[发明专利]基于人工反铁磁自由层的磁性结构及SOT-MRAM

权利要求书

1.一种磁性结构，其特征在于：包括一个电场调控的基于人工反铁磁自由层的磁性隧道结及一个自旋轨道矩材料层，所述电场调控基于如下电场进行调控：外电场；

所述磁性隧道结包括一个固定层、一个基于人工反铁磁装置的自由层和一个非磁性势垒层，非磁性势垒层位于固定层和基于人工反铁磁装置的自由层之间；所述固定层和基于人工反铁磁装置的自由层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；

人工反铁磁装置处于反铁磁态，其直径为1nm～100nm，将其置于外电场中，外加电场的电压调控所需范围为0.1V～15V，其会由反铁磁态转变为铁磁态；去掉电场，所述人工反铁磁装置由铁磁态退回到反铁磁态，即可以通过电场调控其反铁磁态与铁磁态的转变；

通过向自旋轨道矩材料层单独施加横向电流来实现写入时，所述横向电流密度大于临界值j_c；通过同时向自旋轨道矩材料层施加横向电流和向磁性隧道结施加纵向电流来实现写入时，所述横向电流密度低于临界值j_c，其中j_c在1×10²～1×10⁷A/cm²；

所述横向电流为直流，所述纵向电流为直流或交流。

2.根据权利要求1所述的磁性结构，其特征在于：

所述基于人工反铁磁装置的自由层为第一层铁磁层-非磁性间隔层-第二层铁磁层的堆叠结构；

所述第一层及第二层铁磁层的磁化方向垂直指向面外或平行于面内；

所述铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)_p、(Co/Pd)_m或(Co/Pt)_n，其中m、n、p是指多层堆叠的重复次数；

所述非磁性间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种，且厚度在0.1nm～10nm。

3.根据权利要求1所述的磁性结构，其特征在于：

所述固定层由铁磁性或亚铁磁性金属及其合金制成，选自Fe、Co、Ni、Mn、NiFe、FePd、FePt、CoFe、CoPd、CoPt、YCo、LaCo、PrCo、NdCo、SmCo、CoFeB、BiMn或NiMnSb，及其与B、Al、Zr、Hf、Nb、Ta、Cr、Mo、Pd或Pt中的一种或多种；

或由合成铁磁性或亚铁磁性材料制成，选自3d/4d/4f/5d/5f/稀土金属层堆叠的人造多层结构Co/Ir、Co/Pt、Co/Pd、CoCr/Pt、Co/Au或Ni/Co；

或由半金属铁磁材料制成，包括形式为XYZ或X₂YZ的Heusler合金，其中X选自Mn、Fe、Co、Ni、Pd或Cu中的一种或多种，Y选自Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co或Ni中的一种或多种，Z选自Al、Ga、In、Si、Ge、Sn或Sb中的一种或多种；

或由合成反铁磁材料制成，包括铁磁层与间隔层，其中铁磁层材料选自Fe、Co、CoFe、Ni、CoCrPt、CoFeB、(Co/Ni)_p、(Co/Pd)_m或(Co/Pt)_n，m、n、p是指多层堆叠的重复次数，间隔层材料选自Nb、Ta、Cr、Mo、W、Re、Ru、Os、Rh、Ir、Pt、Cu、Ag或Au中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的磁性结构，其特征在于：

所述非磁性势垒层为氧化物、氮化物或氮氧化物，其组成元素选自Mg、B、Al、Ca、Sr、La、Ti、Hf、V、Ta、Cr、W、Ru、Cu、In、Si或Eu中的一种或多种；

或为金属或合金，其组成元素选自Cu、Ag、Au、Al、Pt、Ta、Ti、Nb、Os、Ru、Rh、Y、Mg、Pd、Cr、W、Mo或V中的一种或多种；

或选自SiC、C或陶瓷材料。

5.根据权利要求1所述的磁性结构，其特征在于：

所述自旋轨道矩材料层与自由层近邻并与非磁性势垒层相对；

所述自旋轨道矩材料层在通入电流时，利用自旋轨道矩使邻近自由层磁矩翻转。