【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于自旋電子新材料，具體涉及一種強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料及制備方法和應用。
技術介紹
1、隨著信息技術的高速發展，傳統的電子器件由于存在電流焦耳熱，使得電子器件的小型化和低功耗面臨著嚴峻的瓶頸。電子自旋是電子除電荷之外的另一個屬性，可被用來傳輸和存儲信息，自旋電子學(spintronics)因此而誕生。自旋電子傳輸信息具有極低的功耗，可以完成量子信息的處理和存儲，是構建量子信息芯片的理想媒質。自旋霍爾效應(spin?hall?effect，she)是在自旋軌道耦合作用下，施加橫向電流產生垂直方向的縱向極化自旋流的效應。自旋流可以不伴隨著電荷的移動，實現無耗散過程，使得樣品不產生焦耳熱。相反地，逆自旋霍爾效應(inverse?spin?hall?effect，ishe)是指自旋流轉換為電流的過程，可以用來測試自旋流的大小。自旋霍爾效應的強弱體現為電流到自旋流的轉換效率，這個轉換效率通常用自旋霍爾角(θsh)或與θsh成正比的類阻尼自旋軌道力矩效率(ξdl)表示。而軌道角動量則是自旋流的根本來源。軌道角動量流(軌道電流)可以由軌道霍爾效應(orbital?hall?effect，ohe)和軌道拉什巴-埃德爾斯坦效應(orbital?rashba-edelsteineffect，oree)產生。軌道霍爾效應的概念是材料在電場作用下，其內部在與電場垂直的方向上產生軌道電流，進而在材料兩端產生凈軌道角動量積累。軌道拉什巴-埃德爾斯坦效應的概念則是利用材料界面對稱性破缺，在電場作用下，材料界面處電子能帶劈裂，在動量空間中產
2、目前，現有的研究大多利用pt作為提供自旋軌道耦合的重金屬層，且多為雙層結構，如pt/ti、pt/cuox、pt/taox等，而這些結構的類阻尼項自旋軌道力矩效率均較低，通常為1以下，無法滿足應用需求。
技術實現思路
1、本專利技術的目的在于，針對
技術介紹
存在的問題，提出了一種強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料及制備方法和應用。本專利技術強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料可在室溫下實現對類阻尼自旋軌道力矩效率的調控，且制備成本低，適用于大規模工業化生產。
2、為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案如下：
3、一種強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，包括周期性生長于基片上的具有強自旋軌道耦合的重金屬層和具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層形成的薄膜體系；每個周期中，具有強自旋軌道耦合的重金屬層的厚度為1～3nm，具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層的厚度為1～3nm；周期數為n，n≥2；強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料的總厚度為4～40nm。
4、進一步的，所述強自旋軌道耦合(spin-orbit?coupling，soc)的重金屬層材料為帶5d或4f電子軌道的金屬，具體為w、ta、hf、gd等；所述具有高軌道霍爾電導率(lightmetal，lm)的輕金屬層材料為帶3d電子軌道的金屬，具體為ti、cr、mn、cu等；所述基片為表面熱氧化的硅片或藍寶石基片。
5、進一步的，所述具有強自旋軌道耦合的重金屬層和具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層采用物理氣相沉積或磁控濺射法形成于基片之上。
6、進一步的，所述強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料采用高純度金屬靶材進行磁控濺射得到，具體過程為：在1×10-4pa的背底真空下，以24sccm的流量向真空室內通入氬氣，待氣壓穩定至0.27～0.32pa后打開磁控濺射電源，以30w的直流功率對每塊靶材預濺射10分鐘，目的是用氬離子轟擊清洗靶材表面以去除表面的氧化層及其他雜質；完成預濺射后打開靶材擋板進行鍍膜，鍍膜順序為先以5w功率生長具有強自旋軌道耦合的重金屬層、再以10w功率生長具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層，重復生長重金屬層和輕金屬層的過程，直至達到設定的生長時間后，關閉靶材擋板和濺射電源，得到周期性的[重金屬層/輕金屬層]n形成的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料。
7、具體地，所述靶材包括純度不低于99.99wt％的重金屬靶材和純度不低于99.99wt％的輕金屬靶材。
8、一種自旋軌道力矩翻轉磁矩存儲器件，包括生長于基片之上的垂直磁各向異性磁性膜層，以及生長于磁性膜層之上的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料；其中強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料為上述強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料。
9、進一步的，所述垂直磁各向異性磁性膜層為pt/co薄膜或者cofeb薄膜。
10、進一步的，所述強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料的厚度為4～40nm。
11、本專利技術提供的一種強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，在輕金屬層表面產生電子軌道角動量流(軌道電流)積累，并將軌道電流注入強自旋軌道耦合的重金屬中，利用重金屬層的強自旋軌道耦合特性，將軌道電流轉化為自旋流。這能夠提高強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料的自旋流產生效率，實現巨類阻尼自旋軌道力矩效率和低電流密度翻轉鐵磁層磁矩。
12、與現有技術相比，本專利技術的有益效果為：
13、1、本專利技術提供的一種強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，采用重金屬層和輕金屬層交替形成的周期性結構，并將輕金屬層的厚度限制在3nm以下，排除掉輕金屬中的體軌道霍爾效應。當在強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料中通入電流時，由于hm/lm(重金屬層/輕金屬層)界面處的軌道拉什巴-埃德爾斯坦效應，超晶格薄膜材料中會因界面對稱性破缺產生軌道電流；軌道電流注入強自旋軌道耦合重金屬層中轉化為軌道力矩，每個周期中的軌道力矩累積后，擴散到垂直各向異性磁性層中，進而對其磁矩實現翻轉。通過對超晶格薄膜材料的臨界磁化翻轉電流密度(jsw)進行測試，可知與純pt對比，本專利技術的超晶格薄膜材料的類阻尼自旋軌道力矩效率增大了兩個數量級。這表明在超晶格薄膜材料中利用軌道電流提升自旋流產生效率是有效的，將超晶格薄膜材料應用于翻轉磁矩存儲器件中時，強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料可有效降低相鄰的垂直磁各向異性薄膜的臨界翻轉電流密度，可應用于磁隨機存儲器中以期降低能耗與制造成本。
14、2、本專利技術提供的一種強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料及制備方法和應用，采用成本更低的金屬w和ti代替pt，有效降低了成本；且方法簡單易行，可實現在大面積(8英寸和12英寸)半導體晶圓片上的均勻制備，有利于大規模工業化生產。
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1.一種強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述超晶格薄膜材料為周期性生長于基片上的具有強自旋軌道耦合的重金屬層和具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層形成的薄膜體系；每個周期中，具有強自旋軌道耦合的重金屬層的厚度為1～3nm，具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層的厚度為1～3nm；周期數為n，n≥2；強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料的總厚度為4～40nm。
2.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述強自旋軌道耦合的重金屬層材料為帶5d或4f電子軌道的金屬，所述具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層材料為帶3d電子軌道的金屬。
3.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述強自旋軌道耦合的重金屬層材料為W、Ta、Hf或Gd，所述具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層材料為Ti、Cr、Mn或Cu。
4.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述基片為表面熱氧化的硅片或藍寶石基片。
5.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述具有強自旋軌道
6.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料采用磁控濺射法制備得到，過程為：在1×10-4Pa的背底真空下，以24sccm的流量向真空室內通入氬氣，待氣壓穩定至0.27～0.32Pa后打開磁控濺射電源，以30W的直流功率對靶材預濺射10min；完成預濺射后打開靶材擋板進行鍍膜，先以5W功率生長具有強自旋軌道耦合的重金屬層、再以10W功率生長具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層，重復生長重金屬層和輕金屬層的過程，直至達到設定的生長時間后，關閉靶材擋板和濺射電源，得到強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料。
7.根據權利要求6所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述靶材包括純度不低于99.99wt％的重金屬靶材和純度不低于99.99wt％的輕金屬靶材。
8.一種自旋軌道力矩翻轉磁矩存儲器件，其特征在于，包括生長于基片之上的垂直磁各向異性磁性膜層，以及生長于磁性膜層之上的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料；其中強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料為權利要求1-7任一項所述強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料。
9.根據權利要求8所述的自旋軌道力矩翻轉磁矩存儲器件，其特征在于，所述垂直磁各向異性磁性膜層為Pt/Co薄膜或者CoFeB薄膜。
...【技術特征摘要】
1.一種強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述超晶格薄膜材料為周期性生長于基片上的具有強自旋軌道耦合的重金屬層和具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層形成的薄膜體系；每個周期中，具有強自旋軌道耦合的重金屬層的厚度為1～3nm，具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層的厚度為1～3nm；周期數為n，n≥2；強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料的總厚度為4～40nm。
2.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述強自旋軌道耦合的重金屬層材料為帶5d或4f電子軌道的金屬，所述具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層材料為帶3d電子軌道的金屬。
3.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述強自旋軌道耦合的重金屬層材料為w、ta、hf或gd，所述具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層材料為ti、cr、mn或cu。
4.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述基片為表面熱氧化的硅片或藍寶石基片。
5.根據權利要求1所述的強自旋軌道力矩金屬超晶格薄膜材料，其特征在于，所述具有強自旋軌道耦合的重金屬層和具有高軌道霍爾電導率的輕金屬層采用物理氣相沉積或磁控濺射法形成于基片之上。
6.根據權利要求1所...
【專利技術屬性】
技術研發人員：金立川，韋竣文，鐘智勇，白飛明，張懷武，
申請(專利權)人：電子科技大學，
類型：發明
國別省市：
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