具体实施方式

本实施例公开了一种层间交换耦合作用可控的磁性多层膜结构，包括衬底和设置在衬底上的多层膜，多层膜结构包括FM1/MgO/FM2，其中FM1与FM2为铁磁性薄膜，FM1与FM2的材料相同或者不同，FM1与FM2材料为CoFeB或Co。

本实施例的磁性多层膜结构的FM1与FM2通过中间的MgO产生铁磁性耦合或者反铁磁耦合，通过改变各铁磁层的厚度或者对磁性多层膜施加正向或反向电场来控制层间交换耦合作用。

具体的，以CoFeB/MgO/CoFeB结构为例，当只改变其中一层或两层CoFeB薄膜的厚度时，可以改变CoFeB薄膜之间的层间交换耦合作用。例如，保持底层CoFeB薄膜的厚度与MgO薄膜的厚度不变，而改变顶层CoFeB薄膜的厚度。或者保持顶层CoFeB薄膜的厚度与MgO薄膜的厚度不变，而改变底层CoFeB薄膜的厚度；或者同时改变底层CoFeB薄膜与顶层CoFeB薄膜的厚度。本实施例中以单独改变顶层CoFeB薄膜的厚度来控制铁磁层的层间交换耦合作用为例。

如图2，其中横坐标为磁场强度，纵坐标为两CoFeB薄膜耦合的磁滞回线，在磁场为0时磁滞回线具有一个垂直变化的情况时表示两铁磁层为反铁磁耦合，磁滞回线倾斜连续变化的为铁磁性耦合。底层CoFeB层厚度为3.08nm，MgO层厚度为0.4nm，保持两者厚度不变，在CoFeB(3.08nm)/MgO(0.4nm)/CoFeB(t)结构中，逐渐增加顶层CoFeB薄膜的厚度t，可以使其层间交换耦合作用从反铁磁耦合转变为铁磁性耦合，再由铁磁性耦合转变为反铁磁耦合。图2中从下到上依次为t＝2.24nm、2.52nm、2.80nm、3.08nm与3.36nm时的磁滞回线。例如，当t为2.24nm时，CoFeB之间的耦合作用为反铁磁耦合；当增大t至2.52nm时，CoFeB之间的耦合作用转变为铁磁性耦合；t至3.08nm时，CoFeB之间的耦合作用仍为铁磁性耦合；继续增大顶层CoFeB薄膜的厚度，如t为3.08nm与3.36nm时，CoFeB之间的耦合作用又转变为反铁磁耦合。

如图3和图4，取垂直于膜面向下的电场方向为正方向。如果对其施加一个电场，在CoFeB(3.36nm)/MgO(0.31nm)/CoFeB(4.2nm)结构中，图中从下到上的磁滞回线依次为电压0V、0.5V、1.0V和1.5V对应的铁磁层磁滞回线，在磁滞回线在磁场为0处左右呈连续变化表示为弱反铁磁耦合，磁场为0处周围为平缓近乎无变化的为强反铁磁耦合。从图中可以看出，未施加电场时，CoFeB之间的耦合作用表现为弱反铁磁耦合。对其施加+0.5V电压，可以明显增强CoFeB薄膜之间的反铁磁耦合强度；继续增加电压至+1V、+1.5V，其反铁磁耦合的强度相比施加+0.5V电压后的情况只有微弱的变化，但仍然保持强反铁磁耦合作用。

如图4所示，位于下方的磁滞回线为电压1.5V，上方的磁滞回线为电压-1V。如果此时改变电场的极性，则当对其施加一个-1V电压之后，可以显著减弱CoFeB之间的反铁磁耦合作用的强度。因此，可以对其施加一个正向电场来增强其反铁磁耦合的强度。而在对其施加正向电场之后，可以再施加一个反向电场，来减弱其反铁磁耦合的强度。

本实施例的层间交换耦合作用可控的磁层多层膜及控制方法，实现了通过改变铁磁层厚度来控制磁性多层膜之间的层间交换耦合作用，以及直接使用电场来控制磁性多层膜之间的层间交换耦合，所用的电场很小，并且在室温下即可实现。本发明可以用于隧穿磁电阻(TMR)或者巨磁阻(GMR)领域，通过控制磁性隧道结中的层间耦合作用来辅助其高低阻态的转换。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。