[发明专利]基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件

说明书

本申请涉及一种基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件。该存储器件包括：半金属层、缓冲层和铁磁层；所述缓冲层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述缓冲层与所述铁磁层的接触面，相对于与所述半金属层的接触面的倾斜度为15°‑20°，所述铁磁层的厚度由一边向对应的对边呈线性递增或递减，使所述铁磁层与所述缓冲层的接触面，相对于所述半金属层的倾斜度为15°‑20°，所述铁磁层的表面相对于所述半金属层的倾斜度为10°‑15°，所述半金属层采用的材料为Weyl半金属，可以增加磁性作用，并产生室温下稳定的斯格明子，可在室温下形成斯格明子存储器件，从而降低了存储器件的运行功耗，极大提高存储器件的稳定性和运行速度。

技术领域

本申请涉及电子技术领域，特别是涉及一种基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件。

背景技术

二十世纪以来，人们对存储器的要求越来越高：追求存储器体积变小，存储量变大，读写变快，数据存储更稳定，功耗更小。在计算机的信息处理中，输入的原始数据、中间运行结果和最终运行结果都会保存在存储器里。

近年来，磁性斯格明子由于具有拓扑保护、尺寸小、驱动电流密度低等特性逐渐受人们重视，有望作为未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的信息载体。磁性斯格明子是一种具有准粒子特性的螺旋状手性磁结构，这种非拓扑平庸的准粒子可稳定存在于手性磁体中。需要获得磁性斯格明子，就离不开Dzyaloshinskii-Moria相互作用，这种简称为D-M的相互作用(D-MInteraction，DMI)又被称为反对称交换作用，描述的是临近磁矩之间的一种磁交换相互作用。典型的临近磁矩之间的磁交换相互作用是海森堡交换作用，它使得临近的两个电子的自旋磁矩总是平行或反平行排列。比如，铁磁性材料中磁矩由于海森堡相互作用而指向相同的方向，即平行排列时体系能量最低。

关于磁性斯格明子的研究主要集中在两类材料：第一类是具有非中心对称结构的块体材料，在这类材料中，D-M的相互作用起源于晶体结构的对称性破缺,趋向形成Bloch型磁性斯格明子，这类磁性斯格明子通常存在于低温或接近室温的环境；第二类材料是重金属/铁磁金属薄膜异质结，在这类材料中，D-M的相互作用起源于界面反演对称性破缺，趋向形成Néel型磁性斯格明子，目前只能在低温下稳定存在。

首次在多层膜材料中观察到室温磁性斯格明子是2015年，Gong Chen等人在Cu/Ni/Cu/(Fe/Ni)多层膜体系中通过层间交换耦合作用调控生成无外磁场辅助的Néel型磁性斯格明子。15ML的Ni层由于层间交换耦合在Fe(2ML)/Ni(2ML)层产生一个垂直膜面方向的有效垂直磁场，通过调控无磁性的Cu层厚度到一个合适的值(～8.6ML)，从而生成磁性斯格明子，尺寸约400nm，并利用自旋极化低能电子显微镜检测了其自旋构型为Néel型磁性斯格明子，

在人造薄膜材料中，金属层与其上方的铁磁薄膜层在界面处磁性原子与金属原子间具有很强的自旋-轨道耦合作用，从而在界面处产生D-M的相互作用，有利于磁性斯格明子的生成。传统晶体材料的界面处的Rashba效应不够强，导致翻转不够迅速，Rashba效应被普遍认为是构建全自旋器件，产生磁性斯格明子的重要效应，Rashba效应主要描述在对称破缺的薄膜结构或者反演不称性的晶体材料的界面处，自旋轨道耦合效应导致了传导电子不同自旋取向的能级发生劈裂，其结果是传导电子的自旋角动量会优先地向某一特定方向弛豫，从而传导电子发生自旋极化现象，在薄膜异质结构中，Rashba效应的存在使得人们可以利用纯电学方法产生自旋极化电流，并进一步可以通过Rashba效应产生的自旋轨道力矩调控磁性材料的磁化状态。

因此，传统铁磁薄膜层产生的D-M的相互作用一般低于临界值，只能在低温下产生稳定的磁性斯格明子，无法保持常温下稳定的磁性斯格明子，使得磁性斯格明子在存储器件领域无法得到应用，而传统的磁性随机存储器件稳定性差的问题。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够提高存储器件稳定性的基于磁性多层膜结构的斯格明子存储器件。