拓扑磁结构、磁性斯格明子的写入方法及存储器

摘要

本发明涉及一种拓扑磁结构、磁性斯格明子的写入方法及存储器、读写系统和赛道存储器，一种拓扑磁结构包括：衬底层；缓冲层，设置于衬底层上，缓冲层的表面粗糙度小于衬底层的表面粗糙度；磁性层，设置于缓冲层上，包括至少一层亚铁磁性层，磁性层用于在预设条件下产生磁性斯格明子；保护层，设置于磁性层上，用于保护磁性层。基于亚铁磁材料的器件具有对磁场扰动不敏感和本征频率高等诸多优势，因此在超高密度信息存储和太赫兹(Tera Hertz，THz)等领域有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及磁性斯格明子的信息存储器件，特别是涉及一种拓扑磁结构、磁性斯格明子的写入方法及存储器。

背景技术

随着信息时代的高速发展，数据量的爆炸式增长对信息存储介质也提出了更高的要求。当前传统的磁性存储介质随着材料尺寸的缩小，因量子效应所产生的尺寸极限及其所导致的热效应使得传统信息存储材料的发展遇到了瓶颈。自旋电子技术引入了电子自旋这一全新的自由度，自旋电子器件具有静态功耗低、可无限次高速读写、非易失性存储等优点，被认为是突破当前瓶颈的关键技术，有望大幅度降低器件功耗，突破热效应枷锁。拓扑磁结构(磁性斯格明子，涡旋畴等)是一种具有拓扑保护的类粒子自旋结构，其相关的自旋电子学应用具有广阔发展前景，有望成为下一代新型信息存储载体。相比较于传统的信息存储载体具有明显优势：与传统的磁畴相比，拓扑磁结构尺寸可以做到很小，目前单个磁性斯格明子可以做到5nm；拓扑磁结构具有拓扑保护的特性，相比较于传统的磁畴更加稳定，不易受外界条件(磁场，温度等)的影响，提高器件的稳定性；拓扑磁结构的驱动电流远小于畴壁的驱动电流，充分体现了基于拓扑磁结构的信息存储器件的低功耗特点。

传统技术中，利用周期性的自旋极化脉冲电流在拓扑磁结构中产生磁性斯格明子，通常需要较高的电流密度和较长的写入时间，即意味着较高的能耗和较慢数据写入速度。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中的高能耗、低效率的写入存储数据的问题提供一种拓扑磁结构、磁性斯格明子的写入方法及存储器、读写系统和赛道存储器。

一种拓扑磁结构，包括：

衬底层；

缓冲层，设置于衬底层上，缓冲层的表面粗糙度小于衬底层的表面粗糙度；

磁性层，设置于缓冲层上，包括至少一层亚铁磁性层，磁性层用于在预设条件下产生磁性斯格明子；

保护层，设置于磁性层上，用于保护磁性层。

在其中一个实施例中，亚铁磁性层包括层叠设置的铂、钴和钆。

一种磁性斯格明子的写入方法，应用于如上述的拓扑磁结构，写入方法包括：

对保护层表面进行预设时长的激光照射，以使磁性层产生磁性斯格明子。

在其中一个实施例中，预设时长为100飞秒。

在其中一个实施例中，激光波长在700～800nm范围内。

在其中一个实施例中，激光的频率为1kHz。

一种存储器，包括：

多个如上述的拓扑磁结构，其中，衬底层为铁电衬底；

激光发射单元，用于对保护层表面进行预设时长的激光照射，以使磁性层产生磁性斯格明子；

驱动单元，与衬底层连接，用于驱动磁性斯格明子在拓扑磁结构中运动，以实现信息的存储。

一种读写系统，包括：

如上述的存储器；及

读取装置，用于读取存储器里存储的信息。

一种赛道存储器，包括：

纳米带，包括预设长度的如上述的拓扑磁结构，其中，衬底层材料为硅，纳米带沿长度方向依次分为信息写入区、信息存储区和信息读取区；

激光发射单元，位于信息写入区，用于对保护层表面进行预设时长的激光照射，以使磁性层产生磁性斯格明子；

电流驱动单元，正极位于信息读取区，负极位于信息写入区，用于驱动磁性斯格明子在拓扑磁结构中运动，以实现信息的存储。

在其中一个实施例中，信息读取区设有磁性隧道结，用于读取磁性斯格明子。

上述拓扑磁结构，包括：衬底层；缓冲层，设置于衬底层上，缓冲层的表面粗糙度小于衬底层的表面粗糙度；磁性层，设置于缓冲层上，包括至少一层亚铁磁性层，磁性层用于在预设条件下产生磁性斯格明子；保护层，设置于磁性层上，用于保护磁性层。传统技术中磁性层设置为普通的铁磁性材料，而亚铁磁于铁磁的本质区别是亚铁磁磁矩的基本结构由两部分构成，两种磁矩反方向排列会存在一部分抵消，例如，Co层和Gd层是铁磁层，但两层之间的磁矩是反方向排列的，整体表现出来的磁化强度是小于任一个单铁磁层。也因此，亚铁磁材料相比铁磁，由于其铁磁残余场较小，在动力学方面，基于亚铁磁材料的器件具有对磁场扰动不敏感和本征频率高等诸多优势，因此在超高密度信息存储和太赫兹(TeraHertz，THz)等领域有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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。

图1为一实施例中拓扑磁结构示意图之一；

图2为一实施例中拓扑磁结构示意图之二；

图3为一实施例中拓扑磁结构示意图之三；

图4为一实施例中拓扑磁结构示意图之四；

图5为一实施例中存储器示意图；

图6为一实施例中赛道存储器示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可以用于描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。此外，器件也可以包括另外地取向(譬如，旋转90度或其它取向)，并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例，这样可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造技术导致的形状偏差。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不表示器件的区的实际形状，且并不限定本发明的范围。

在其中一个实施例中，如图1所示，一种拓扑磁结构100包括：衬底层110，缓冲层120，磁性层130和保护层140。缓冲层120设置于衬底层110上，缓冲层120的表面粗糙度小于衬底层110，用于提供一个光滑的表面，有利于其它层的沉积附着，达到结构均匀的效果。磁性层130设置于缓冲层120上，其中包括至少一层亚铁磁性层131，如图2和3所示，用于在预设条件下产生磁性斯格明子。保护层140设置于磁性层130上，保护层材料具有稳定性高，不活泼以及很强的抗氧化性，能保护磁性层被氧化，延长使用寿命。铁磁性是指物质中相邻原子或离子的磁矩由于它们的相互作用而在某些区域中大致按同一方向排列，当所施加的磁场强度增大时，这些区域的合磁矩定向排列程度会随之增加到某一极限值的现象。而亚铁磁性是在无外加磁场的情况下，磁畴内由于相邻原子间电子的交换作用或其他相互作用。使它们的磁矩在克服热运动的影响后，处于部分抵消的有序排列状态，以致还有一个合磁矩的现象。因此，亚铁磁性材料相比铁磁性材料，由于其铁磁残余场较小，在动力学方面，基于亚铁磁性材料的器件具有对磁场扰动不敏感和本征频率高等诸多优势，因此在超高密度信息存储和太赫兹(Tera Hertz，THz)等领域有广阔的应用前景。

在其中一个实施例中，缓冲层120的材料是钽。钽是一种金属元素，元素符号是Ta，其对应的单质为钢灰色金属，具有极高的抗腐蚀性，无论是在冷和热的条件下，对盐酸、浓硝酸及“王水”都不反应。并且富有延展性，可以拉成细丝式制薄箔，热膨胀系数很小。钽有非常出色的化学性质，具有极高的抗腐蚀性。可以理解的是，缓冲层材料不仅限于上述钽单质，可以是其他任何材料，只要能够保证提供光滑的缓冲表面，并且具有很高的化学稳定性，不与其上下界面接触的材料反应即可。

在其中一个实施例中，磁性层130的材料是至少一层具有亚铁磁性层131，其中亚铁磁性层131的材料，如图4所示，由底层往上设置依次为铂、钴、钆。铂是一种化学元素，化学符号Pt，是贵金属之一，其单质俗称白金，属于铂系元素，具有顺磁性。有良好的延展性、导热性和导电性。其的化学性质不活泼，在空气和潮湿环境中稳定，不溶于盐酸、硫酸、硝酸和碱溶液，但可溶于王水和熔融的碱。钴，元素符号Co，银白色铁磁性金属，表面呈银白略带淡粉色，其具有光泽的钢灰色金属，比较硬而脆，有铁磁性，加热到1150℃时磁性消失。在常温下不和水作用，在潮湿的空气中也很稳定。钴是生产耐热合金、硬质合金、防腐合金、磁性合金和各种钴盐的重要原料。钆是一种金属元素，元素符号为Gd，呈银白色，有延展性。钆在室温下有磁性。钆在干燥空气中比较稳定，在湿空气中失去光泽，在现代技术革新中将起重要作用。此体系中Pt/Co界面产生垂直各向异性，Co/Gd界面产生共线的反铁磁耦合，才使得整体上显现亚铁磁性。

在其中一个实施例中，保护层140的材料是钌。钌是一种硬而脆呈浅灰色的多价稀有金属元素，元素符号是Ru，是铂族金属中的一员，在地壳中含量仅为十亿分之一，是最稀有的金属之一，性质很稳定，耐腐蚀性很强，常温即能耐盐酸、硫酸、硝酸以及王水的腐蚀。钌是铂族金属中最便宜的一种金属，尽管铂、钯等其他金属都比钌丰富一些。可以理解的是，保护层材料不仅限于上述钌单质，可以是其他任何材料，只要能够保证磁性层不被氧化，并且具有很高的化学稳定性，不与磁性层材料发生反应即可。

在其中一个实施例中，提供了一种拓扑磁结构的制备方法，本实施例利用磁控溅射技术生长获得前述的拓扑磁结构。磁控溅射(magnetron-sputtering)是70年代迅速发展起来的一种“高速低温溅射技术”。磁控溅射技术是在阴极靶的表面上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子在阴极位降区内被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线的运动。高能电子不断与气体分子发生碰撞并向后者转移能量，使之电离而本身变成低能电子。这些低能电子最终沿磁力线漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，避免高能电子对极板的强烈轰击，消除了二极溅射中极板被轰击加热和被电子辐照引起的损伤，体现出磁控溅射中极板“低温”的特点。由于外加磁场的存在，电子的复杂运动增加了电离率，实现了高速溅射。磁控溅射的技术特点是要在阴极靶面附件产生与电场方向垂直的磁场，一般采用永久磁铁实现。

具体地，首先设置磁控溅射仪上的使用功率和使用压强，并在运行过程中，通过控制溅射时间，进而控制拓扑磁结构在衬底层上生产的每一层的厚度。

在其中一个实施例中，利用磁控溅射仪设备在衬底层上沉积缓冲层5nm，在缓冲层上沉积至少5.8nm的磁性层，最后磁性层上沉积3nm的保护层。

在其中一个实施例中，在缓冲层上沉积的磁性层沉积了铂材料2.5nm，在铂材料上沉积钴材料2.5nm，在钴材料上沉积钌材料1nm。

在其中一个实施例中，提供了一种磁性斯格明子写入方法，本实施例通过对保护层表面进行预设时长的激光照射，以使磁性层产生磁性斯格明子。具体的实施方式是确定好激光的波长、光斑尺寸和脉冲时间后，照射在制备好的拓扑磁结构上。其中，目前领域内比较公认的写入原理有两种机制共同作用产生的磁性斯格明子，第一种机制是激光照射光斑处的磁性薄膜温度升高，亚铁磁具有温度补偿点，温度升高过补偿点后磁化方向会发生转变，光斑处的磁化状态转变为非平衡态。第二种机制是激光照射在薄膜上会产生一个等效磁场。两种机制共同作用实现在亚铁磁薄膜上写入磁性斯格明子。相较于传统的磁性斯格明子写入，本发明是向亚铁磁材料中写入磁性斯格明子，利用激光对亚铁磁性薄膜照射在磁性薄膜中写入磁性斯格明子，降低磁性薄膜中磁性斯格明子的成核能量阈值，结合了亚铁磁的磁性温度补偿点、动力学等性质，实现在磁性薄膜上超快写入斯格明子。相比较于传统的铁磁材料在信息存储领域具有更好的应用前景。

在其中一个实施例中，激光照射的预设时长为100飞秒。

在其中一个实施例中，激光的波长设置在700～800nm范围内。

在其中一个实施例中，激光的频率为1kHz。

在其中一个实施例中，激光的照射光斑处的能量密度是3毫焦每平方厘米。

在其中一个实施例中，提供了一种存储器，其包括：多个上述拓扑磁结构100、激光发射单元200和驱动单元300。其中，拓扑磁结构的衬底层110为铁电材料制成的衬底。铁电材料是指具有铁电效应的一类材料，所有的铁电材料都同时具备铁电性和压电性，其最基本的特性为在某些温度范围会具有自发极化，而且极化强度可以随外电场反向而反向，从而出现电滞回线。并非由外电场引起，而是由晶体内部结构引起的极化状态，称为自发极化。铁电性是指在一定温度范围内材料会产生自发极化。由于铁电体晶格中的正负电荷中心不重合，因此即使没有外加电场，也能产生电偶极矩，并且其自发极化可以在外电场作用下改变方向。当温度高于某一临界值时，其晶格结构发生改变，正负电荷中心重合，自发极化消失，这一温度临界值称为居里温度(Tc)。压电性是实现机械能-电能相互转换的一种性质。若在某一方向上给材料施加外力使材料发生形变，其内部会发生极化并在表面产生电荷，这就是压电效应；相反，若给材料施加电场则材料会发生形变而产生机械力，这就是逆压电效应。所有的铁电材料都具备上述两种特性，这是构建机电系统的材料基础之一。

激光发射单元200，用于对保护层表面进行预设时长的激光照射，以使磁性层产生磁性斯格明子。

驱动单元300，与衬底层连接，用于驱动磁性斯格明子在拓扑磁结构中运动，以实现信息的存储。

在其中一个实施例中，提供一种读写系统，包括：上述存储器以及读取装置，用于读取存储器里的存储信息。

传统的利用自旋极化电流在赛道存储器上写入磁性斯格明子，通常需要较高的电流密度和较长的写入时间，相较于传统的技术，本发明提供的存储器可以实现较低的能耗和较快的数据写入速度。

在其中一个实施例中，如图6所示，提供一种赛道存储器，包括：纳米带400、激光发射单元200和电流驱动单元310，其中，纳米带400由尺寸为200nm*1800nm*1nm的上述拓扑磁结构制100成。其中拓扑磁结构中的衬底层110材料为硅，正因为硅原子结构，所以有其具有一些特殊的性质：最外层的4个价电子让硅原子处于亚稳定结构，这些价电子使硅原子相互之间以共价键结合，由于共价键比较结实，硅具有较高的熔点和密度；化学性质比较稳定，常温下很难与其他物质(除氟化氢和碱液以外)发生反应；硅晶体中没有明显的自由电子，能导电，但导电率不及金属，且随温度升高而增加，具有半导体性质。纳米带沿长度方向依次分为信息写入区、信息存储区和信息读取区。

激光发射单元200，位于信息写入区，用于对保护层表面进行预设时长的激光照射，以使磁性层产生磁性斯格明子。

电流驱动单元310，正极位于信息读取区，负极位于信息写入区，用于驱动磁性斯格明子在拓扑磁结构中运动，以实现信息的存储。

其中，赛道存储器采用最新的“赛道”技术，其是一种利用磁性斯格明子的运动进行数据存储的存储器。磁性斯格明子是一些磁场方向规律转变的原子组成的薄膜状结构。赛道存储器中纳米级的磁性材料细线固定在一端上，电流方向决定是“1”还是“0”，并且存储器的两端受不断的脉冲电流，导致磁性斯格明子运动，赛道存储器因此可以实现全固态、速度快，耗电极低，断电依然保存数据，存储容量达到硬盘级的有益效果。

在其中一个实施例中，赛道存储器的信息读取区设有磁性隧道结(MagneticTunnel Junctions，MTJs)，用于读取磁性斯格明子。磁性隧道结(Magnetic TunnelJunctions，MTJs)是一种铁磁金属/绝缘体/铁磁金属的三明治结构非均匀磁系统。这种两个铁磁金属膜之间(如铬、钴、镍或铁镍)的金属氧化物(通常为氧化铝)势垒的自旋极化隧穿过程也可产生巨磁阻效应。这种磁性隧道结在横跨绝缘层的电压作用下，其隧道电流和隧道电阻依赖于两个铁磁层磁化强度的相对取向。当此相对取向在外磁场的作用下发生改变时，可观测到大的隧穿磁电阻(TMR)。(磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)相较于金属多层膜具有高得多的磁场灵敏度同时，磁性隧道结(Magnetic TunnelJunctions，MTJs)这种结构本身电阻率很高、能耗小、性能稳定，因此，磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junctions，MTJs)无论是作为读出磁头、各类传感器，还是作为磁随机存储器MRAM)，都具有无与伦比的优点。

在其中一个实施例中，赛道存储器的信息存储区，可以沿着磁性纳米带的轨道方向分为若干个存储单元，每个存储单元可以存储一个磁性斯格明子的状态。通过信息存储部分的磁性斯格明子进入信息读取部分，由信息读取部分读取通过其中的磁性斯格明子的极性，从而读取二进制数“0”或“1”，实现信息存储和信息读取。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。