[发明专利]一种利用电场写入数据的四态磁存储单元

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用电场写入数据的四态磁存储单元以及具有该存储单元的水平磁性记录装置，属于计算机存储技术领域。

背景技术

现有的已商业化的磁性存储技术是基于磁场或电流写入数据。利用磁场或电流写入数据的一个缺点是操作过程中产生的功耗高。为了解决这一难题，利用电场进行读写操作的磁电随机存储器（MeRAM）的概念及设计已被提出。对于磁电随机存储器（MeRAM），其写入数据时是先利用外加电场使铁电层产生应变，然后再由应变来调控磁性层的磁化状态。当磁电随机存储器（MeRAM）中的磁性层为具有面内各向同性（例如圆片形）或二重对称性（例如椭圆片形）时，通过外加电场作用使铁电层所产生的应变不能控制磁性记录层内磁化强度的具体翻转方向。例如，假设当前磁记录层的磁化强度方向是沿着“+x”方向，在压电应变作用下磁化强度要发生90度翻转，存在两种可能的翻转结果，即“+y”或“-y”方向，而这两种翻转方式却是随机的。因此，已有的磁电随机存储器（MeRAM）的设计都是基于磁化强度的90度翻转而导致一个“高”阻态和一个“低”阻态以实现二进制存储。如果磁化强度在压电应变作用下具体的90度翻转方向可以控制，那么就可以用电场操控四个磁化状态从而实现四进制存储，使存储密度提高2倍。

磁电效应指的是在施加外电场作用下引起材料磁极化发生变化的多场耦合效应。多铁性磁电复合材料指的是一类将具有铁电性的材料和铁磁性的材料按照一定的复合结构组合在一起的新材料，这类新材料具有磁电效应。2011年吴涛等人制备了以Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃)为铁电氧化物层和以圆片形状的Ni为磁性层的多铁性磁电复合材料，他们发现在外加电场作用下，Ni磁性层的磁化强度的面内易轴翻转了90度。2013年Buzzi等人同样制备了包含Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃)和Ni的多铁性磁电复合材料，只不过磁性层Ni的面内形状为椭圆形。Buzzi等人用X射线光发射电子显微镜观察到了Ni的磁化强度在外加电场作用下发生了90度翻转。这些实验一方面证实了在磁电复合结构中，外加电场的确能使磁性层的磁化强度发生翻转；另一方面也表明了当磁性层为面内各向同性的圆片形或具有2重对称性的椭圆片形时，磁化强度在外加电场作用下的翻转方向不可控，因而只能实现二进制存储。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用电场写入数据的四态磁存储单元以及具有该存储单元的水平磁性记录装置，本发明可以利用磁性记录层形状的四重对称性（图1所示的4个对称花瓣形状)及面内形状磁易轴与压电应变方向不重合来解决现有技术中存在的上述问题。

本发明所提供的一种利用电场写入数据的四态磁存储单元，其包括：

第一电极层；

铁电氧化物层，所述铁电氧化物层形成于所述第一电极层上；

第二电极层，所述第二电极层形成于所述铁电氧化物层上；

磁性记录层，所述磁记录层形成于所述第二电极层上，所述磁性记录层的平面具有4重对称性，用于进行磁性记录，所述铁电氧化物层与磁性记录层之间具有磁电效应的耦合作用；以及

保护层，所述保护层设置于所述磁性记录层上，以保护所述磁性记录层。

上述的四态磁存储单元中，所述4重对称性为4个对称花瓣形状。

上述的四态磁存储单元中，所述磁性记录层在平面内的长轴方向与所述铁电氧化物层在电场作用下在平面内所产生的应变方向不重合。

上述的四态磁存储单元中，所述铁电氧化物层可由Pb(Zr,Ti)O₃、PbZrO₃、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃和Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃中的一种材料制成。

上述的四态磁存储单元中，所述铁电氧化物层的厚度不大于5微米；

所述磁性记录层的厚度不大于40纳米，

所述磁性记录层的长轴不大于200纳米。

上述的四态磁存储单元中，所述磁性记录层由Ni基合金、Co基合金或Fe基合金制成。