[发明专利]电压诱导的纳米点磁化单轴到涡旋态的非易失调控方法

说明书

本发明公开了一种电压诱导的纳米点磁化单轴到涡旋态的非易失调控方法，目的是解决电驱动低能耗纳米点单轴态到涡旋态转变中的高能耗问题。技术方案是：设计一种由压电层，底电极，N个磁性纳米点及两个短路表电极组成的非易失的纳米点磁化单轴‑涡旋电压调控系统，在压电层上彼此孤立的椭圆磁性纳米点构筑在两个短路表电极之间，长轴方向与两个短路表电极连接线平行。通过施加磁场将磁性纳米点的磁化状态初始化为单轴态后，在短路表电极和底电极之间施加电压，产生应力使得磁性纳米点从单轴态转化为涡旋态。采用本发明成功实现了磁性纳米点磁化单轴态到涡旋态的稳定电压调控，且解决了电驱动低能耗纳米点单轴态到涡旋态转变中的高能耗问题。

技术领域

本发明涉及低功耗纳米点磁化调控方法，尤其指电压诱导的纳米点磁化单轴态到涡旋态的调控方法。

背景技术

在铁磁材料和纳米结构中，磁涡旋状态因其在室温下具有稳定非易失的磁逻辑特征配置，被认为是自旋电子逻辑器件和低能耗磁随机存储器的理想基础元胞。一个涡旋态通常具有四个特征配置，包括涡旋手性(顺时针或逆时针)和面外磁化方向(向上或向下)，易于编码逻辑。由于室温下磁盘的涡旋态具有天然非易失性，没有内部能耗，因此磁涡旋态在自旋电子领域的逻辑和存储应用中主要需要解决的问题是磁盘尺寸的压缩和低能耗的外部调控。

为此，研究者们做出许多有益的研究。2000年《Magnetic Vortex CoreObservation in Circular Dots of Permalloy(磁涡核在坡莫罗伊圆点上的观测)》(Science,289,930-932)中Shinjo等人用1.5T的磁场调控，成功在微米级的坡莫合金磁盘中观察到稳定的磁化涡旋态。2004年《Vortex Core-driven Magnetization Dynamics(涡核驱动的磁化动力学)》(Science,304,420-422)中Choe等人用磁脉冲驱动微米级矩形CoFe薄膜的磁化涡旋。2007年《Ultrafast Nanomagnetic Toggle Switching of Vortex Cores(漩涡核的超快纳米磁开关开关)》(Phys.Rev.Lett.,98,117201.1-117201.4)中Hertel等人仿真模拟了磁场脉冲调控的涡旋核极性切换。2013年《Magnetic Vortex Dynamics inThickness-modulated Ni₈₀Fe₂₀Disks(厚度调制Ni₈₀Fe₂₀磁盘中的磁涡动力学)》(Phys.Rev.B,87,214422)中Shimon等人研究了厚度调制对磁盘涡旋的影响。但是这些研究依赖于外加磁场的调控，增加了外部能耗，使涡旋态失去其低能耗优势。2014年《MagneticAnisotropy Engineering in Thin Film Ni Nanostructures by MagnetoelasticCoupling(磁弹性耦合研究薄膜镍纳米结构的磁各向异性工程)》(Phys.Rev.App.,1,021001)中Finizio等人利用磁弹耦合作用在微米级的Ni方向薄膜成功制造出磁涡旋，为电学方法调控磁涡旋提供有效的探索。随后研究者实现了时变应力调控涡旋核的极性切换，电压产生的应力调控实现了不确定的涡旋手性切换，电压驱动实现了微米级Ni磁盘中涡旋和的产生和泯灭。这些研究将磁致伸缩材料铸造在压电基底上，通过逆磁电耦合作用，使用电压调控磁化涡旋，为低能耗涡旋的调控提供一种具有竞争力的方法。然而磁盘除了涡旋态以外，还存在另一种非易失的低能态，即单轴态。基于涡旋态的纳米点一旦进入单轴态，将难以重新恢复到涡旋态。因此，对单轴态到涡旋态的调控对于涡旋态纳米点应用于逻辑存储和计算具有重要意义。