一种在亚铁磁合金中获得手性耦合的方法

本发明属于新材料，具体是一种使得亚铁磁合金获得手性耦合的方法。

背景技术：

1、几十年来，半导体信息技术一直遵循着摩尔定律的预测快速发展。但是，随着互补金属氧化物半导体(cmos)器件的尺寸逐渐逼近其物理极限，尺寸微缩变得十分困难，迫使人们寻求和发展新原理的运算器件。另一方面，现有的冯·诺依曼运算机架构由独立的数据处理单元和数据存储单元构成，数据存储和传输的速度若没有跟上数据处理单元的运行速度，导致数据存储和处理单元之间的速度差距越来越大，产生了存储墙问题，这被认为是限制运算机整体性能进一步发展的主要瓶颈之一。因此，发展存算一体化的新型原理运算器件对于新一代高性能运算机具有重要意义。利用电子的自旋属性承载信息并执行数据处理功能，有望实现低功耗、高速度、非易失性的自旋电子学芯片，从而构建新一代高性能运算机。特别是，近几年纳米磁性系统中手性磁结构的发现[1,2]，为下一代自旋电子学器件的开发带来了新的契机。这些手性磁结构具有纳米级的尺寸，且可以通过电学方式对其进行低功耗地操控，因此非常适合数字时代大数据处理和存储的运算需求。最近的实验和理论研究表明，可以通过在磁性系统中施加电流来驱动磁畴壁高速定向移动[3,4]，并通过设计器件几何结构和磁性调控实现多种运算操作[5]。然而，目前的研究大都聚焦于铁磁性材料。铁磁材料存在大的杂散场且对外磁场敏感，导致了基于铁磁体的自旋电子学器件的集成度及可靠性降低。同时，铁磁材料的自旋动力学过程一般在纳秒尺度，限制了其器件响应速度的进一步提升。相比之下，亚铁磁材料在其磁化补偿点处，极大减少了杂散场，可以提高自旋电子学器件的集成度和稳定性[6]；同时，研究表明在补偿点附近具有更高的自旋轨道力矩效率和更长的自旋相干长度，表现出超快的磁动力学行为，这可以将自旋电子学器件的响应速度降低到皮秒，这可以降低自旋电子学器件的能耗[7]。需要指出的是，虽然完全补偿的反铁磁体也具有接近于0的净磁矩、超快磁动力学速度等特点，但是亚铁磁材料更容易检测，而且可以通过类似于铁磁体的自旋力矩操控手段对其磁矩进行调控。这意味着相比于反铁磁材料，亚铁磁体在磁化信息的读取、写入和操控方面存在更大优势。

2、因此，想要实现亚铁磁构筑的存算一体器件，对亚铁磁磁结构的操纵尤为重要，本发明主要利用cmos工艺兼容的离子辐照技术，构筑亚铁磁手性耦合磁结构，为发展基于亚铁磁手性磁结构原理的高性能自旋电子学存算一体器件提供理论和技术指导。

3、[1]luo z,dao tp,hrabec a,et al.chirally coupled nanomagnets[j].science,2019,363(6434):1435-1439.

4、[2]luo z,hrabec a,dao t p,et al.current-driven magnetic domain-walllogic[j].nature,2020,579,214-218.

5、[3]cai k,zhu z,lee j m,et al.ultrafast and energy-efficient spin-orbit torque switching in compensated ferrimagnets[j].nature electronics,2020,3(1):37-42.

6、[4]caretta l,mann m,büttner f.et al.fast current-driven domain wallsand small skyrmions in a compensated ferrimagnet[j].nature nanotech,2018,13:1154-1160.

7、[5]kumar d,jin t,sbiaa r,et al.domain wall memory:physics,materials,and devices[j].physics reports,2022,958:1-35.

8、[6]je s g,rojas-sánchez j c,pham t h,et al.spin-orbit torque-inducedswitching in ferrimagnetic alloys:experiments and modeling[j].applied physicsletters,2018,112(6):062401.

9、[7]kim k j,kim s k,hiratay,et al.fast domain wall motion in thevicinity of the angular momentum compensation temperature of ferrimagnets[j].nature materials,2017,16(12):1187-1192.

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供自旋的逻辑架构提供了非易失性数据保留、低功耗和可级联性，扩展了互补金属氧化物半导体逻辑的技术路线图。磁畴壁结构在处理和存储信息方面具有运动速度快、密度高、不易挥发和设计灵活等优点。然而，这种方案依赖于使用外部磁场的畴壁操纵，这限制了它们在密集、大规模芯片中的实现。本发明首次利用镓离子辐照实现了亚铁磁合金的手性耦合，利用界面dzyaloshinskii-moriya相互作用实现横向相邻磁畴的面外和面内磁区之间的手性耦合。该概念将结合亚铁磁超快的磁动力学行为(如自旋轨道力矩操纵的超快磁化翻转)、低杂散场特性，构筑亚铁磁磁畴全电操纵逻辑器件，有望在新型计算方面展现出比传统的铁磁系统更快、密度更高，稳定性更强的应用潜力。

2、本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种在亚铁磁合金中获得手性耦合的方法，包括以下步骤：

3、1)、采用直流磁控溅射技术在si/sio2衬底上沉积钽(ta)作为种子层的步骤；

4、2)、在步骤1)的基础上，采用直流磁控溅射技术在种子层ta上沉积铂(pt)作为重金属层的步骤；

5、3)、在步骤2)的基础上，采用磁性过渡金属或合金(tm)和稀土金属(re)靶材直流共溅射的方法在ta/pt多层膜上制备tm-re亚铁磁合金的步骤；

6、4)、在步骤3)的基础上，采用直流磁控溅射技术在多层膜上再沉积ta作为覆盖层的步骤，最终在si/sio2衬底上得到ta/pt/tm-re亚铁磁层/ta多层膜结构。

7、5)、利用镓离子辐照改变亚铁磁薄膜的垂直磁各向异性由面外向面内转变，构筑亚铁磁手性耦合的结构。

8、进一步的，步骤1)中，在si/sio2衬底上沉积1-2nmta作为种子层，溅射功率、背景和工作气压分别为20-75w、1-5×10-8torr和3-10mtorr。

9、进一步的，步骤2)中，在种子层ta上沉积5-7nmpt作为重金属层，溅射功率、背景和工作气压分别为20-75w，1-5×10-8torr和3-10mtorr。

10、进一步的，步骤3)中，在ta/pt多层膜上制备6-8nm的tm-re亚铁磁合金，固定tm靶材的溅射功率，改变re靶材的溅射功率来改变tm-re层中的re的溅射速率，进而改变tm和re的原子配比，背景和工作气压分别为1-5×10-8torr和3-10mtorr。

11、进一步的，步骤4)中，在多层膜上再沉积1-2nmta作为覆盖层，以防止tm-re层氧化，溅射功率，背景和工作气压分别为20-75w、1-5×10-8torr和3-10mtorr。

12、进一步的，tm-re亚铁磁层的过渡金属和稀土金属分别为co和gd，或cotb、gdfeco、fegd、fetb中的一种磁性过渡金属-稀土体系。

13、进一步的，还包括以下步骤：将纯度99.99％的ta靶、pt靶、co靶和gd靶放入磁控溅射靶位，当溅射室的本底真空优于5×10-8torr时，往溅射室内通入纯度为99.99％的氩气，调节氩气流量，使氩气的压强为10mtorr，分别对ta、pt、co、gd靶进行预溅射，功率均为30w。

14、本发明还提供了一种手性耦合多层膜结构，由本发明以上所述的方法制备得到。同时提供了利用镓离子束辐照技术构筑该多层膜磁结构的手性耦合。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

16、本发明首次利用镓离子辐照改变亚铁磁薄膜的垂直磁各向异性由面外向面内转变，基于此方法构筑亚铁磁手性耦合的结构，成功在亚铁磁多层膜中实现了磁结构的手性耦合，该耦合在微米级仍然得以保持。

17、(1)本发明中的镓离子束辐照为亚铁磁材料的各向异性调控提供了一种便捷且可控的技术方法；

18、(2)本发明利用镓离子束实现对亚铁磁各向异性的调控，进而构筑亚铁磁手性耦合，该技术的实现将结合亚铁磁超快的磁动力学行为和低杂散场特性，与全电同步开关相结合，为实现超高速、低能耗纳米磁逻辑门和存储器件开辟了一条新道路；

19、(3)本发明中亚铁磁材料除实施例所述的cogd体系外还可确定为磁性过渡金属-稀土，如cotb、gdfeco、fegd、fetb等，其调控效果与本发明实施例均类似，本发明的权力范围对类似亚铁磁合金等同限定。