基于轨道霍尔效应的反铁磁无场轨道转矩翻转器件及制备方法

本发明涉及一种自旋电子器件领域，更具体地说，尤其涉及一种基于轨道霍尔效应的反铁磁无场轨道转矩翻转器件及制备方法。

背景技术：

1、自旋轨道转矩电子存储逻辑器件可实现低功耗，高速度，高密度的数据存储，从而受到广泛的关注。自旋轨道矩电子存储逻辑器件等轨道电子学器件利用非磁层的自旋霍尔效应可以实现电荷流-自旋流的转换，自旋流进入铁磁层产生自旋轨道转矩实现磁矩的翻转。自旋流相对于电荷流具有无焦耳热耗散的巨大优势。

2、但是，自旋霍尔效应(spin hall effect，she)依赖于强自旋-轨道耦合(spin-orbit coupling，soc)效应，需在具有强自旋-轨道耦合效应的重金属(如au、pt、ta、w和pd)或者拓扑绝缘体材料(如bise和bite)等中才能实现。但是，重金属元素或拓扑绝缘体材料在实际器件应用中存在问题，因为它们的高电阻率使得此类器件的效率较差。此外，重元素或拓扑绝缘体材料通常因价格昂贵或制备技术上的困难性往往不适合大规模生产，并且，所制备的自旋电子存储器件还具有易受磁场干扰的问题。因此，重金属或拓扑绝缘体材料的使用限制了自旋源材料的选择。

3、轨道霍尔效应(orbital hall effect，ohe)则不依赖于强自旋-轨道耦合效应。类似于自旋霍尔效应将电荷流转换成自旋流，轨道霍尔效应是将电荷流转换成轨道流，轨道流与自旋流一样携带角动量，将轨道流注入铁磁层(fm)中可以对铁磁层的局部磁矩产生转矩。但由于轨道霍尔效应不依赖于强自旋-轨道耦合效应，其在轻金属及其氧化物、氮化物等弱自旋-轨道耦合效应材料中便可以实现。因此相比于自旋霍尔效应，轨道霍尔效应具有巨大的优势。

4、但是，如何制备出不仅成本低且不易受磁场干扰的高性能的轨道转矩自旋电子学器件，是一个一直在被研究但尚未解决的问题。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明实施例提供了一种基于轨道转矩反铁磁材料，利用轨道霍尔效应的反铁磁无场轨道转矩翻转器件及制备方法，以利用轻金属合金作为轨道源来实现低成本，基于轨道转矩反铁磁实现无场轨道转矩驱动磁矩翻转，由此使得器件功耗更低且消除了外磁场的干扰，从而具有更优的器件性能。

2、本发明的一个方面提供了一种基于轨道转矩反铁磁材料的无场轨道转矩翻转器件，该无场轨道转矩翻转器件包括：

3、单晶基片；

4、在所述单晶基片上形成的轨道转矩反铁磁层；以及

5、在所述轨道转矩反铁磁层上形成的第一铁磁层；

6、其中，所述轨道转矩反铁磁层为包含轻金属材料的反铁磁合金层，所述第一铁磁层具有垂直磁各向异性，所述轨道转矩反铁磁层和所述第一铁磁层构成轨道转矩反铁磁层/铁磁层异质结，所述轨道转矩反铁磁层用于钉扎所述第一铁磁层，使磁矩出现倾斜，并作为轨道霍尔效应通道将电荷流转换为轨道流，轨道流进入铁磁层中由于自旋轨道耦合的作用转化为自旋流，自旋流对具有垂直磁各向异性的所述第一铁磁层实现无场轨道转矩磁矩翻转。

7、在本发明的一些实施例中，所述无场轨道转矩翻转器件为无场轨道翻转和轨道转矩磁性隧道结器件；所述第一铁磁层作为铁磁自由层；所述无场轨道转矩翻转和轨道转矩磁性隧道结器件还包括：形成在所述第一铁磁层上的绝缘势垒层；以及形成在所述绝缘势垒层上的第二铁磁层，所述第二铁磁层作为铁磁钉扎层，所述铁磁钉扎层具有垂直磁各向异性；所述铁磁自由层、所述绝缘势垒层和所述铁磁钉扎层形成三明治结构的磁性隧道结。

8、在本发明的一些实施例中，所述无场轨道转矩翻转器件还包括：形成于所述磁性隧道结上的保护层。

9、在本发明的一些实施例中，所述单晶基片包括c-al2o3、srtio3或mgo等单晶基片，多晶基片包括si/sio2等；所述轨道反铁磁合金层为femn或fecr或fev或者[fe/mn]n或[fe/cr]n等由铁磁金属fe、co、ni等材料和轻金属mn、cr、v等材料形成的反铁磁轻金属合金层或具有相似特性的轨道转矩通道层。

10、在本发明的一些实施例中，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层为以下中的一种：一个以上co/pt双膜层组成的多膜层、一个以上co/ni双膜层组成的多膜层、一个以上co/gd双膜层组成的多膜层、一个以上co/tb双膜层组成的多膜层、cofeb/gd/cofeb多膜层、coni合金层、copt合金层、cogd合金层和cotb合金层等大的自旋轨道转换系数的材料构成的铁磁层或具有相似特性的薄膜材料；其中，所述co/pt双膜层由co层和pt层组成；所述co/ni双膜层由co层和ni层组成；所述cofeb/gd/cofeb多膜层由cofeb层、gd层和cofeb层组成，所述co/gd双膜层由co层和gd层组成，所述co/tb双膜层由co层和tb层组成或具有相似特性的磁性薄膜材料。所述第一铁磁层和所述第二铁磁层的材料可以相同，也可以不同。

11、在本发明的一些实施例中，所述绝缘势垒层为mgo或tio2等绝缘氧化物；所述保护层为以下材料制成的一层或多层膜：mgo、ta、w和sio2。

12、在本发明的一些实施例中，所述轨道转矩反铁磁层、铁磁自由层、绝缘势垒层、铁磁钉扎层和保护层采用磁控溅射工艺制备。

13、本发明的另一方面还提供一种含有如前所述的无场轨道转矩翻转器件的电子器件。

14、在本发明的一些实施例中，所述电子器件为自旋轨道矩道矩电子存储和逻辑器件。

15、本发明的另一方面还提供了一种利用如前所述的基于轨道转矩反铁磁材料的无场轨道转矩翻转器件实现无场轨道翻转和轨道转矩的方法，该方法包括以下步骤：

16、使电荷电流横向通过所述轨道转矩反铁磁层，以通过所述轨道转矩反铁磁层中反铁磁材料产生的轨道霍尔效应产生轨道流；

17、轨道流进入铁磁层中由于自旋-轨道耦合的作用转化为自旋流，在无需施加外磁场的情况下，由于交换偏置作用，通过轨道转矩反铁磁层对所述第一铁磁层产生的钉扎作用使铁磁层的磁矩产生倾斜，通过所述自旋流对具有垂直磁各向异性的所述第一铁磁层的磁矩产生力矩作用，从而实现无场轨道转矩驱动磁矩翻转。

18、本发明的基于轨道转矩反铁磁材料的无场轨道转矩翻转器件(如轨道转矩异质结和轨道转矩磁性隧道结器件)、电子器件以及实现无场轨道转矩翻转和轨道转矩的方法，利用轻金属合金材料制备的轨道转矩反铁磁材料代替重金属或拓扑绝缘体等强自旋-轨道耦合效应材料，作为轨道源产生轨道流，轨道流在铁磁层材料中转变为自旋流，自旋流对被反铁磁钉扎后磁矩倾斜的铁磁层中产生轨道转矩，实现磁矩的无场翻转或进动。

19、由于利用的是轻金属合金可以实现低成本，无场翻转即不外加磁场就可以实现轨道转矩翻转，因此功耗更低，并且没有外磁场的干扰。因此，可以在将隧道结用于自旋轨道矩电子存储和逻辑器件时可以将存储密度做的更高。除此之外，轨道转矩反铁磁材料由于大的轨道转矩效率可以得到更小的翻转电流密度，从而可以实现高速度写入。

20、本发明的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本发明的实践而获知。本发明的目的和其它优点可以通过在说明书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。

21、本领域技术人员将会理解的是，能够用本发明实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本发明能够实现的上述和其他目的。