极化的电流而非电流产生的奥斯特场来实现磁化翻转。电流流过磁性层时，电流将被极化，形成自旋极化电流。在磁隧穿结中通入电流，电子将自旋动量传递给自由层的磁矩，使自由铁磁层的磁矩获得自旋动量后改变方向，实现磁化的翻转。利用电流效应实现磁化翻转的一个重要应用场景即读写磁头。当利用自旋转移矩技术时，由于写入和读取信息时都需要在隧穿结中通入电流，故存在读写路径不分离和写入电流较大，导致绝缘层焦耳热积累严重，从而耐用性差等缺点。
3. 科学家们进一步提出了利用材料的自旋轨道耦合效应实现自旋轨道矩(spin-orbit torque, SOT)，进行磁化的翻转，成功的实现了读写路径的分离，且相比于自旋转移矩，自旋轨道矩是一种速度更快、密度更高、效率更高的存储技术。自旋轨道矩指基于材料的强自旋轨道耦合(Spin-Orbit Coupling, SOC)，利用电荷流诱导的自旋流来产生自旋转移力矩，进而达到调控磁性存储单元的目的。一般材料中，电子是自旋简并的；当存在自旋轨道耦合时，电子运动过程中会受到自旋轨道耦合产生的等效磁场的作用。不同自旋方向的电子受到等效磁场方向不同进而产生分流。当电流流过时，部分电流会转化为横向的净自旋流，自旋流自旋极化方向、电流方向和自旋流方向互为90°。流动的电荷电流会产生垂直于电荷流动方向的自旋流，也就是自旋霍尔效应，从而产生自旋轨道矩。当电流反向时，自旋极化也会反向，从而使得自旋轨道矩反向，产生对自由铁磁层磁矩相反的作用。在某些对称性破缺的二维体系中(特别是异质结的二维界面体系中，界面中的电子们周围的环境上下不一样)，电子不再自旋简并，该体系的等效哈密顿量出现跟自旋轨道耦合相关的额外项，和自旋霍尔效应类似，同样涉及电流和自旋流的转换，称之为Rashba-Edelstein效应,这种效应也会产生自旋轨道矩。
2009年，人们在半导体(Ga,Mn)As中首次观测到了自旋轨道矩效应，并且发现转矩来自于闪锌矿晶体结构所特有的Dresselhaus自旋轨道耦合作用。一年后，有报道指出在Pt/Co/AlOx 中探测到了由界面Rashba效应引起的自旋轨道矩。一些重金属，如Pt，本身具有较强的自旋轨道耦合，会产生自旋霍尔效应，从而也会具有自旋轨道矩效应。此外，在拓扑绝缘体表面也发现了这种自旋轨道矩，这里的自旋轨道耦合作用主要来源于拓扑绝缘体特有的无能隙狄拉克型表面态。
目前，自旋轨道矩的概念已在磁记忆、运算、存储器件等领域展现出巨大的前景。此外，自旋轨道矩在低能耗的微波震荡器和自旋逻辑器件中也具有很大的应用价值。自旋轨道矩为实现微波震荡电路提供了一种新的方式。由于其发射频率可以由电流调控，基于自旋轨道矩的微波震荡器通常会拥有超宽的频率范围。因此，自旋轨道矩在无线通信和感应器件领域也有着巨大的应用潜力，比如，空间通信、高速射频广播、车辆雷达应用和健康安全领域等等。
自旋轨道矩虽存在诸多优势，但其实际应用依然存在着诸多挑战。其中最关键的科学问题是自旋轨道矩与垂直磁各向异性磁化翻转的不兼容性。面内磁各向异性材料难以进一步缩小至纳米尺度，不利于高密度的器件集成，而垂直磁各向异性的磁化翻转具有快速翻转和高度可集成性的优势，因而垂直磁各向异性的磁化翻转将是未来应用的主流选择。目前，大多数对于自旋轨道矩相关原理的研究利用电流产生面内的反阻尼矩实现确定性的垂直磁各向异性磁化翻转，此时，要实现确定性的垂直磁各向异性磁化翻转还需要额外施加与电流平行的外磁场破坏体系对称性或引入结构的不对称性进行辅助翻转。对于这一机制，临界的反阻尼矩需满足
，这里
即临界面内反阻尼矩，
为旋磁比，
为垂直磁各向异性场。这种机制是目前自旋轨道矩的主流研究方向，无论是重金属的自旋霍尔效应，还是界面的Rashba-Edelstein效应或者拓扑绝缘体表面态，其实现确定性垂直磁各向异性的磁化翻转均是通过面内的反阻尼矩，故都需要外加磁场或复杂的结构设计来辅助翻转的实现。
除了利用面内反阻尼矩，如果可以实现自旋流的面外反阻尼矩，就可以实现无需外磁场辅助的垂直磁各向异性磁化翻转。但是，要实现面外反阻尼矩，所需的对称性条件非常苛刻，对于常见的自旋轨道矩体系，即重金属，界面Rashba效应和拓扑绝缘体来说，其对称性都不满足实现面外反阻尼矩的条件。反阻尼矩的具体形式满足
，这里
为反阻尼矩，
为磁化的方向，
为电流自旋或轨道磁矩的极化方向。从这一公式就可以看出，要实现面外的反阻尼矩，就必须实现面外的
。而对于重金属的自旋霍尔效应，界面的Rashba-Edelstein效应或者拓扑绝缘体表面态，其电流所产生的自旋（磁矩）极化都是沿着面内方向，即
是面内的，故在这些体系中，反阻尼矩也是面内的。事实上，要通过电子自旋的Edelstein效应实现面外极化是非常困难的，只有在一些非常特殊的体系（如具有warping效应的拓扑绝缘体）中才有可能出现。但其实现的条件往往非常苛刻或需要精细调节，难以产生实际应用。因此，自旋轨道矩与垂直磁各向异性磁化翻转的不兼容性为其应用带来了挑战。
综上所述，目前利用电流效应实现磁化翻转的三种主流方式，即电流诱导的奥斯特场，自旋转移矩及自旋轨道矩都在实际应用中面临着挑战。利用电流产生的奥斯特场实现磁化翻转会造成器件复杂度增加；而自旋转移矩则面临读写电流路径不分离，从而器件耐用性差的问题；自旋轨道矩实现了读写电流路径分离，但又需要外磁场辅助来实现垂直磁各向异性的磁化翻转。
发明内容
针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件及其实现方法，采用轨道转移矩(orbit-transfer torque, OTT)来实现垂直磁各向异性磁化翻转，其无需外磁场辅助或复杂的非对称结构设计，同时保留了自旋轨道矩读写路径分离、高效及高速翻转的优势。
本发明的一个目的在于提出一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件。
本发明的基于轨道转移矩的磁化翻转器件包括：衬底、绝缘介质层、源漏电极、测量电极、异质结、顶栅和背栅；其中，在衬底的正面形成绝缘介质层；在衬底的背面形成背栅；在绝缘介质层上形成源漏电极和一对测量电极，源漏电极互相平行，一对测量电极互相平行，且源漏电极与一对测量电极互相垂直，源漏电极和一对测量电极构成十字交叉型的底电极；在底电极上形成异质结，异质结包括二维层状二阶非线性霍尔效应层和垂直磁各向异性自由铁磁层，二维层状二阶非线性霍尔效应层采用具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料存在周期性晶格势，其中的电子以准粒子的形式发挥作用，即布洛赫电子，布洛赫电子形成布洛赫波包，布洛赫波包具有绕自身旋转的角动量，从而使得电子在具有自旋磁矩之外，具有一个额外的轨道磁矩，轨道磁矩由于二维维度限制排列在面外方向，并且二维层状二阶非线性霍尔效应层属于具有非零的贝利曲率偶极矩的二维体系；异质结与底电极中的每一个电极均有接触；在异质结上形成顶栅，顶栅包括底部的绝缘层和在绝缘层上的顶部电极；顶栅的绝缘层需完全覆盖异质结，以实现封装；顶栅的顶部电极覆盖异质结的沟道，即顶部电极覆盖电流流经异质结的通路；背栅连接至第一直流电压源的正极，第一直流电压源的负极接地，顶栅的顶部电极连接至第二直流电压源的正极，第二直流电压源的负极接地；源电极连接至电流源的正极，电流源的负极接地，漏电极接地；一对测量电极分别连接至电压表的正负极；
第一直流电压源施加背栅电压VB，使得在背栅和异质结的下表面之间形成电势差，第二直流电压源施加顶栅电压VT，使得顶栅的顶部电极和异质结的上表面之间形成电势差；通过背栅和顶栅的场效应调节异质结的载流子浓度，并且在异质结的上下表面分别引入非均衡的电荷分布，从而在异质结中引起一个垂直于异质结表面的面外电场，通过背栅电压VB和顶栅电压VT调节异质结的载流子浓度和面外电场，使得二维层状二阶非线性霍尔效应层具有最大的贝利曲率偶极矩；电流源通过源漏电极通入直流的写入电流Ip，在二维层状二阶非线性霍尔效应层的贝利曲率偶极矩与写入电流共同作用下产生面外的轨道磁矩的极化，轨道磁矩的极化方向与写入电流的方向有关，轨道磁矩的极化产生面外反阻尼矩效应，这种基于轨道磁矩的面外反阻尼矩称为轨道转移矩，这一面外反阻尼矩同时与写入电流和贝利曲率偶极矩成线性关系，当写入电流的方向与贝利曲率偶极矩平行时，产生的面外反阻尼矩最大；在面外反阻尼矩效应下无需额外的磁场辅助就能够实现垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化翻转，即实现了基于轨道转移矩的垂直磁各向异性磁化翻转；撤去写入电流，由于垂直磁各向异性自由铁磁层具有回滞特性，撤去写入电流后垂直磁各向异性自由铁磁层保持改变后的磁化状态，从而具有非易失性；电流源通过源漏电极通入直流的读取电流i，电压表通过测量电极得到异质结的霍尔电阻，从而得到垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化状态；改变写入电流的方向，即电流源通过源漏电极通入写入电流-Ip，使得轨道磁矩的极化方向反向，实现反向的轨道转移矩，从而使得垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化反向翻转。
非线性霍尔效应指在满足时间反演对称的条件下，测量的霍尔电压与驱动电流的平方成正比。通常测量中利用标准的锁相技术进行测量——通入频率为 
的交流电流，然后通过锁相技术测量频率为
的交流霍尔电压，若可测得非零的霍尔电压，且霍尔电压幅值与驱动电流幅值之间满足二次方的依赖关系，即实现了非线性霍尔效应；垂直磁各向异性自由铁磁层采用具有垂直磁各向异性的层状铁磁材料。
在二维体系中，由于二维平面的限制，使得自旋磁矩依然能够在面内排列，但轨道磁矩却由于维度限制在面外方向排列。电流诱导轨道磁矩极化产生面外的反阻尼矩，此时确定性的垂直磁各向异性磁化翻转无需额外的磁场辅助即可实现。这一基于轨道磁矩的面外反阻尼矩在原理上完全不同于自旋轨道矩——后者是由于自旋的极化所引起，因此本发明将这一基于轨道磁矩的面外反阻尼矩称为轨道转移矩。更进一步，固体中布洛赫电子的轨道磁矩与其波函数的几何相位曲率——贝利曲率紧密联系在一起。当存在粒子-空穴对称性时，轨道磁矩与贝利曲率呈现简单的成比例关系。要实现电流诱导的轨道磁矩极化，就等价于要实现电流诱导的贝利曲率极化。贝利曲率偶极矩的概念正可以用来描述贝利曲率在电流作用下的极化效应。故对于具有非零贝利曲率偶极矩的二维体系，就可以实现电流诱导的面外轨道磁矩极化，从而实现基于轨道转移矩效应的垂直磁各向异性磁化翻转。具有非零贝利曲率偶极矩D的体系，在电场E的作用下，会产生宏观轨道磁化
，其中
是指向面外方向的单位矢量。在轨道磁化M的作用下，就可以实现面外反阻尼矩，即轨道转移矩。贝利曲率偶极矩的一个典型的输运特征即二阶非线性霍尔效应。
衬底采用导电材料，如重电子掺杂的硅衬底。
顶栅的顶部电极、背栅电极、源漏电极及测量电极均采用导电金属，如金。
二维层状二阶非线性霍尔效应层采用双层二碲化钨WTe2、应变双层石墨烯、单轴应变的单层二碲化钨WSe2和空间反演对称性破缺的外尔（Weyl）半金属（厚度50-100 nm的钽铱碲TaIrTe4或厚度4-8 nm的二碲化钼MoTe2）中的一种；垂直磁各向异性层状铁磁层采用薄层铁锗碲Fe3GeTe2（厚度4-10 nm）、二碲化铬CrTe2（厚度2-8 nm）和三碘化铬CrI3（厚度2-8 nm且奇数层）中的一种。
写入电流Ip需要大于异质结中能够实现垂直磁各向异性磁化翻转的临界电流Ic，在不同的具体体系中，Ic值不同，通常在mA量级。读取电流i远小于临界电流Ic，通常取
量级。
本发明的另一个目的在于提出一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件的实现方法。
本发明的基于轨道转移矩的磁化翻转器件的实现方法，包括以下步骤：
1)器件制备：
a)提供衬底，在衬底的正面形成绝缘介质层；
b)在衬底的背面形成背栅；
c)利用光刻技术和镀膜技术（包括电子束蒸镀或磁控溅射等）在绝缘介质层上形成源漏电极和一对测量电极，源漏电极互相平行，一对测量电极互相平行，且源漏电极与一对测量电极互相垂直，源漏电极和一对测量电极构成十字交叉型的底电极；
d)利用单晶生长方法、利用机械剥离方法和干法转移法得到由二维层状二阶非线性霍尔效应层和垂直磁各向异性自由铁磁层构成的异质结，将异质结转移到底电极上；二维层状二阶非线性霍尔效应层为具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料存在周期性晶格势，其中的电子以准粒子的形式发挥作用，即布洛赫电子，布洛赫电子形成布洛赫波包，布洛赫波包具有绕自身旋转的角动量，从而使得电子在具有自旋磁矩之外，具有一个额外的轨道磁矩，轨道磁矩由于二维维度限制排列在面外方向，并且二维层状二阶非线性霍尔效应层属于具有非零的贝利曲率偶极矩的二维体系；异质结与底电极中的每一个电极均有接触；
e)采用转移、光刻和镀膜技术在异质结上形成顶栅，顶栅包括底部的绝缘层和在绝缘层上的顶部电极；顶栅的绝缘层需完全覆盖异质结，以实现封装；顶栅的顶部电极覆盖异质结的沟道，即顶部电极覆盖电流流经异质结的通路；
f)背栅连接至第一直流电压源的正极，第一直流电压源的负极接地，顶栅连接至第二直流电压源的正极，第二直流电压源的负极接地；源电极连接至电流源的正极，电流源的负极接地，漏电极接地；一对测量电极分别连接至电压表的正负极；
2)第一直流电压源施加背栅电压VB，使得在背栅和异质结的下表面之间形成电势差，第二直流电压源施加顶栅电压，使得顶栅的顶部电极和异质结的上表面之间形成电势差；通过背栅和顶栅的场效应调节异质结的载流子浓度，并且在异质结的上下表面分别引入非均衡的电荷分布，从而在异质结的表面引起一个垂直于异质结表面的面外电场；通过背栅电压VB和顶栅电压VT调节异质结的载流子浓度和面外电场，使得二维层状二阶非线性霍尔效应层具有最大的贝利曲率偶极矩；
3)电流源通过源漏电极通入直流的写入电流Ip，在二维层状二阶非线性霍尔效应层的贝利曲率偶极矩与写入电流共同作用下产生轨道磁矩的极化，轨道磁矩的极化方向与写入电流的方向有关，轨道磁矩的极化产生面外反阻尼矩效应，这种基于轨道磁矩的面外反阻尼矩称为轨道转移矩，这一面外反阻尼矩同时与写入电流和贝利曲率偶极矩成线性关系，当写入电流的方向与贝利曲率偶极矩平行时，产生的面外反阻尼矩最大；在面外反阻尼矩效应下无需额外的磁场辅助就能够实现垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化翻转，即实现了基于轨道转移矩的垂直磁各向异性磁化翻转；
4)撤去写入电流，由于垂直磁各向异性自由铁磁层具有回滞特性，撤去写入电流后垂直磁各向异性自由铁磁层保持改变后的磁化状态，从而具有非易失性；
5)电流源通过源漏电极通入直流的读取电流i，电压表通过测量电极得到异质结的霍尔电阻，从而得到垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化状态；
6)改变写入电流的方向，使得轨道磁矩的极化方向反向，实现反向的轨道转移矩，从而使得垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化反向翻转。
其中，在步骤1）的步骤d）中，利用单晶生长方法（如化学气相沉积、籽晶降温法、化学气相输运等）在管式炉中分别生长具有二阶非线性霍尔效应的二维层状源材料块材和垂直磁各向异性自由铁磁源材料块材，接着利用机械剥离方法分别从具有二阶非线性霍尔效应的二维层状源材料块材和垂直磁各向异性自由铁磁源材料块材剥离出具有二阶非线性霍尔效应的二维层状薄层材料和垂直磁各向异性自由铁磁薄层材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状薄层材料转移至位于第一过渡衬底上的第一过渡绝缘层上形成二维层状二阶非线性霍尔效应层，垂直磁各向异性自由铁磁薄层材料转移至第二过渡衬底上的第二过渡绝缘层上形成垂直磁各向异性自由铁磁层；再利用干法转移法得到由二维层状二阶非线性霍尔效应层和垂直磁各向异性自由铁磁层构成的异质结。
步骤2）中，贝利曲率偶极矩的大小通过测量异质结中二阶非线性霍尔效应确定，通过源漏电极通入频率为
的交流电流，幅值固定为Iac，通过测量电极测量频率为
的二阶频霍尔电压，读取二阶频霍尔电压的幅值Vac，当调节顶栅电压VT和背栅电压VB使得二阶频霍尔电压的幅值Vac最大时，即对应于贝利曲率偶极矩最大。频率
取17-100 Hz，通常取17.777 Hz以避免市电干扰。交流电流的幅值Iac取0.1 mA-0.5 mA。顶栅电压VT和背栅电压VB通常取-10 V- 10 V。
在步骤3）中，写入电流Ip大于异质结中能够实现垂直磁各向异性磁化翻转的临界电流Ic，在不同的具体体系中，Ic值不同，通常在mA量级。
本发明的优点：
本发明提供了一种新的原理来实现垂直磁各向异性的磁化翻转，即轨道转移矩。现有的三种主流方式，即电流的奥斯特效应，自旋转移矩及自旋轨道矩，都是基于电子自旋自由度实现磁化翻转，而轨道转移矩则是基于电子的轨道磁矩自由度；轨道转移矩能够同时实现器件结构简单、读写路径可分离(与磁隧穿结结合使用)以及无需外磁场辅助翻转，即相当于吸收了前述三种主流方式的优势而避免了其缺点；轨道转移矩实现垂直磁各向异性磁化翻转还具有高效、高速和高度可集成的优点；此外，由于基于轨道转移矩的垂直磁各向异性磁化翻转是利用面外的反阻尼矩，注意到临界面外反阻尼矩满足
，这里
即临界面外反阻尼矩，
为吉尔伯特阻尼参数，其通常量级为0.01.对比前述临界面内反阻尼矩满足
，所以理论上轨道转移矩实现磁化翻转所需的临界电流相比前述三种主流方式会更小，从而可以大大降低器件的功耗。
附图说明
图1为本发明的基于轨道转移矩的磁化翻转器件的一个实施例的示意图；
图2为本发明的基于轨道转移矩的磁化翻转器件的一个实施例的制备流程的示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的基于轨道转移矩的磁化翻转器件包括：衬底1、绝缘介质层2、源漏电极、测量电极、异质结、顶栅和背栅；其中，在衬底的正面形成绝缘介质层2；在衬底的背面形成背栅；在绝缘介质层上形成源漏电极和一对测量电极，源漏电极互相平行，测量电极互相平行，且源漏电极与测量电极互相垂直，源漏电极和一对测量电极构成十字交叉型的底电极3；在底电极上形成异质结，异质结包括二维层状二阶非线性霍尔效应层4和垂直磁各向异性自由铁磁层5，二维层状二阶非线性霍尔效应层采用具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，存在周期性晶格势，其中的电子以准粒子的形式发挥作用，即布洛赫电子，布洛赫电子形成布洛赫波包；布洛赫波包具有绕自身旋转的角动量，从而使得电子在具有自旋磁矩之外，具有一个额外的轨道磁矩；并且二维层状二阶非线性霍尔效应层属于具有非零的贝利曲率偶极矩的二维体系；异质结与底电极中的每一个电极均有接触；在异质结上形成顶栅，顶栅包括底部的绝缘层6和在绝缘层上的顶部电极7；顶栅的绝缘层需完全覆盖异质结，以实现封装；顶栅的顶部电极覆盖异质结的沟道，即顶部电极覆盖电流流经异质结的通路；背栅连接至第一直流电压源的正极，第一直流电压源的负极接地，顶栅的顶部电极连接至第二直流电压源的正极，第二直流电压源的负极接地；源电极连接至电流源的正极，电流源的负极接地，漏电极接地；一对测量电极分别连接至电压表的正负极。
在本实施例中，衬底采用重电子掺杂的硅衬底；绝缘介质层采用285 nm厚的SiO2；源漏电极和测量电极采用厚度2nm/8 nm的Ti/Au；顶栅的顶部电极和背栅电极采用厚度5/45 nm的Ti/Au；顶栅中的绝缘层采用h-BN（厚度20-30 nm）；二维层状二阶非线性霍尔效应层采用MoTe2（厚度4-8 nm）；垂直磁各向异性层状铁磁层采用薄层Fe3GeTe2（厚度4-10 nm）。
本发明的基于轨道转移矩的磁化翻转器件的实现方法，包括以下步骤：
1)器件制备，如图2所示：
a)提供硅材料的衬底1，在衬底的正面形成绝缘介质层2；
b)在衬底的背面形成背栅；
c)利用标准的电子束曝光和电子束镀膜技术在绝缘介质层上形成源漏电极和一对测量电极，源漏电极互相平行，测量电极互相平行，且源漏电极与测量电极互相垂直，源漏电极和一对测量电极构成十字交叉型的底电极3，如图2（a）所示；
d)利用化学气相沉积方法在管式炉中分别生长具有二阶非线性霍尔效应的二维层状源材料块材和垂直磁各向异性自由铁磁源材料块材，接着利用聚二甲基硅氧烷8(polydimethylsiloxane, PDMS)辅助的机械剥离方法分别剥离具有二阶非线性霍尔效应的二维层状源材料块材和垂直磁各向异性自由铁磁源材料块材，分别得到具有二阶非线性霍尔效应的二维层状薄层材料和垂直磁各向异性自由铁磁薄层材料，如图2（b）所示，具体做法即将需要剥离的源材料块材放置于一片PDMS上，然后反复用另一片PDMS去进行对粘，获取薄层材料，在第一过渡衬底（材料为硅）上形成第一过渡绝缘层，以及在第二过渡衬底上形成第二绝缘层，然后将具有二阶非线性霍尔效应的二维层状薄层材料和垂直磁各向异性自由铁磁薄层材料分别转移到第一过渡绝缘层和第二过渡绝缘层上，分别形成二维层状二阶非线性霍尔效应层和垂直磁各向异性自由铁磁材料薄层；采用干法转移法利用聚碳酸酯(polycarbonate, PC)膜9依次从第二过渡绝缘层和第一过渡绝缘层上粘起垂直磁各向异性自由铁磁材料薄层和二维层状二阶非线性霍尔效应层，构成异质结，并将异质结转移到底电极上，如图2（c）和图2（d）所示；二维层状二阶非线性霍尔效应层为具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，存在周期性晶格势，其中的电子以准粒子的形式发挥作用，即布洛赫电子，布洛赫电子形成布洛赫波包；布洛赫波包具有绕自身旋转的角动量，从而使得电子在具有自旋磁矩之外，具有一个额外的轨道磁矩，轨道磁矩由于二维维度限制排列在面外方向，面外方向即垂直于二维层状二阶非线性霍尔效应层的表面，垂直于表面向上或向下；并且二维层状二阶非线性霍尔效应层属于具有非零的贝利曲率偶极矩的二维体系；异质结与底电极中的每一个电极均有接触；
e)采用干法转移技术在异质结上形成顶栅的绝缘层6；顶栅的绝缘层需完全覆盖异质结，以实现封装；采用标准的电子束曝光和电子束镀膜技术在绝缘层上形成顶栅的顶部电极7，如图2（e）所示；顶栅的顶部电极覆盖异质结的沟道，即顶部电极覆盖电流流经异质结的通路；
f)背栅连接至第一直流电压源的正极，第一直流电压源的负极接地，顶栅的顶部电极连接至第二直流电压源的正极，第二直流电压源的负极接地；源电极连接至电流源的正极，电流源的负极接地，漏电极接地；一对测量电极分别连接至电压表的正负极；
2)第一直流电压源施加背栅电压VB（范围-6 V-6 V），使得在背栅和异质结的下表面之间形成电势差，第二直流电压源施加顶栅电压VT（范围-6 V-6 V），使得顶栅的顶部电极和异质结的上表面之间形成电势差；由于异质结本身是金属体系，具有很强的静电屏蔽，所以顶栅只能对异质结的上表面进行有效调节，背栅也只能对异质结的下表面进行有效调节；通过背栅和顶栅的场效应调节异质结的载流子浓度，并且在异质结的上下表面分别引入非均衡的电荷分布，从而在异质结的表面引起一个垂直于异质结表面的面外电场；通过背栅电压VB和顶栅电压VT调节异质结的载流子浓度和面外电场，使得二维层状二阶非线性霍尔效应层具有最大的贝利曲率偶极矩；贝利曲率偶极矩的大小通过测量异质结中二阶非线性霍尔效应确定，通过源漏电极通入频率为
17.777 Hz的交流电流，幅值固定为Iac=0.1 mA，通过测量电极测量频率为
的二阶频霍尔电压，读取其幅值Vac，当调节顶栅电压VT和背栅电压VB使得Vac最大时，即对应于贝利曲率偶极矩最大；
3)电流源通过源漏电极通入直流的写入电流Ip=8-10 mA，写入电流Ip大于异质结中能够实现垂直磁各向异性磁化翻转的临界电流Ic；在二维层状二阶非线性霍尔效应层的贝利曲率偶极矩与写入电流共同作用下产生轨道磁矩的极化，轨道磁矩的极化方向与写入电流的方向有关，即电流的方向反向轨道磁矩的极化方向也会反向，由向上改为向下，或由向下改为向上；轨道磁矩的极化产生面外反阻尼矩效应，这种基于轨道磁矩的面外反阻尼矩称为轨道转移矩，这一面外反阻尼矩同时与写入电流和贝利曲率偶极矩成线性关系，当写入电流的方向与贝利曲率偶极矩平行时，产生的面外反阻尼矩最大；在面外反阻尼矩效应下无需额外的磁场辅助就能够实现垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化翻转，即实现了基于轨道转移矩的垂直磁各向异性磁化翻转；
4)撤去写入电流，由于垂直磁各向异性自由铁磁层具有回滞特性，撤去写入电流后垂直磁各向异性自由铁磁层保持改变后的磁化状态，从而具有非易失性；
5)电流源通过源漏电极通入直流的读取电流i=10
，电压表通过测量电极得到异质结的霍尔电阻，从而得到垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化状态；
6)改变写入电流的方向，使得轨道磁矩的极化方向反向，实现反向的轨道转移矩，从而使得垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化反向翻转。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述基于轨道转移矩的磁化翻转器件包括：衬底、绝缘介质层、源漏电极、测量电极、异质结、顶栅和背栅；其中，在衬底的正面形成绝缘介质层；在衬底的背面形成背栅；在绝缘介质层上形成源漏电极和一对测量电极，源漏电极互相对齐，一对测量电极互相对齐；在底电极上形成异质结，异质结包括二维层状二阶非线性霍尔效应层和垂直磁各向异性自由铁磁层，二维层状二阶非线性霍尔效应层采用具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料存在周期性晶格势，其中的电子以准粒子的形式发挥作用，即布洛赫电子，布洛赫电子形成布洛赫波包，布洛赫波包具有绕自身旋转的角动量，从而使得电子在具有自旋磁矩之外，具有一个额外的轨道磁矩，轨道磁矩由于二维维度限制排列在面外方向，并且二维层状二阶非线性霍尔效应层属于具有非零的贝利曲率偶极矩的二维体系；异质结与底电极中的每一个电极均有接触；在异质结上形成顶栅，顶栅包括底部的绝缘层和在绝缘层上的顶部电极；顶栅的绝缘层需完全覆盖异质结，以实现封装；顶栅的顶部电极覆盖异质结的沟道，即顶部电极覆盖电流流经异质结的通路；背栅连接至第一直流电压源的正极，第一直流电压源的负极接地，顶栅的顶部电极连接至第二直流电压源的正极，第二直流电压源的负极接地；源电极连接至电流源的正极，电流源的负极接地，漏电极接地；一对测量电极分别连接至电压表的正负极；
第一直流电压源施加背栅电压VB，使得在背栅和异质结的下表面之间形成电势差，第二直流电压源施加顶栅电压VT，使得顶栅的顶部电极和异质结的上表面之间形成电势差；通过背栅和顶栅的场效应调节异质结的载流子浓度，并且在异质结的上下表面分别引入非均衡的电荷分布，从而在异质结中引起一个垂直于异质结表面的面外电场，通过背栅电压VB和顶栅电压VT调节异质结的载流子浓度和面外电场，使得二维层状二阶非线性霍尔效应层具有最大的贝利曲率偶极矩；电流源通过源漏电极通入直流的写入电流Ip，在二维层状二阶非线性霍尔效应层的贝利曲率偶极矩与写入电流共同作用下产生面外的轨道磁矩的极化，轨道磁矩的极化方向与写入电流的方向有关，轨道磁矩的极化产生面外反阻尼矩效应，这种基于轨道磁矩的面外反阻尼矩称为轨道转移矩，这一面外反阻尼矩同时与写入电流和贝利曲率偶极矩成线性关系，当写入电流的方向与贝利曲率偶极矩平行时，产生的面外反阻尼矩最大；在面外反阻尼矩效应下无需额外的磁场辅助就能够实现垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化翻转，即实现了基于轨道转移矩的垂直磁各向异性磁化翻转；撤去写入电流，由于垂直磁各向异性自由铁磁层具有回滞特性，撤去写入电流后垂直磁各向异性自由铁磁层保持改变后的磁化状态，从而具有非易失性；电流源通过源漏电极通入直流的读取电流i，电压表通过测量电极得到异质结的霍尔电阻，从而得到垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化状态；改变写入电流的方向，即电流源通过源漏电极通入写入电流-Ip，使得轨道磁矩的极化方向反向，实现反向的轨道转移矩，从而使得垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化反向翻转。
2.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述衬底采用导电材料。
3.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述顶栅的顶部电极、背栅电极、源漏电极和测量电极均采用导电金属。
4.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述二维层状二阶非线性霍尔效应层采用双层二碲化钨WTe2、应变双层石墨烯、单轴应变的单层二碲化钨WSe2和空间反演对称性破缺的外尔半金属中的一种；所述垂直磁各向异性层状铁磁层采用薄层铁锗碲Fe3GeTe2、二碲化铬CrTe2和三碘化铬CrI3中的一种。
5.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述写入电流大于异质结中能够实现垂直磁各向异性磁化翻转的临界电流。
6.如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件，其特征在于，所述读取电流远小于异质结中能够实现垂直磁各向异性磁化翻转的临界电流。
7.一种如权利要求1所述的基于轨道转移矩的磁化翻转器件的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1) 器件制备：
a) 提供衬底，在衬底的正面形成绝缘介质层；
b) 在衬底的背面形成背栅；
c) 利用光刻技术和镀膜技术在绝缘介质层上形成源漏电极和一对测量电极，源漏电极互相对齐，一对测量电极互相对齐；
d) 利用单晶生长方法、利用机械剥离方法和干法转移法得到由二维层状二阶非线性霍尔效应层和垂直磁各向异性自由铁磁层构成的异质结，将异质结转移到底电极上；二维层状二阶非线性霍尔效应层为具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状材料存在周期性晶格势，其中的电子以准粒子的形式发挥作用，即布洛赫电子，布洛赫电子形成布洛赫波包，布洛赫波包具有绕自身旋转的角动量，从而使得电子在具有自旋磁矩之外，具有一个额外的轨道磁矩，轨道磁矩由于二维维度限制排列在面外方向，并且二维层状二阶非线性霍尔效应层属于具有非零的贝利曲率偶极矩的二维体系；异质结与底电极中的每一个电极均有接触；
e) 采用转移、光刻和镀膜技术在异质结上形成顶栅，顶栅包括底部的绝缘层和在绝缘层上的顶部电极；顶栅的绝缘层需完全覆盖异质结，以实现封装；顶栅的顶部电极覆盖异质结的沟道，即顶部电极覆盖电流流经异质结的通路；
f) 背栅连接至第一直流电压源的正极，第一直流电压源的负极接地，顶栅连接至第二直流电压源的正极，第二直流电压源的负极接地；源电极连接至电流源的正极，电流源的负极接地，漏电极接地；一对测量电极分别连接至电压表的正负极；
2) 第一直流电压源施加背栅电压VB，使得在背栅和异质结的下表面之间形成电势差，第二直流电压源施加顶栅电压，使得顶栅的顶部电极和异质结的上表面之间形成电势差；通过背栅和顶栅的场效应调节异质结的载流子浓度，并且在异质结的上下表面分别引入非均衡的电荷分布，从而在异质结的表面引起一个垂直于异质结表面的面外电场；通过背栅电压VB和顶栅电压VT调节异质结的载流子浓度和面外电场，使得二维层状二阶非线性霍尔效应层具有最大的贝利曲率偶极矩；
3) 电流源通过源漏电极通入直流的写入电流Ip，在二维层状二阶非线性霍尔效应层的贝利曲率偶极矩与写入电流共同作用下产生轨道磁矩的极化，轨道磁矩的极化方向与写入电流的方向有关，轨道磁矩的极化产生面外反阻尼矩效应，这种基于轨道磁矩的面外反阻尼矩称为轨道转移矩，这一面外反阻尼矩同时与写入电流和贝利曲率偶极矩成线性关系，当写入电流的方向与贝利曲率偶极矩平行时，产生的面外反阻尼矩最大；在面外反阻尼矩效应下无需额外的磁场辅助就能够实现垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化翻转，即实现了基于轨道转移矩的垂直磁各向异性磁化翻转；
4) 撤去写入电流，由于垂直磁各向异性自由铁磁层具有回滞特性，撤去写入电流后垂直磁各向异性自由铁磁层保持改变后的磁化状态，从而具有非易失性；
5) 电流源通过源漏电极通入直流的读取电流i，电压表通过测量电极得到异质结的霍尔电阻，从而得到垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化状态；
6) 改变写入电流的方向，使得轨道磁矩的极化方向反向，实现反向的轨道转移矩，从而使得垂直磁各向异性自由铁磁层的磁化反向翻转。
8.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤1）的步骤d）中，利用单晶生长方法在管式炉中分别生长具有二阶非线性霍尔效应的二维层状源材料块材和垂直磁各向异性自由铁磁源材料块材，接着利用机械剥离方法分别从具有二阶非线性霍尔效应的二维层状源材料块材和垂直磁各向异性自由铁磁源材料块材剥离出具有二阶非线性霍尔效应的二维层状薄层材料和垂直磁各向异性自由铁磁薄层材料，具有二阶非线性霍尔效应的二维层状薄层材料转移至位于第一过渡衬底上的第一过渡绝缘层上形成二维层状二阶非线性霍尔效应层，垂直磁各向异性自由铁磁薄层材料转移至第二过渡衬底上的第二过渡绝缘层上形成垂直磁各向异性自由铁磁层；再利用干法转移法得到由二维层状二阶非线性霍尔效应层和垂直磁各向异性自由铁磁层构成的异质结。
9.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，步骤2）中，贝利曲率偶极矩的大小通过测量异质结中二阶非线性霍尔效应确定，通过源漏电极通入频率为ω的交流电流，通过测量电极测量频率为2ω的二阶频霍尔电压，读取二阶频霍尔电压的幅值Vac，当调节顶栅电压VT和背栅电压VB使得二阶频霍尔电压的幅值Vac最大时，即对应于贝利曲率偶极矩最大。
10.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤3）中，写入电流Ip大于异质结中能够实现垂直磁各向异性磁化翻转的临界电流Ic。
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