基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用
阅读说明：本技术 基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用 (FePt material-based magnetization switching device, external magnetic field-free switching method and application ) 是由 游龙 李若凡 郭喆 张帅 于 2021-06-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用,属于自旋电子器件领域,磁化翻转器件包括单晶衬底和生长于单晶衬底上的FePt层,用于实现电流驱动磁化翻转；或者,从下至上依次包括：单晶衬底、FePt层以及一层或多层复合翻转层,用于实现无外磁场翻转；FePt层为L10相的单层FePt薄膜,用于在电流诱导下发生部分磁化翻转；复合翻转层从下至上依次包括：隔离层和诱导层；诱导层用于提供平面方向的杂散场或铁磁交换耦合,以打破系统对称性,实现无外磁场下的确定性磁矩翻转；隔离层用于防止FePt层与诱导层之间发生原子渗透。本发明能够简化基于SOT效应的磁化翻转器件的结构和制备工艺,并提高器件的垂直磁各向异性和热稳定性。(The invention discloses a magnetization switching device based on a FePt material, a switching method without an external magnetic field and application, belonging to the field of spin electronic devices, wherein the magnetization switching device comprises a single crystal substrate and a FePt layer grown on the single crystal substrate and used for realizing current-driven magnetization switching; or, from bottom to top include in proper order: the single crystal substrate, the FePt layer and one or more composite overturning layers are used for realizing overturning without an external magnetic field; the FePt layer is a single-layer FePt film of an L10 phase and is used for generating partial magnetization reversal under the induction of current; compound upset layer is from supreme including in proper order down: an isolation layer and an inducing layer; the induction layer is used for providing a stray field or ferromagnetic exchange coupling in the plane direction so as to break the symmetry of the system and realize deterministic magnetic moment overturning without an external magnetic field; the isolation layer is used for preventing the atomic penetration between the FePt layer and the inducing layer. The invention can simplify the structure and the preparation process of the magnetization switching device based on the SOT effect and improve the perpendicular magnetic anisotropy and the thermal stability of the device.)
技术领域
本发明属于自旋电子器件领域，更具体地，涉及一种基于FePt材料的磁化翻转器件、无外磁场翻转方法及应用。
背景技术
21世纪以来，社会高速发展，对存储器和逻辑计算器件的要求越来越高。随着特征尺寸不断减小，传统的以闪存为代表的非易失性存储器和以动态随机存储器为代表的易失性存储器，器件性能已经逐渐发展到极限，遇到无法跨越的障碍，并且继续沿用硅基材料进行新工艺节点开发研究需要很高的成本，因此为了满足社会快速发展的需求需要使用新材料、新结构和新方法研制新兴存储逻辑技术。磁性随机存储器(MRAM)由于具有非易失性、低功耗、高寿命、高耐久性、强抗辐射能力以及较低的成本和较快的读写速率，有望成为下一代通用存储器。
近年来，基于自旋极化电流的自旋转移力矩(Spin Transfer Torque，STT)和基于自旋轨道耦合(Spin Orbit Coupling，SOC)的自旋轨道力矩(Spin Orbit Torque，SOT)被认为是实现MRAM的有效方法。然而，STT会使磁隧道结(MTJ)中的超薄绝缘层承受巨大的写入电流密度，在不断地读写擦除过程中容易被击穿，导致明显的稳定性和寿命问题。相较之下，基于SOT效应的MRAM(SOT-MRAM)读写路径得以分开，无需写入电流通过MTJ，有效地改善了STT的缺陷。因此，更有希望用于制备下一代高速、高集成度、低功耗的MRAM和逻辑器件。
利用自旋轨道转矩实现的电流诱导磁化翻转为下一代磁性随机无隙存储器和逻辑器件提供了广阔的应用前景。在过去的SOT-MRAM的研究中，一般采用强自旋轨道耦合的重金属层(Heavy Mental，HM)和垂直磁化铁磁材料层(FM)构成的膜层结构。当电荷流通过HM层时，由于自旋霍尔效应(Spin Hall Effect，SHE)将产生自旋极化流和/或界面的反转不对称性导致Rashba效应，都会导致磁性材料层的磁化翻转。由于膜层结构中含有重金属层，现有的基于SOT效应的磁化翻转结构相对复杂，制备工艺相应繁琐，对制造设备的要求很高，成本较大，且FM层多为Co基材料，其矫顽力场较小，垂直磁各向异性(PerpendicularMagnetic Anisotropy，PMA)较低，因此当器件尺寸减小到纳米级时，很难保持良好的PMA以及较高的热稳定性。此外，传统的基于SOT效应的磁化翻转通常是需要一个和电流方向同向或者反向的外加平面磁场来实现电流诱导的确定性磁化翻转，这对于大规模集成电路和超低功耗器件的制备来说是非常不利的，是MRAM发展过程中的一大难题和研究热点。到目前为止，已经提出并证明了几种无外磁场辅助的SOT诱导的磁化翻转方案，例如利用与反铁磁材料的交换偏置耦合、制备一个楔型氧化盖帽层来打破反演对称性、在FM层中制造倾斜的易磁化轴,采用极化铁电基板诱导的平面内自旋电流梯度,以及特殊的低对称性WTe2半金属等方法。然而，这些方案都存在结构复杂、制备工艺繁琐、热稳定性差的问题。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于FePt材料的磁化翻转器件及无外场翻转方法，其目的在于，简化基于SOT效应的磁化翻转器件的结构和制备工艺，并提高器件的垂直磁各向异性和热稳定性。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种基于FePt材料的磁化翻转器件，用于实现电流驱动磁化翻转，包括：单晶衬底和生长于单晶衬底上的FePt层；
FePt层为L10相的单层FePt薄膜，用于在电流诱导下发生部分磁化翻转。
本发明提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件，其中仅包含L10相的单层FePt薄膜，且该单层FePt薄膜中存在SOT效应，因此可以实现局部电流诱导的磁化翻转。由于本发明提供的基于FePt材料的磁化翻转器件中仅含单层FePt薄膜，而不含重金属层，其结构更加简单，制备工艺相对简易，并且当器件尺寸降低到纳米尺寸时仍具有良好的垂直磁各向异性和热稳定性。
本发明提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件，FePt层中的SOT效应的大小受FePt层生长温度的影响，因此，可以通过在器件制备过程中控制FePt层的生长温度，实现对翻转比率的控制。
进一步地，FePt层的厚度为5nm-40nm。
本发明通过将基于FePt材料的磁化翻转器件中的FePt层的厚度限定为5nm-40nm，既能够防止因FePt层太薄而导致薄膜质量难以控制，又能够防止因FePt层太厚而导致不具备良好的垂直磁各向异性及SOT效应，从而保证基于FePt材料的磁化翻转器件具有优良的性能。
进一步地，FePt层为霍尔条形状；
霍尔条形状中相交的两个通道分别为电流通道和电压通道，霍尔条形状的四端分别沉积有电极；电流通道用于施加电流，电压通道用于测量霍尔电压。
本发明通过将FePt层制备为由电流通道和电压通道相交的霍尔条形状，并在霍尔条形状的四端分别沉积电极，能够提高器件的导电性，施加电流的均匀性，方便对器件施加电流并检测器件的霍尔电压，从而便于控制器件的磁化翻转过程。
按照本发明的第二方面，提供了一种基于FePt材料的磁化翻转器件，用于实现无外磁场翻转，从下至上依次包括：单晶衬底、FePt层以及一层或多层复合翻转层；
FePt层为L10相的单层FePt薄膜，用于在电流诱导下发生部分磁化翻转；
复合翻转层从下至上依次包括：隔离层和诱导层；
诱导层用于提供平面方向的杂散场或铁磁交换耦合，以打破系统对称性，实现无外磁场下的确定性磁矩翻转；
隔离层用于防止FePt层与诱导层之间发生原子渗透。
本发明所提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件，利用FePt层中的SOT效应，以及诱导层提供的平面方向的杂散场或铁磁交换耦合作用，可实现无外磁场翻转，提高了器件的集成度，使得该器件可应用于大规模集成电路和超低功耗存储及逻辑器件。
本发明所提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件中不含重金属层，相比于其他现有的实现无外磁场翻转的器件而言，结构简单，制备工艺简易，并且当器件尺寸降低到纳米尺寸时仍具有良好的垂直磁各向异性和热稳定性。
本发明提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件，FePt层中的SOT效应的大小受FePt层生长温度的影响，因此，可以通过在器件制备过程中控制FePt层的生长温度，实现对翻转比率的控制，制备出性能更好的器件。
进一步地，FePt层的厚度为5nm-40nm。
本发明通过将基于FePt材料的磁化翻转器件中的FePt层的厚度限定为5nm-40nm，既能够防止因FePt层太薄而导致薄膜质量难以控制，又能够防止因FePt层太厚而导致不具备良好的垂直磁各向异性以及SOT效应，从而保证基于FePt材料的磁化翻转器件具有优良的性能。
进一步地，隔离层的材料为TiN。
本发明使用TiN材料制备隔离层，能够获得良好的无外磁场翻转特性。
进一步地，诱导层的材料为NiFe。
进一步地，诱导层的厚度不超过10nm。
本发明通过将由NiFe材料制备的诱导层的厚度限制为不超过10nm，能够避免因产生巨大的PHE(planar Hall effect)效应和AMR(Anisotropic Magneto Resistance)效应而导致无法测量器件的AHE(anomalous Hall effect，反常霍尔效应)回线。
进一步地，单晶衬底上的各膜层为相同的霍尔条形状；
霍尔条形状中相交的两个通道分别为电流通道和电压通道，霍尔条形状的四端分别沉积有电极；电流通道用于施加电流，电压通道用于测量霍尔电压。
本发明通过将单晶衬底上的各膜层制备为由电流通道和电压通道相交的霍尔条形状，并在霍尔条形状的四端分别沉积电极，能够提高器件的导电性，施加电流的均匀性，方便对器件施加电流并检测器件的霍尔电压，从而便于控制器件的磁化翻转过程。
按照本发明的第三方面，提供了一种基于本发明第二方面提供的基于FePt材料的磁化翻转器件的无外磁场翻转方法，包括：
在诱导层实现磁化饱和之后，预先标定基于FePt材料的磁化翻转器件中翻转比率与最大翻转电流之间的关系；
根据翻转比率与最大翻转电流密度之间的关系，结合翻转比率要求，确定相应的脉冲电流，并向基于FePt材料的磁化翻转器件施加该脉冲电流，以实现无外磁场翻转。
按照本发明的第四方面，提供了本发明第二方面提供的基于FePt材料的磁化翻转器件在集成电路、存储器件或逻辑器件中的应用。
本发明提供的上述无外磁场翻转方法，在使器件发生确定性磁化翻转的过程中无需施加平面磁场，仅需向器件施加相应的脉冲电流，该方法不依赖于外部磁场，控制更为简单，更易于实现集成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明所提供的基于FePt材料的磁化翻转器件，用于实现电流驱动磁化翻转时，仅包含L10相的单层FePt薄膜，并利用该单层FePt薄膜中存在的SOT效应实现局部电流诱导的磁化翻转，该器件不含重金属层，用单层膜结构实现了现行的HM/FM多层膜结构的功能，其结构更加简单，制备工艺相对简易，并且当器件尺寸降低到纳米尺寸时仍具有良好的垂直磁各向异性和热稳定性。
(2)本发明所提供的基于FePt材料的磁化翻转器件，用于实现无外场翻转时，利用FePt层中的SOT效应，以及诱导层提供的平面方向的杂散场或铁磁交换耦合作用，实现了无外磁场翻转，提高了器件的集成度，使得该器件可应用于大规模集成电路和超低功耗存储及逻辑器件。该器件中不含重金属层，相比于其他现有的实现无外磁场翻转的器件而言，结构简单，制备工艺简易，并且当器件尺寸降低到纳米尺寸时仍具有良好的垂直磁各向异性和热稳定性。
(3)本发明所提供的基于FePt材料的磁化翻转器件，FePt层中的SOT效应的大小受FePt层生长温度的影响，因此，可以通过在器件制备过程中控制FePt层的生长温度，实现对翻转比率的控制，即实现对器件SOT效应性能的控制。
(4)本发明所提供的无外磁场翻转方法，在使器件发生确定性磁化翻转的过程中无需施加平面磁场，仅需向器件施加相应的脉冲电流，该方法不依赖于外部磁场，控制更为简单，更容易实现高度集成，完全符合未来社会发展的趋势。
附图说明
图1为本发明的实施例1提供的基于FePt材料的磁化翻转器件的结构示意图以及力矩作用的分析图；
图2为本发明实施例1提供的在不同生长温度条件下制备的FePt层的AHE测量结果示意图；
图3为本发明实施例1提供的在不同生长温度下制备的FePt层的x射线衍射(XRD)图谱；
图4为本发明实施例1提供的在不同生长温度下制备的FePt层的电流诱导磁化翻转曲线图，即基于SOT效应法实现磁化翻转的曲线图；其中，(a)～(c)分别为300℃、400℃和500℃条件下制备的FePt层的电流诱导磁化翻转曲线图；
图5为本发明实施例提供的在不同生长温度下制备的FePt层的谐波霍尔电压测量；其中，(a)和(b)分别400℃和500℃下制备的FePt层的谐波霍尔电压测量；
图6为本发明实施例1提供的在不同生长温度下制备的FePt层的SOT效应与电流密度的关系示意图；
图7为本发明的实施例2提供的基于FePt材料的无外场磁化翻转器件的结构示意图；
图8为图7所示的基于FePt材料的磁化翻转器件的读写方式示意图；
图9为图7所示的基于FePt材料的磁化翻转器件的AHE测量结果示意图；
图10为不同TiN层厚度下实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的x射线衍射(XRD)图谱；
图11为不同TiN层厚度下实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的电流诱导磁化翻转曲线图；其中，(a)～(d)分别为TiN层厚度为0nm、1nm、2nm、3nm时实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的电流诱导磁化翻转曲线图；
图12为不同TiN层厚度下实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的翻转曲线与最大脉冲电流密度的关系示意图；其中，(a)～(d)分为TiN层厚度为0nm、1nm、2nm、3nm时实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的翻转曲线与最大脉冲电流密度的关系示意图；
图13为不同TiN层厚度下实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的无外磁场翻转曲线；其中，(a)～(c)分别为TiN层厚度为1nm、2nm、3nm时实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的翻转曲线；
图14为本发明实施例3提供的基于FePt材料的磁化翻转器件示意图；其中，(a)为器件的膜层结构示意图，(b)为器件的立体结构图，(c)为器件的俯视图；
图15为不同复合翻转层数量、不同制备温度下实施例3提供的基于FePt材料的磁化翻转器件的AHE曲线；
图16为不同复合翻转层数量、不同制备温度下实施例3提供的基于FePt材料的磁化翻转器件的x射线衍射(XRD)图谱；
图17为常温下制备的不同复合翻转层数量的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线；其中，(a)为常温下制备的具有3层复合翻转层的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线，(b)为常温下制备的具有5层复合翻转层的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线；
图18为高温下制备的不同复合翻转层数量的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线；其中，(a)为高温下制备的具有3层复合翻转层的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线，(b)为高温下制备的具有5层复合翻转层的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
实施例1：
一种基于FePt材料的磁化翻转器件，用于实现电流驱动磁化翻转，如图1所示，包括：单晶衬底和生长于单晶衬底上的FePt层；
FePt层为L10相的单层FePt薄膜，用于在电流诱导下发生部分磁化翻转；
在本实施例中，由于FePt薄膜是(001)取向的，为了便于FePt薄膜在衬底上外延生长，衬底材料是MgO，且其取向为(001)；应当说明的是，此处仅为一种可选的实施方式，其他便于L10相的单层FePt薄膜外延生长的材料，例如具有面心立方(FCC)结构的MgO、Pt、KTaO3、SrTiO3等，也可以用作本发明中的衬底材料；
本实施例提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件，其中仅包含L10相的单层FePt薄膜，且该单层FePt薄膜中存在SOT效应，在不同的SOT有效场的作用下，磁化状态发生变化，宏观上表现出不同大小的反常霍尔电阻，向该器件施加电流的方向以及基于L10相的单层FePt薄膜的SOT效应产生的力矩如图1所示；为了方便地对器件施加电流并检测器件的霍尔电压，从而便于控制器件的磁化翻转过程，在本实施例中，FePt层被刻蚀为霍尔条形状；霍尔条形状中相交的两个通道分别为长20-45μm、宽15μm的电流通道和长20-45μm、宽6μm的电压通道，霍尔条形状的四端分别沉积有宽方形Pt电极，且电极宽度不大于200μm；电流通道用于施加电流，电压通道用于测量霍尔电压；
本实施例中，FePt层的厚度为5nm-40nm，防止因FePt层太薄而导致薄膜质量难以控制，同时防止因FePt层太厚而导致不具备良好的垂直磁各向异性及SOT效应，从而保证基于FePt材料的磁化翻转器件具有优良的性能。
本实施例提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件中，FePt层中的SOT效应的大小受FePt层生长温度的影响，实验发现，随着FePt层的生长温度的升高，FePt的(001)和(002)取向对应的XRD曲线的峰的强度是越来越大的，这说明随着FePt层的生长温度的升高，FePt对应晶体取向的各向异性越来越强；在不同生长温度下制备的FePt层的AHE测量结果和x射线衍射(XRD)图谱分别如图2和图3所示；
垂直磁化可以通过反常霍尔电阻(RH)来表征，通过RH可以分析薄膜的垂直磁各向异性(PMA)，如图2所示，随着制备温度的升高，样品的矫顽场和PMA增大；在500℃下沉积的样品有一个巨大的高达6000Oe的矫顽场，表现出良好的PMA；此外，在300℃下沉积的样品反常霍尔电阻变化最大，约为24欧姆；
FePt层的XRD形貌如图3所示；分别在300℃、400℃和500℃条件下沉积在MgO单晶基底上的薄膜，其晶体取向均为(001)和(002)，且随着制备温度的升高，其强度降低。
进一步对本实施例提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件进行电流感应磁化翻转的测量。在测量过程中，一系列不同的脉冲电流被施加到霍尔棒的电流通道上，脉冲持续时间是12ms；每次脉冲电流后加小电流(即读电流，大小为100uA)测量反常霍尔电阻(RH)。在不同的外磁场Hx(x为脉冲电流方向，y为霍尔电压方向)下，反常霍尔电阻(RH)与脉冲电流密度(J)之间的关系可以表征电流诱导的器件磁化翻转性能及其对外部磁场的依赖性。如图4中的(a)～(c)所示，分别给出了300℃,400℃,500℃条件下生长的材料所制备的器件基于SOT效应随电流密度发生磁化翻转的曲线图；从图4可以看出，在MgO衬底层上生长的单层L10 FePt材料存在SOT效应，且相关性能受生长温度的影响；在300℃下制备的样品的翻转率很小，在200Oe的最佳磁场下约为0.8％；在400℃下制备的样品，在500Oe的最佳磁场下，其翻转率较大，约为2.7％；在500℃下制备的样品在最佳磁场1000Oe下的翻转率最大，约为6.6％；当外加磁场偏离最优值时，翻转比率逐渐减小；当外加磁场的方向反转时，翻转曲线的翻转方向也会反转。
进一步对本实施例提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件进行谐波霍尔电压测量。测量时，将低频交流电流施加到霍尔棒的电流通路上。交流电流频率为317.3Hz，利用电流源相位发生器的外触发功能锁定锁相放大器的输入通道和参考通道。将霍尔棒的电压路径连接到两个锁相放大器上，分别测量谐波霍尔电压的一次谐波分量和二次谐波分量。二次谐波分量可以用来表征SOT的有效场。利用SOT的类阻尼转矩/类场转矩所产生的有效场(HDL/HFL)与外加交流电流密度(J)之间的关系可以分析器件的SOT效率。如图5中的(a)和(b)所示，在图5中的(a)和(b)中，左上图表示在x方向扫描磁场时测量的一次谐波电压曲线图；右上图表示在y方向扫描磁场时测量的一次谐波电压曲线图；左下图表示在x方向扫描磁场时测量的二次谐波电压曲线图；右下图表示在y方向扫描磁场时测量的二次谐波电压曲线图。根据图中的数据，结合公式，可以计算出该结构器件的有效场，有效场可以表征SOT效应的大小。图5所示结果表明，SOT有效场存在于400℃和500℃条件下制备的单层FePt中，另外，500℃时制备的SOT有效场明显大于400℃时制备材料器件的SOT有效场，说明较大的PMA有助于提高SOT有效场。
基于图5的测量结果，可利用和来计算谐波测试的结果，算出有效场大小。其中，第一个公式中，分子项表示二次谐波电压随x方向外加磁场变化曲线的一阶导数；分母项表示一次谐波电压随x方向外加磁场变化曲线的二阶导数；在第二个公式中，分子项表示二次谐波电压随y方向外加磁场变化曲线的一阶导数；分母项表示一次谐波电压随y方向外加磁场变化曲线的二阶导数；在此定义平面霍尔电阻ΔRPHE与反常霍尔电阻ΔRAHE的比值为ξ＝ΔRPHE/ΔRAHE，考虑到FePt的平面霍尔电阻可以忽略不计,在这里我们取ξ＝0，由此可以计算出SOT的类阻尼转矩(Damping-like Torque，DT)HDL和SOT的类场转矩(Field-like Torque，FL)HFL分别为：
进而基于图5的测量结果，可以得出FePt层中SOT有效场与电流密度的关系，如图6所示，结果表明，FePt单层具有良好的SOT性能。
根据图2～6所示的测量结果可知，本实施例中，FePt单层具有良好的SOT性能，且FePt层中的SOT效应的大小受FePt层生长温度的影响。
由于实施例提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件中仅含单层FePt薄膜，而不含重金属层，其结构简单，制备工艺简易，并且当器件尺寸降低到纳米尺寸时仍具有良好的垂直磁各向异性和热稳定性。
本实施例中，器件的制备方法和条件具体如下：
采用超高真空磁控溅射技术，在MgO(001)单晶衬底上沉积了L10FePt(10)单层薄膜；
分别在300℃、400℃、500℃条件下沉积了一系列FePt单层膜，并保温30分钟；
用x射线衍射(XRD)对薄膜的晶体结构进行表征；
通过紫外光刻和氩离子刻蚀，将薄膜分别刻制成长20-45μm长、宽15μm的电流通道和宽6μm的电压通道的霍尔条。
实施例2：
一种基于FePt材料的磁化翻转器件，用于实现无外磁场翻转，如图7所示，从下至上依次包括：单晶衬底、FePt层以及一层复合翻转层；
FePt层为L10相的单层FePt薄膜，用于在电流诱导下发生部分磁化翻转；
复合翻转层从下至上依次包括：隔离层和诱导层；
诱导层用于提供平面方向的杂散场或铁磁交换耦合作用，以打破系统对称性，实现无外磁场下的确定性磁矩翻转；
隔离层用于防止FePt层与诱导层之间发生原子渗透；
可选地，为了便于(001)取向的FePt薄膜在衬底上外延生长，本实施例中，衬底材料是MgO，且其取向为(001)；应当说明的是，此处仅为一种可选的实施方式，其他便于L10相的单层FePt薄膜外延生长的材料，例如具有面心立方(FCC)结构的MgO、Pt、KTaO3、SrTiO3等，也可以用作本发明中的衬底材料；
可选地，在本实施例中，诱导层的材料为NiFe，应当说明的是，在本发明其他的一些实施例中，诱导层也可以由其他能够产生平面方向的杂散场或交换耦合场的材料代替；
优选地，在本实施例中，隔离层的材料为TiN，应当说明的是，在本发明其他的一些实施例中，隔离层也可由其他能够起到隔离作用的材料代替，不过实验表明，相比于其他的材料，以TiN作为隔离层的材料时，本实施例能够获得更为优良的无外磁场翻转特性；
为了方便地对器件施加电流并检测器件的霍尔电压，从而便于控制器件的磁化翻转过程，在本实施例中，如图8所示，FePt层及复合翻转层被刻蚀为霍尔条形状；霍尔条形状中相交的两个通道分别为长20-45μm、宽15μm的电流通道和长20-45μm、宽6μm的电压通道，霍尔条形状的四端分别沉积有宽方形Pt电极，且电极宽度不大于200μm；电流通道用于施加电流，电压通道用于测量霍尔电压；
本实施例所提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件，利用FePt层中的SOT效应，以及诱导层提供的平面方向的杂散场或铁磁交换耦合作用，可实现无外磁场翻转；
本实施例中所提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件，为一种三层膜结构，如图7所示，其中FePt层的厚度为10nm，由NiFe材料制备而成的诱导层的厚度为5nm；为了测量该NiFe/TiN/FePt三层膜结构中垂直磁化强度的无外磁场翻转，同时测量该三层膜结构中，TiN的隔离作用对于整个器件的翻转特性的影响，分别测量实施例1中的单层FePt层以及实施例2中在不同TiN层厚度下的AHE测量结果和x射线衍射(XRD)图谱，分别如图9和图10所示，从图9所示的AHE测量结果可以看出，三层膜结构的反常霍尔电阻比单层薄膜的要小；三层样品的矫顽力场和PMA随TiN层厚度的增加而增大；当TiN层厚度为3nm时，矫顽场约为2000Oe，反常霍尔电阻约为14欧姆。从图10所示的XRD图谱可以看出，在MgO单晶衬底上沉积的三层薄膜均具有FePt(001)、FePt(002)和NiFe(200)的晶体取向；当TiN厚度为2nm时，NiFe(200)的强度最大。
进一步测量不同TiN层厚度下，实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的电流诱导磁化翻转特性，如图11所示，其中的(a)～(d)分别为TiN层厚度为0nm、1nm、2nm、3nm时实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的电流诱导磁化翻转曲线图。根据图11所示的测量结果可知，没有TiN层的样品的翻转率非常小，无法观察到无场翻转，如图11中的(a)所示；当TiN层厚度不小于1nm时，三层样品均观察到无外磁场翻转，如图11中的(b)～(d)所示。需要注意的是，当TiN层厚度为0或1nm时，在不同外加磁场下，翻转曲线只有一次翻转方向变化，与单层FePt类似，如图11中的(a)和(b)所示；在不同的外加磁场下，当TiN层厚度为2或3nm时，翻转曲线中有三次翻转方向变化，如图11中的(c)和(d)所示。其原因是FePt和NiFe之间存在交换耦合，当TiN层较薄时，NiFe从内部影响FePt，垂直磁化时发生固定的倾斜，而翻转曲线的翻转方向发生一次变化；当TiN层厚度较大时，FePt与NiFe之间的交换耦合消失，NiFe产生的杂散场从外部影响FePt层，并叠加等效场，使翻转曲线呈现三次旋转方向变化。
进一步测量不同TiN层厚度下，实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的翻转曲线与最大脉冲电流密度的关系，测量都在各样品最佳外加磁场下进行，测量结果如图12所示，其中的(a)～(d)分别为TiN层厚度为0nm、1nm、2nm、3nm时实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的翻转曲线与最大脉冲电流密度的关系示意图。图12所示的测量结果表明，不同TiN层厚度的三层膜结构的临界翻转电流密度差别不大，翻转比率与最大翻转电流密度有很强的相关性。不加TiN层时，翻转率很小，最多只有0.3％。当TiN层厚度分别为1、2和3nm时，翻转率最高为2％、1.3％和4.3％。显然，TiN层的存在有助于提高翻转率，使三层膜样品更适合于多状态记忆，存储和逻辑器件的应用。
图11和12所示的测量结果还表明，TiN隔离层改善了器件的SOT性能，当TiN隔离层厚度不小于1nm时，三层结构实现了无外磁场辅助的电流诱导的磁化翻转。此外，在三层结构中的垂直磁化翻转对于TiN厚度有很强的依赖性：随着TiN层厚度的增加，不同外加磁场作用下翻转曲线的翻转方向变化次数(以RHall与IPulse为特征，其中RHall表示器件的反常霍尔电阻，IPulse表示所施加的脉冲电流的幅值)逐渐由一次增加为三次。其原因在于，前者受NiFe/FePt交换耦合主导，后者受NiFe杂散场主导。研究结果对SOT的物理性质有了进一步的认识，提出了一种基于高PMA和高矫顽力材料的无场磁化翻转方案。该方案在器件结构上比传统的基于CoFeB等磁性材料的无场翻转方案简单，且热稳定性好，同时当器件尺寸降低至纳米尺寸时，仍具有良好的性能，有利于微型化和集成化的发展。
进一步测量不同TiN层厚度下实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的无外磁场翻转特性，测量结果如图13所示，其中的(a)～(c)分别为TiN层厚度为1nm、2nm、3nm时实施例2中基于FePt材料的磁化翻转器件的翻转曲线。图13所示的测量结果表明，TiN层厚度不小于1nm的三层样品具有确定的无外磁场磁化翻转。TiN层厚度分别为1、2、3nm时，无外磁场翻转率分别为0.7％、0.2％和1.6％。
基于实施例1中单层FePt薄膜的测量结果可知，同样地，在本实施例中，FePt单层具有良好的SOT效率，且FePt层中的SOT效应的大小受FePt层生长温度的影响。
根据图9～13所示的测量结果可知，本实施例可以实现无外磁场的磁化翻转，提高了器件的集成度，使得该器件可应用于大规模集成电路和超低功耗存储及逻辑器件。本实施例不含重金属层，相比于其他现有的实现无外磁场翻转的器件而言，结构简单，制备简易，并且当器件尺寸降低到纳米尺寸时仍具有良好的垂直磁各向异性和热稳定性。此外，可以通过在器件制备过程中控制FePt层的生长温度，实现对翻转比率的控制。
本实施例中，器件的制备方法和条件具体如下：
采用超高真空磁控溅射技术，在MgO(001)单晶衬底上沉积了NiFe(5)/TiN(x)/FePt(10)(自上而下)三层薄膜；
不同厚度(0-3nm)的TiN层在300℃条件下被沉积到FePt单层膜的上,和NiFe层沉积(5nm)沉积在最后,形成三层膜结构(为简化描述，如果TiN层不存在,也视为三层膜结构影,此时TiN层的厚度是0nm)；
用x射线衍射(XRD)对薄膜的晶体结构进行表征；
随后，通过紫外光刻和氩离子刻蚀，将单晶衬底之上的薄膜分别刻制成长20-45μm长、宽15μm的电流通道和宽6μm的电压通道的霍尔条。
实施例3：
一种基于FePt材料的磁化翻转器件，用于实现无外磁场翻转，如图14中的(a)所示，从下至上依次包括：单晶衬底、FePt层以及n层复合翻转层；
FePt层为L10相的单层FePt薄膜，用于在电流诱导下发生部分磁化翻转；
复合翻转层从下至上依次包括：隔离层和诱导层；
诱导层用于提供平面方向的杂散场或铁磁交换耦合作用，以打破系统对称性，实现无外磁场下的确定性磁矩翻转；
隔离层用于防止FePt层与诱导层之间发生原子渗透；
可选地，为了便于(001)取向的FePt薄膜在衬底上外延生长，本实施例中，衬底材料是MgO，且其取向为(001)；应当说明的是，此处仅为一种可选的实施方式，其他便于L10相的单层FePt薄膜外延生长的材料，例如具有面心立方(FCC)结构的MgO、Pt、KTaO3、SrTiO3等，也可以用作本发明中的衬底材料；
可选地，在本实施例中，诱导层的材料为NiFe，应当说明的是，在本发明其他的一些实施例中，诱导层也可以由其他能够产生平面方向的杂散场或交换耦合场的材料代替；
优选地，在本实施例中，隔离层的材料为TiN，应当说明的是，在本发明其他的一些实施例中，隔离层也可由其他能够起到隔离作用的材料代替，不过实验表明，相比于其他的材料，以TiN作为隔离层的材料时，本实施例能够获得更为优良的无外磁场翻转特性；
如图14中的(a)所示，本实施例中，FePt层的厚度为10nm，由NiFe材料制备而成的诱导层的厚度为2nm，由TiN材料制备而成的隔离层的厚度为1nm；
为了方便地对器件施加电流并检测器件的霍尔电压，从而便于控制器件的磁化翻转过程，在本实施例中，如图14中的(b)和(c)所示，FePt层及复合翻转层被刻蚀为霍尔条形状；霍尔条形状中相交的两个通道分别为长20-45μm、宽15μm的电流通道和长20-45μm、宽6μm的电压通道，霍尔条形状的四端分别沉积有宽方形Pt电极，且电极宽度不大于200μm；电流通道用于施加电流，电压通道用于测量霍尔电压；
本实施例所提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件，利用FePt层中的SOT效应，以及诱导层提供的平面方向的杂散场或铁磁交换耦合作用，可实现无外磁场翻转。
基于实施例1中单层FePt薄膜的测量结果可知，同样地，在本实施例中，FePt单层具有良好的SOT效率，且FePt层中的SOT效应的大小受FePt层生长温度的影响。
以n＝3和n＝5为例，分别测量在高温(hightemperature，HT)下制备的n＝3和n＝5的多层膜结构的AHE曲线，以及在常温(roomtemperature，RT)下制备的n＝3和n＝5的多层膜结构的AHE曲线，测量结果如图15所示；同样地，以n＝3和n＝5为例，分别测量在高温(HT)下制备的n＝3和n＝5的多层膜结构的x射线衍射(XRD)图谱，以及在常温(RT)下制备的n＝3和n＝5的多层膜结构的x射线衍射(XRD)图谱，测量结果如图16所示。图15和16所示的测量结果表明，本实施例提供的上述基于FePt材料的磁化翻转器件具有优良的磁化翻转特性。
以n＝3和n＝5为例，进一步测量在常温下制备的n＝3和n＝5的多层膜结构的在不同外磁场辅助下随电流的翻转特性，测量时，在x方向施加外部磁场(Hx)辅助产生SOT效应，实现电流诱导的磁化翻转测量，测量结果如图17所示，其中的(a)为常温下制备的具有3层复合翻转层的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线，(b)为常温下制备的具有5层复合翻转层的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线；同样地，以n＝3和n＝5为例，进一步测量在高温下制备的n＝3和n＝5的多层膜结构的在不同外磁场辅助下随电流的翻转特性，测量时，在x方向施加外部磁场(Hx)辅助产生SOT效应，从而进行电流诱导的磁化翻转测量，测量结果如图18所示，其中，(a)为高温下制备的具有3层复合翻转层的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线，(b)为高温下制备的具有5层复合翻转层的器件的反常霍尔电阻在不同外磁场辅助下随电流的翻转曲线。图17和图18所示的测量结果表明，本实施例所提供的上述多层膜结构具有良好的SOT效应，并且实现了无外磁场辅助的翻转。
实施例4：
一种无外磁场翻转方法，该方法基于上述实施例2和实施例3所提供的基于FePt材料的磁化翻转器件，包括：
在诱导层实现磁化饱和之后，预先标定基于FePt材料的磁化翻转器件中翻转比率与最大翻转电流之间的关系；
根据翻转比率与最大翻转电流密度之间的关系，结合翻转比率要求，确定相应的脉冲电流，并向基于FePt材料的磁化翻转器件施加该脉冲电流，以实现无外磁场翻转；
通常，在器件制备完成时，在x方向施加外部磁场使NiFe层达到饱和之后，即可直接利用该器件实现无外场翻转。
本发明提供的上述无外磁场翻转方法，在使器件发生确定性磁化翻转的过程中无需施加平面磁场，仅需向器件施加相应的脉冲电流，该方法不依赖于外部磁场，控制更为简单。
实施例5：
上述实施例2提供的基于FePt材料的磁化翻转器件在集成电路、存储器件或逻辑器件中的应用。
实施例6：
上述实施例3提供的基于FePt材料的磁化翻转器件在集成电路、存储器件或逻辑器件中的应用。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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