[发明专利]具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的单层薄膜及其制备方法，步骤S1：在衬底基片上制备厚度可控的楔形铁磁合金单层，铁磁合金包括铁磁元素和非磁元素，楔形铁磁合金单层的厚度不均一且沿薄膜面内方向单调变化；步骤S3：采用高温快速退火对楔形铁磁合金单层的各个微区域进行有序化处理；步骤S5：通过离子辐照对有序化处理后的楔形铁磁合金单层的连续区域进行辐照处理，得到铁磁合金单层薄膜。本发明制备的铁磁合金单层薄膜在无磁场辅助下实现磁化翻转，以此作为信息磁存储材料，实现单个存储单元的磁矩操作。

技术领域

本发明属于磁存储信息领域，尤其涉及一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的铁磁合金单层薄膜及其制备方法。

背景技术

信息磁存储的核心技术是利用外部技术手段（例如力、电、光、声、磁）实现磁化状态的切换。对于信息磁存储材料及芯片而言，如何操控材料中的磁矩方向是实现信息存储的基础。其中，磁场对磁性材料中磁化状态的操控由来已久。随着微纳加工技术的提高，信息磁存储单元的尺寸逐步减小到纳米量级，而如何将磁场微型化植入到纳米器件中则成为当前制约微纳存储器件发展的一大技术瓶颈。

早期，利用微纳加工形成的写入线中电流产生奥斯特磁场，从而实现单个存储单元的磁矩操控。但是，随着单位面积上的存储单元数目不断增加，磁场微型化成为了限制存储器件发展的技术难题。因此，人们在寻求改善磁场植入技术的同时，也在探索在材料设计上实现非磁技术手段调控磁化状态的方法。

针对这一问题，提出了一种利用SOT（spin-orbit torque，自旋轨道矩）实现薄膜中的磁矩翻转的方法。通常情况下，其是在重金属层中通入一个电流的同时，在垂直于重金属层膜面方向上会产生一个自旋流，从而注入到和重金属层相邻的铁磁层中，自旋流会对铁磁层中的磁矩产生力矩，从而实现自旋轨道力矩诱导的磁化翻转（磁矩状态的相互切换）。但是，目前的国内外研究结果显示，SOT诱导磁化翻转实现信息磁存储的薄膜材料均为多层膜体系，其核心为重金属层/铁磁层双层膜。由于多层膜涉及到的层厚度均为纳米级，其精确制备具有一定的挑战性和难度，这导致制备工艺复杂，生产线设备昂贵。然而对于目前单层的薄膜而言，仍需要在一定的磁场辅助下才可以实现铁磁单层的磁化翻转，因此，如何使得单层的薄膜在无磁场辅助下也可以实现磁化翻转，成为亟待解决的技术问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的铁磁合金单层薄膜及其制备方法，铁磁合金单层薄膜具有二元或者二元以上的合金，并通过一系列的结构设计、退火工艺和辐照处理等进行制备，可以在无磁场辅助下实现SOT诱导磁化翻转。

第一方面，本发明实施例提供一种具有无磁场辅助磁化翻转效应的铁磁合金单层薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1：在衬底基片上制备厚度可控的楔形铁磁合金单层，所述铁磁合金包括铁磁元素和非磁元素，所述楔形铁磁合金单层的厚度不均一且沿薄膜面内方向单调变化；

步骤S3：采用高温快速退火对所述楔形铁磁合金单层的各个微区域进行有序化处理；

步骤S5：通过离子辐照对有序化处理后的所述楔形铁磁合金单层的连续区域进行辐照处理，得到所述铁磁合金单层薄膜。

其中，所述步骤S1中，所述铁磁元素和所述非磁元素的原子比为32：68~68：32；

所述楔形铁磁合金单层的厚度范围为2.5nm-30nm，所述薄膜面内方向单调变化的厚度差为0.1nm/mm-3nm/mm。

其中，所述步骤S1中所述厚度可控的楔形铁磁合金单层通过磁控溅射镀膜方法并利用磁控溅射系统配合位置可调的楔形挡板附件制备，所述磁控溅射镀膜方法采用直流溅射工艺，溅射功率为30W-120W。

其中，所述步骤S3包括：

步骤S31：将所述楔形铁磁合金单层划分成多个微区域；