多层磁性薄膜器件及其制备方法、磁存储器
阅读说明：本技术 多层磁性薄膜器件及其制备方法、磁存储器 (Multilayer magnetic thin film device, preparation method thereof and magnetic memory ) 是由 王开友 曹易 张晓敏 于 2021-09-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多层磁性薄膜器件及其制备方法、磁存储器,其中,上述多层磁性薄膜器件包括从下至上依次设置的如下结构：衬底、第一磁性层、非磁层、第二磁性层；上述第一磁性层的居里温度高于上述第二磁性层；上述非磁层用于实现上述第一磁性层与上述第二磁性层之间的层间交换磁耦合。(The invention discloses a multilayer magnetic thin film device, a preparation method thereof and a magnetic memory, wherein the multilayer magnetic thin film device comprises the following structures which are sequentially arranged from bottom to top: the magnetic sensor comprises a substrate, a first magnetic layer, a non-magnetic layer and a second magnetic layer; the Curie temperature of the first magnetic layer is higher than that of the second magnetic layer; the nonmagnetic layer is used for realizing interlayer exchange magnetic coupling between the first magnetic layer and the second magnetic layer.)
技术领域
本发明涉及磁存储器技术领域，具体地，涉及一种多层磁性薄膜器件及其制备方法、磁存储器。
背景技术
近年来，二维材料由于本身优异的维度特性，被广泛的关注和研究。从2004年石墨烯的发现，到过渡金属硫族化物，再到最近出现的二维铁磁材料，如CrI3、Cr2Ge2Te6、Fe3GeTe2等。这些新的具有磁性的低维材料，是构建新型自旋电子学器件的材料基础，给自旋电子器件带来了新的希望。
与二维半导体Crl3和二维绝缘体Cr2Ge2Te6相比，Fe3GeTe2(FGT)作为一种本征铁磁性金属材料具有更大的固有垂直磁各向异性、更高的居里温度(220K左右)和相对较好的稳定性，是一种很有前途的可通过界面来实现室温铁磁性的材料，具有极高的应用潜力。
但是，到目前为止，制备得到的具有本征磁性的二维材料种类仍然十分有限，已知的磁性范德华材料，如Fe3GeTe2、Cr2Ge2Te6等，居里温度都远低于室温，而且空气稳定性较差，极大地限制了其未来的实际应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多层磁性薄膜器件及其制备方法、磁存储器，以期至少部分地解决上述技术问题。
本发明实施例提供了一种多层磁性薄膜器件，包括从下至上依次设置的如下结构：衬底、第一磁性层、非磁层、第二磁性层；上述第一磁性层的居里温度高于上述第二磁性层；上述非磁层用于实现上述第一磁性层与上述第二磁性层之间的层间交换磁耦合。
根据本发明实施例，上述层间交换磁耦合包括铁磁耦合、反铁磁耦合中的任意一种。
根据本发明实施例，上述第一磁性层包括三维磁性材料；上述第二磁性层包括二维铁磁范德华材料。
根据本发明实施例，上述第一磁性层的材料包括Co、CoFe、CoP、FePt、CoFeB中的任意一种。
根据本发明实施例，上述第二磁性层的材料包括Fe3GeTe2、Cr2Ge2Te6中的任意一种。
根据本发明实施例，上述非磁层的材料包括金属、金属氧化物、非晶态材料中的任意一种。
根据本发明实施例，上述金属包括Ta、Pt、Ru、Au、Ag、Cu中的任意一种；上述金属氧化物包括MgO、Al2O3中的任意一种；上述非晶态材料包括NiP。
根据本发明实施例，上述第一磁性层、上述第二磁性层的厚度均包括0.5～5nm。
本发明实施例还提供了一种制备上述多层磁性薄膜器件的方法，包括：提供一衬底；在上述衬底上生长第一磁性层；在上述第一磁性层上生长非磁层；在上述非磁层上生长或转移堆叠第二磁性层；在上述第一磁性层与上述第二磁性层之间通过磁交换相互作用实现层间交换磁耦合。
根据本发明实施例，上述第一磁性层和/或上述第二磁性层的生长方法包括以下任意一种：物理气相沉积法、磁控溅射法、分子束外延法、化学气相沉积法、热蒸发法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法。
本发明实施例还提供了一种磁存储器，包括上述多层磁性薄膜器件。
本发明实施例提供的多层磁性薄膜器件，通过非磁层将居里温度较高的第一磁性层与居里温度较低的第二磁性层实现层间交换耦合，使得多层磁性薄膜器件的居里温度提高，并具有良好的垂直磁各向异性。
附图说明
图1示意性地示出了本发明实施例中多层磁性薄膜器件的剖面结构示意图；
图2示意性地示出了本发明实施例中进行反常霍尔测试的PCP/FGT多层膜器件结构示意图；
图3示意性地示出了本发明实施例中多层磁性薄膜器件进行反常霍尔测试的结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
由于二维磁性范德华材料的居里温度都远低于室温，而且空气稳定性较差，其应用范围受到限制。为了能扩大二维磁性范德华材料的应用范围，本发明需要在保证二维铁磁范德华材料的居里温度高于室温的同时，具有良好的垂直磁各向异性。
本发明实施例提供了一种多层磁性薄膜器件，包括从下至上依次设置的如下结构：衬底、第一磁性层、非磁层、第二磁性层；上述第一磁性层的居里温度高于上述第二磁性层；上述非磁层用于实现上述第一磁性层与上述第二磁性层之间的层间交换磁耦合。
图1示意性的示出了本发明实施例中多层磁性薄膜器件的结构示意图。
如图1所示，多层磁性薄膜器件自下至上依次包括衬底1、第一磁性层2、非磁层3、第二磁性层4。
根据本发明实施例，第一磁性层的居里温度高于第二磁性层，且第一磁性层、第二磁性层均为垂直磁各向异性好的铁磁材料，具有垂直磁各向异性，垂直磁各向异性为垂直于第一磁性层和第二磁性层的薄膜平面的磁各相异性。
根据本发明实施例，非磁层设置在第一磁性层与第二磁性层之间，用于实现第一磁性层与第二磁性层之间的层间交换磁耦合，层间交换磁耦合的类型和强度可以通过非磁层的材料种类和厚度进行选择。
本发明实施例提供的多层磁性薄膜器件，通过非磁层将居里温度较高的第一磁性层与居里温度较低的第二磁性层实现层间交换耦合，使得多层磁性薄膜器件的居里温度提高，并具有良好的垂直磁各向异性。
根据本发明实施例，上述层间交换磁耦合包括铁磁耦合、反铁磁耦合中的任意一种。
本发明实施例中，选择不同材料作为非磁层，可以实现第一磁性层与第二磁性层之间相邻原子3d电子的自旋磁矩夹角为零，即磁矩彼此同向平行排列，实现铁磁耦合。或者第一磁性层与第二磁性层之间相邻原子3d电子的自旋磁矩夹角为180度，即磁矩彼此反向平行排列，实现反铁磁耦合。本领域技术人员可以根据实际应用需要通过选择非磁层的材料实现铁磁耦合或反铁磁耦合。
根据本发明实施例，上述第一磁性层包括三维磁性材料；上述第二磁性层包括二维铁磁范德华材料。
本发明实施例中，采用传统三维磁性金属Co和二维铁磁范德华材料Fe3GeTe2相结合，利用他们之间的相互作用，达到提高Fe3GeTe2居里温度的目标，不仅使铁磁3D/2D异质结构在自旋电子学领域室温下的应用成为可能，而且为异质界面理论提出了新的物理范式。
根据本发明实施例，上述第一磁性层的材料包括Co、CoFe、CoP、FePt、CoFeB中的任意一种。根据本发明实施例，上述第一磁性层的材料包括但不限于Co、CoFe、CoP、FePt、CoFeB。
根据本发明实施例，上述第二磁性层的材料包括Fe3GeTe2、Cr2Ge2Te6中的任意一种。
本发明实施例中，第一磁性层材料选择居里温度高的三维磁性材料，通过三维磁性材料本身的材料特性，例如居里温度高于室温、垂直磁各向异性好，影响第二磁性层的材料性质，从而提高二维铁磁范德华材料的居里温度，使其高于室温。
根据本发明实施例，上述非磁层的材料包括金属、金属氧化物、非晶态材料中的任意一种。
根据本发明实施例，上述金属包括Ta、Pt、Ru、Au、Ag、Cu中的任意一种；上述金属氧化物包括MgO、Al2O3中的任意一种；上述非晶态材料包括NiP。
本发明实施例中，非磁层的作用是实现层间的铁磁耦合或反铁磁耦合，因此非磁层材料的选择需要根据实际情况决定。
根据本发明实施例，上述第一磁性层、上述第二磁性层的厚度均包括0.5～5nm，例如：0.5nm、1nm、2nm、3nm、4nm、5nm。
本发明实施例中，由于第一磁性层、第二磁性层均具有垂直磁各向异性，且磁性层的厚度越薄，垂直磁各向异性越好。而为了实现更好的层间交换耦合作用，非磁层的厚度一般要小于第一磁性层、第二磁性层的厚度。
本发明实施例还提供了一种制备上述多层磁性薄膜器件的方法，包括：提供一衬底；在上述衬底上生长第一磁性层；在上述第一磁性层上生长非磁层；在上述非磁层上生长或转移堆叠第二磁性层；在上述第一磁性层与上述第二磁性层之间通过磁交换相互作用实现层间交换磁耦合。
本发明实施例中，在衬底上采用半导体工艺依次生长第一磁性层、非磁层、第二磁性层即可，工艺简单。需要说明的是，在制作过程中，第一磁性层与第二磁性层的生长可以互换，即先生长第二磁性层，再生长非磁层、最后生长第一磁性层，也能得到上述多层磁性薄膜器件。
根据本发明实施例，上述第一磁性层和/或上述第二磁性层的生长方法包括但不限于以下方法：物理气相沉积法、磁控溅射法、分子束外延法、化学气相沉积法、热蒸发法、电子束蒸发法、脉冲激光沉积法、原子层沉积法。
本发明实施例还提供了一种磁存储器，包括上述多层磁性薄膜器件。
下面通过反常霍尔测试验证本发明实施例的多层磁性薄膜器件的性质。
本发明实施例中，采用三维磁性金属Co作为第一磁性层、二维铁磁范德华材料Fe3GeTe2作为第二磁性层，非磁层采用金属Pt，将其制备成Ta/Pt/Co/Pt/Fe3GeTe2(PCP/FGT)多层膜器件，图2示意性地示出了本发明实施例中进行反常霍尔测试的PCP/FGT多层膜器件结构示意图，如图2所示，PCP/FGT多层膜器件自下至上依次设置Si/SiO2层、Ta金属层、Pt金属层、Co金属层、Pt金属层、Fe3GeTe2层。本实施例中为便于进行反常霍尔测试，将金属层设置为十字型，但需要说明的是，金属层通常的设置方式采用本发明图1所示的层状结构，并不限定于本实施例中的十字型。
将PCP/FGT多层膜器件与Ta/Pt/Co/Pt(PCP)多层膜器件分别在310K下，进行反常霍尔测试。图3示意性地示出了本发明实施例中多层磁性薄膜器件进行反常霍尔测试的结果图，测试结果如图3所示，PCP/FGT样品在310K下的典型矩形RH磁滞回线面积大于PCP样品在310K下的磁滞回线的面积，且PCP/FGT样品的霍尔电阻稳定在1.5Ω，而PCP样品的霍尔电阻仅稳定在0.5Ω，这清楚地表明了PCP/FGT多层膜器件具有足够的垂直磁各向异性，并且在室温以上具有100％的平面外剩磁。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。