多铁隧道结器件、自旋阀器件和自旋极化电流的调控方法

1.本发明涉及自旋电子学技术领域，尤其涉及多铁隧道结器件、自旋阀器件和自旋极化电流的调控方法。


背景技术：

2.自旋电子学是一种新兴的电子学形式，主要利用电子的自旋性质，是开发具有替代性多功能、高速、低能耗电子器件的最有前景的技术。自旋电子学的研究中所面对的主要挑战包括自旋极化电流的产生和注入、自旋方向的操纵和检测。目前现有的自旋电子学器件例如自旋阀、磁隧道结等多采用磁场或大电流对自旋极化电流进行操纵，这会带来高功耗的问题。


技术实现要素：

3.本发明提供多铁隧道结器件、自旋阀器件和自旋极化电流的调控方法，用以解决现有技术中自旋阀调控自旋极化电流所需功耗高的问题。
4.本发明提供一种多铁隧道结器件，包括依次层叠的第一铁磁层、铁电层以及第二铁磁层；其中，第一铁磁层和第二铁磁层采用相同的铁磁性金属材料；第一铁磁层和铁电层之间的界面、第二铁磁层和铁电层之间的界面具有对称结构；多铁隧道结器件用于通过磁电耦合效应实现自旋极化电流的产生与调控。
5.根据本发明提供的一种多铁隧道结器件，铁电层采用具有铁电性的氧化物或二维铁电材料；第一铁磁层和第二铁磁层采用铁磁性金属材料。
6.本发明还提供一种自旋极化电流的调控方法，使用上述的多铁隧道结器件，自旋极化电流的调控方法，包括：对第一铁磁层和第二铁磁层施加磁场或电流，使第一铁磁层和第二铁磁层处于反平行磁化状态；撤除对第一铁磁层和第二铁磁层施加的磁场或电流，使第一铁磁层和第二铁磁层维持反平行磁化状态；在第一铁磁层和第二铁磁层之间施加电压，使铁电层的极化状态反转，改变多铁隧道结器件的自旋隧穿势垒分布进而翻转自旋电流的极化方向，实现自旋极化电流的产生的调控。
7.根据本发明提供的一种自旋极化电流的调控方法，多铁隧道结器件中自旋隧穿电流的极化状态取决于铁电层的极化状态；改变多铁隧道结器件的自旋隧穿势垒分布进而翻转自旋电流的极化方向，包括：若铁电层极化状态变化使自旋极化向上的隧穿概率高于自旋极化向下时，自旋隧穿电流的极化向上；若铁电层极化状态变化使自旋极化向下的隧穿概率高于自旋极化向上时，自旋隧穿电流的极化向下。
8.本发明还提供一种自旋阀器件，包括：衬底；金属层，设置在衬底上；第一电极，设置在金属层的一侧；第一绝缘层，设置在金属层上，与第一电极在同一侧；第一铁磁层，设置在第一绝缘层上；铁电层，设置在第一铁磁层上；第二铁磁层，设置在铁电层上；第二电极，设置在金属层的另一侧；第二绝缘层，设置在金属层上，与第二电极在同一侧；第三铁磁层，设置在第二绝缘层上；第一铁磁层、铁电层和第二铁磁层构成上述的多铁隧道结器件。
9.根据本发明提供的一种自旋阀器件，第一电极、第一绝缘层和多铁隧道结器件用于产生和调控自旋极化电流；第二电极、第二绝缘层和第三铁磁层用于探测自旋极化电流。
10.根据本发明提供的一种自旋阀器件，第一电极、第一绝缘层和多铁隧道结器件产生的自旋极化电流由第一铁磁层经过第一绝缘层注入到金属层中，所注入的纯自旋极化电流在金属层中通过扩散效应进行输运，再通过第二绝缘层注入到第三铁磁层中，通过测量第三铁磁层和第二电极之间的电压的大小以及极性，确定产生的纯自旋极化电流的强弱以及极性。
11.根据本发明提供的一种自旋阀器件，第一绝缘层和第二绝缘层采用非磁性绝缘材料，第一电极和第二电极为金属材料；第三铁磁层采用磁性金属材料。
12.根据本发明提供的一种自旋阀器件，第二铁磁层厚度小于第二铁磁层的铁磁性金属材料的自旋扩散长度。
13.根据本发明提供的一种自旋阀器件，第一铁磁层、第二铁磁层和第三铁磁层采用铁fe、钴co或者镍ni；第一绝缘层和第二绝缘层采用氧化镁mgo。
14.本发明提供的多铁隧道结器件、自旋阀器件和自旋极化电流的调控方法，多铁隧道结器件基于铁磁层和铁电层之间的界面处所产生的磁电耦合效应，通过外部电场改变铁电层极化方向进而调控自旋电流的极化方向，提高了反转自旋隧穿电流极化状态的速度，也降低了调控自旋隧穿电流极化状态的所需的能量；自旋阀采用非局域化横向结构，将产生和调控自旋电流的部分与探测自旋电流的部分分离，可以减少静电荷电流的影响产生纯自旋极化电流。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1是本发明多铁隧道结器件一实施例的结构示意图；
17.图2是本发明co/hfo2/co结构的多铁隧道结器件模型示意图；
18.图3(a)是co/hfo2/co多铁隧道结器件中以hf原子作为界面的透射函数图；
19.图3(b)是co/hfo2/co多铁隧道结器件中以o原子作为界面的透射函数图；
20.图4自旋极化电流的调控方法一实施例的流程示意图；
21.图5是本发明自旋阀器件一实施例的结构示意图；
22.图6是本发明自旋阀器件一实施例一实施例的工作原理示意图。
具体实施方式
23.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.本发明提供一种多铁隧道结器件，请参阅图1，图1是本发明多铁隧道结器件一实
施例的结构示意图。在本实施例中，多铁隧道结器件包括依次层叠的第一铁磁层110、铁电层120以及第二铁磁层130。
25.其中，第一铁磁层110和第二铁磁层130采用相同的铁磁性金属材料；
26.第一铁磁层110和铁电层120之间的界面、第二铁磁层130和铁电层120之间的界面具有对称结构；多铁隧道结器件用于通过磁电耦合效应实现自旋极化电流的产生与调控。具体地，通过电场改变铁电层的极化状态来改变被调控物的势垒的高度，进而翻转自旋电流的极化方向。
27.在一些实施例中，铁电层120采用具有铁电性的氧化物或二维铁电材料。
28.可选地，铁磁性金属材料可以是铁fe、钴co以及镍ni等。铁电性的氧化物可以是hfo2；二维铁电材料可以是in2se3等。
29.本实施例的多铁隧道结器件在采用相同铁磁性金属材料且具有对称界面，当两铁磁层处于反平行自旋极化状态时，使用电场将铁电层的极化状态进行翻转，可以改变不同自旋极化取向电子隧穿势垒高度，从而控制自旋隧穿电流的极化状态。使用电场改变铁电层极化状态可以更快速地调控自旋隧穿电流的极化方向，并且在降低调控自旋极化电流所需的功耗。
30.举个例子，以具有对称界面的co/hfo2/co多铁隧道结器件作为多铁隧道结器件进行说明。
31.通过第一性原理计算可知，当第一铁磁层和第二铁磁层处于反平行磁化状态时，多铁隧道结具有磁电耦合效应，可以通过电场改变铁电层极化状态实现对自旋隧穿电流极化状态的调控。
32.本实施例采用的计算模型如图2所示，沿(001)晶向依次是6个原子层的co、5个hf原子层的hfo2、5个原子层的co，hfo2两端均以hf或o原子作为界面，位于co原子的空位处，使两界面结构具有对称性。
33.为兼顾计算效率与准确性，模型的弛豫需要对两界面分别进行。弛豫后两界面hf或o原子与co原子的间距不同，两端hf原子界面与co原子之间的间距分别为两端o原子界面与co原子之间的间距为在此基础上计算该器件的透射函数。
34.图3(a)～(b)是本发明实施例1中co/hfo2/co多铁隧道结器件的透射函数图，其中，图3(a)是co/hfo2/co多铁隧道结器件中以hf原子作为界面的透射函数图；图3(b)是co/hfo2/co多铁隧道结器件中以o原子作为界面的透射函数图。
35.可以看出，以hf作为界面和以o为界面时，铁磁电极在反平行磁化条件下，铁电层极化状态改变会使不同自旋极化状态的势垒高度发生变化。由图3(a)可知，以hf作为界面时，在费米能级ef＝0附近，铁电层自旋极化向右时自旋向下电子隧穿几率比自旋向上电子隧穿几率高，铁电层自旋极化向左时自旋向上电子隧穿几率比自旋向下电子隧穿几率高。
36.由图3(b)可知，以o作为界面时，在费米能级ef＝0附近，铁电层自旋极化向右时自旋向上电子隧穿几率比自旋向下电子隧穿几率高，铁电层自旋极化向左时自旋向下电子隧穿几率比自旋向上电子隧穿几率高，实现自旋电流极化电流的电场调控。
37.本实施例证实了通过电场改变铁电层极化状态实现对自旋隧穿电流极化状态调控的可行性。
38.上述结论是以co/hfo2/co结构为例分析得到的，但铁磁层材料不仅限于co，还可
以是fe、ni等其他铁磁性材料；铁电层材料也不仅限于hfo2，还可以是其他铁电性氧化物或二维铁电材料。使用不同材料所得到器件的输运性质以及自旋极化电流的大小会有所差异，这需要根据器件应用具体分析。
39.本发明还提供一种自旋极化电流的调控方法，使用上述的多铁隧道结器件，请参阅图4，图4自旋极化电流的调控方法一实施例的流程示意图。在本实施例中，自旋极化电流的调控方法具体包括步骤s110～s130，各步骤具体如下：
40.s110：对第一铁磁层和第二铁磁层施加磁场或电流，使第一铁磁层和第二铁磁层处于反平行磁化状态。
41.s120：撤除对第一铁磁层和第二铁磁层施加的磁场或电流，使第一铁磁层和第二铁磁层维持反平行磁化状态。
42.s130：在第一铁磁层和第二铁磁层之间施加电压，使铁电层的极化状态反转，改变多铁隧道结器件的自旋隧穿势垒分布进而翻转自旋电流的极化方向，实现自旋极化电流的产生的调控。
43.其中，多铁隧道结器件中自旋隧穿电流的极化状态取决于铁电层的极化状态。因此，改变多铁隧道结器件的自旋隧穿势垒分布进而翻转自旋电流的极化方向的步骤，包括：
44.若铁电层极化状态变化使自旋极化向上的隧穿概率高于自旋极化向下时，自旋隧穿电流的极化向上；若铁电层极化状态变化使自旋极化向下的隧穿概率高于自旋极化向上时，自旋隧穿电流的极化向下。
45.本发明还提供一种自旋阀器件，请参阅图5～图6，图5是本发明自旋阀器件一实施例的结构示意图。图6是本发明自旋阀器件一实施例一实施例的工作原理示意图。
46.如图5所示，自旋阀器件可以包括衬底10、金属层190、第一电极140、第一绝缘层150、第一铁磁层110、铁电层120、第二铁磁层130、第二电极160、第二绝缘层170和第三铁磁层180。
47.金属层190，设置在衬底10上；第一电极140，设置在金属层190的一侧；第一绝缘层150，设置在金属层190上，与第一电极140在同一侧；第一铁磁层110，设置在第一绝缘层150上；铁电层120，设置在第一铁磁层110上；第二铁磁层130，设置在铁电层120上；第二电极160，设置在金属层190的另一侧；第二绝缘层170，设置在金属层190上，与第二电极160在同一侧；第三铁磁层180，设置在第二绝缘层170上。
48.其中，第一铁磁层110、铁电层120和第二铁磁层130构成上述的多铁隧道结器件。可以实现自旋极化电流的产生与电场调控，在自旋阀器件中结合上述调控极化电流的方法，可以实现纯自旋极化电流的全电调控及检测。
49.其中，第一电极140、第一绝缘层150和多铁隧道结器件用于产生和调控自旋极化电流；第二电极160、第二绝缘层170和第三铁磁层180用于探测自旋极化电流。
50.自旋阀器件为一种横向四端口器件，请参阅图6，器件整体包括产生和调控自旋极化电流的部分以及探测自旋极化电流的部分。
51.第一电极140、第一绝缘层150和多铁隧道结器件(图6示左侧部分)产生的自旋极化电流由第一铁磁层110经过第一绝缘层150注入到金属层190中，所注入的纯自旋极化电流在金属层190中通过扩散效应进行输运，再通过第二绝缘层170注入到第三铁磁层180中，通过测量第三铁磁层180和第二电极160之间的电压的大小以及极性，确定产生的纯自旋极
化电流的强弱以及极性。
52.自旋阀器件用于产生并对自旋极化电流进行检测，传统的自旋阀器件多采用垂直结构，所产生的自旋极化电流中受净电荷流影响，电荷电流的背景噪声信号较大，难以得到纯自旋极化电流。
53.本实施例的自旋阀采用非局域化横向结构，将产生和调控自旋电流的部分与探测自旋电流的部分分离，可以减少静电荷电流的影响产生纯自旋极化电流。
54.可选地，第二铁磁层130厚度小于第二铁磁层130的铁磁性金属材料的自旋扩散长度，保证自旋极化电流通过扩散注入绝缘层、第一铁磁层110。
55.在一些实施例中，第一绝缘层150和第二绝缘层170采用非磁性绝缘材料，第一电极140和第二电极160为金属材料；第三铁磁层180采用磁性金属材料。
56.可选地，第一铁磁层110、第二铁磁层130和第三铁磁层180采用铁fe、钴co或者镍ni；第一绝缘层150和第二绝缘层170采用氧化镁mgo，用于提高自旋极化电流的注入效率。
57.本发明未详细说明之处，均可参考相关现有技术，如器件结构建模、第一性原理计算等均可参考现有技术进行。
58.以上所描述的实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
59.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。