[发明专利]一种利用负热膨胀或巨热膨胀调控磁性层磁态实现信息存储的方法

说明书

本公开的示例性实施例提供了一种利用负热膨胀或巨热膨胀调控磁性层磁态实现信息存储的方法。本发明提出了一种自旋电子器件可以包括依次堆叠的具有负热膨胀或巨热膨胀特性的膜层、磁性膜层或磁隧道结。为避免膜层之间相互干扰可在负热膨胀或巨热膨胀膜层与磁性层或磁隧道结之间插入缓冲层。其中，负热膨胀或巨热膨胀膜层在温度变化时会发生尺寸变化，该变化可产生界面应力调控磁性层磁态来产生磁电阻效应，因此该方法有望成为一种新型的磁存储技术。

技术领域

本发明涉及磁随机存储器技术领域，更具体的，涉及一种含负热膨胀或巨热膨胀材料的磁随机存储器(Magnetic RandomAccess Memory,MRAM)，以及包含该存储单元的自旋电子器件。

背景技术

自信息化时代以来人们对存储的要求越来越高，特别是大数据时代信息量的迅猛增长为储存器和逻辑器件提出了更高的要求。然而对于现有的非易失存储器其发展正逐渐达到其极限。在此情况下，以电子自旋自由度为基础的自旋电子学逐渐被人所关注并成为现今高速发展的一个领域。相比于以电荷为自由度的电子学而言，自旋电子器件具有高速度、低功耗、非易失、抗辐照等优良特性。其中基于磁电阻效应而产生的磁随机存储器有望取代现有的非易失存储器成为新一代通用逻辑存储技术。其中自旋转移矩(SpinTransferTorque,STT)或自旋轨道矩(Spin OrbitTorque,SOT)被认为是实现磁存储的有效方法。然而利用自旋转移矩时，需巨大的写入电流通过隧道结，因此在重复擦写的过程中很容易将隧道结中间的超薄绝缘层击穿，影响器件的稳定性和使用寿命。基于自旋轨道力矩的磁存储器，读写路径的分开可有效改善写入电流的隧穿效应，同时基于自旋霍尔效应(SpinHall Effect,SHE)或者Rashba效应所产生的自旋流可对磁性层施加力矩，实现具有面内磁各向异性(In-plane MagneticAnisotropy,IMA)磁性材料的无场定向翻转。然而这种面内的磁各向异性限制了器件的微型化无法实现高密度的存储。当将自旋轨道力矩施加于具有垂直磁各向异性(Perpendicular MagneticAnisotropy,PMA)的磁性层时，由于磁性层磁矩并没有向上或向下的择优取向，因此通常需要外加一个辅助场来使对称性破缺，实现磁矩的定向翻转。这种外加辅助场可以是偏置电场或偏置电流。然而，外加场的引入增加了电路的复杂性，同时限制了器件的微缩和集成，这成为了限制自旋轨道力矩发展的最大障碍。此外人们还利用反铁磁和铁磁之间的交换偏置效应提供等效磁场代替外加磁场，或在器件中引入结构的不对称性如制备成契形结构利用作用在铁磁层上的额外转矩，打破器件原有的对称性实现零场翻转。但这些方法增加了器件的制备难度不利于大规模工业化生产。因此寻找和发展新的磁存储机理成为亟待解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的是寻找新的磁存储技术路线，通过应力调控磁已作为一种重要的技术路线在国内外均开展了大量研究，针对应力产生源，相继提出利用电致伸缩、磁致伸缩、形状记忆效应、不同材料基片晶格匹配应力、机械应力等方法产生应力，但至今未见应用材料的反常热膨胀性质产生应力以调控磁的报道。近些年有大量负热膨胀(热缩冷胀)和巨热膨胀(某个温区反常增大的热胀冷缩)材料的报道，在一些特定的温区其反常膨胀行为导致的应变量可达到1％-3％。例如反钙钛矿材料中磁相变导致的反常热膨胀行为，钙钛矿铁电材料中由于铁电相变导致的负热膨胀，某些合金材料中由于磁容积效应(magneticvolume effect)导致的负热膨胀或巨热膨胀行为等。其效应的应用价值从无考虑应用于产生应变-应力调控磁，甚至产生自旋翻转效应，从而用于磁存储芯片技术中。

本发明通过下属技术方案实现：

一种自旋电子器件，含负热膨胀或巨热膨胀膜层的具有磁存储特性的异质结，所述异质结可以包括依次堆叠的两个或多个膜层，其中所述异质结具体包括：磁性层(该磁性层可能是多层和不同成分、结构的组合)；具有负热膨胀或巨热膨胀特性的膜层，该膜层尺寸可被温度显著调控。