一种透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件的设计方法

本发明涉及自旋电子学，尤其是一种透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件的设计方法。

背景技术：

1、磁涡旋作为一种具有拓扑保护的纳米尺度磁结构，由中心的涡旋核(极性)和外围的面内磁矩(手性)两部分构成。由于其尺寸小、能耗低、热稳定性高，而且可以通过其极性和手性同时存储两个比特信息的优点，在未来的高密度、非易失性磁存储和新型自旋电子学器件中有极大的应用潜力。为了使磁涡旋能够应用于未来的自旋电子学器件，如何有效地控制磁涡旋的产生、湮灭以及不同状态之间的切换成为了科学家们的研究重点。理论和实验研究表明，可以通过外加磁场或自旋极化电流来实现磁涡旋极性的转换。对于手性，可以通过在纳米磁体中引入一些不对称性或利用电场等来翻转。

2、但是基于磁涡旋的原理型磁存储器件缺乏相应的设计，且器件需要在微纳尺度下进行制备和多物理场的调控。如何将磁涡旋应用于自旋电子学器件仍是一个亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：设计一种基于磁涡旋的磁性功能器件，并通过透射电镜原位加载多场对其进行调控，直接观测其动力学过程，使得磁涡旋能够真正应用于未来的自旋电子学器件。

2、针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件的设计方法，包括如下步骤：

3、1)使用聚焦离子束-电子束双束电镜制备厚度为140-170nm的单晶硅薄片作为器件基底；

4、2)利用直流磁控溅射法在步骤1)制备的器件基底上制备10-30nm厚的ni80fe20多晶软磁薄膜，并使用聚焦离子束刻蚀技术将薄膜制成边长为600-1000nm的正三角形磁性功能单元；

5、3)利用直流磁控溅射法在磁性功能单元上再制备20-30nm厚的重金属pt层做导电和保护层，完成透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件的设计。

6、作为本发明的优选方案，步骤2)中所述的直流磁控溅射法采用磁控溅射系统的本底真空度为3×10-8-8×10-8torr，工作压力为1.5-3mtorr。

7、作为本发明的优选方案，步骤2)中所述聚焦离子束为镓离子束。

8、作为本发明的优选方案，所述步骤2)中镓离子束参数为2-30kev，10-30pa，光斑直径为30-60nm，光斑间距为光斑直径的0.3-1.0倍。

9、作为本发明的优选方案，步骤2)中使用聚焦离子束刻蚀技术将薄膜制成磁性功能单元具体为：通过聚焦离子束刻蚀技术对薄膜进行刻蚀，对器件基底和磁性功能单元进行图案设计，制备出可以实现存储或者逻辑运算功能的微纳磁性器件。

10、作为本发明的优选方案，步骤2)的刻蚀过程中，关闭电子束的成像系统以避免电子和离子相互作用引起干扰。

11、本发明还提供了一种上述的设计方法设计的透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件。

12、本发明还提供了上述的磁性功能器件在自旋电子学器件中的应用。

13、作为本发明的优选方案，在透射电镜下，通过外接电源为磁性功能器件提供脉冲电流，利用透射电镜对磁性功能器件进行成像和外场调控。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

15、1)本发明的磁性功能器件可以在磁场和电流的共同作用下实现存算一体化，实现了磁涡旋在自旋电子学器件中的具体应用。

16、2)利用聚焦离子束显微技术和磁控溅射制备的透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件，为磁涡旋应用于未来自旋电子学器件提供了实验指导。

技术特征：

1.一种透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤2)中所述的直流磁控溅射法采用磁控溅射系统的本底真空度为3×10-8-8×10-8torr，工作压力为1.5-3mtorr。

3.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤2)中所述聚焦离子束为镓离子束。

4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于，所述步骤2)中镓离子束参数为2-30kev，10-30pa，光斑直径为30-60nm，光斑间距为光斑直径的0.3-1.0倍。

5.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤2)中使用聚焦离子束刻蚀技术将薄膜制成磁性功能单元具体为：通过聚焦离子束刻蚀技术对薄膜进行刻蚀，对器件基底和磁性功能单元进行图案设计，制备出实现存储或者逻辑运算功能的微纳磁性器件。

6.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，步骤2)的刻蚀过程中，关闭电子束的成像系统以避免电子和离子相互作用引起干扰。

7.一种权利要求1-6任一项所述的设计方法设计的透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件。

8.一种权利要求7所述的磁性功能器件在自旋电子学器件中的应用。

9.根据权利要求8所述的磁性功能器件在自旋电子学器件中的应用，其特征在于，在透射电镜下通过外接电源为磁性功能器件提供脉冲电流，利用透射电镜对磁性功能器件进行成像和外场调控。

技术总结
本发明提供了一种透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件的设计方法，步骤如下：1)使用聚焦离子束‑电子束双束电镜制备适用于透射电镜的厚度140‑170nm的单晶硅薄片做器件基底，2)利用直流磁控溅射法在上述基底上制备10‑30nm厚的Ni<subgt;80</subgt;Fe<subgt;20</subgt;多晶软磁薄膜，并使用聚焦离子束刻蚀技术将薄膜制成边长600‑1000nm的正三角形磁性功能单元，3)利用直流磁控溅射法在器件上再制备20‑30nm厚的重金属Pt层做导电和保护层。聚焦离子束显微技术和磁控溅射结合可以设计出一种用于透射电镜原位加载多物理场的磁性功能器件，该方法不仅可应用于基础物理研究，还可应用于新型自旋电子学器件。

技术研发人员：张宏,刘昱,彭勇,关超帅,周霞,张明豫,严宇,马聪,陈春梅,摆永龙,訾浩然
受保护的技术使用者：兰州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12