[發明專利]一種調控鐵磁多層膜DM相互作用的方法

有效

• 申請號: 202110254760.5
• 申請日: 2021-03-09
• 公開（公告）號: CN113025954B
• 公開（公告）日: 2021-12-10
• 發明（設計）人: 馮春;趙永康;孟飛;祝榮貴;于廣華
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: C23C14/02
• 分類號: C23C14/02;C23C14/16;C23C14/35;C23C14/48
• 代理公司: 北京市廣友專利事務所有限責任公司 11237
• 代理人: 張仲波

一種調控鐵磁多層膜相互作用的方法，屬于高密度信息存儲及傳感技術領域。在經過表面酸化處理和超聲清洗的Si基片上，沉積鉑Pt/鈷Co/鉭Ta多層膜。沉積完畢后，對薄膜進行砷As離子注入，通過As離子調節與界面處的電子軌道占據以影響多層膜的自旋軌道耦合強度，從而調控鐵磁多層膜的DM相互作用。本發明通過As離子注入的方法直接調節多層膜界面的軌道占據，從而改變自旋?軌道耦合作用，最終調控多層膜界面的DM相互作用，該方法不依賴于特殊材料體系，具有普適性；并且，該方法可以通過改變注入離子源、注入能量以及注入密度等參數實現DM相互作用不同程度的調控，工藝簡單，成本低且可控性強，能夠應用于未來自旋電子學技術中。

技術領域

本發明屬于高密度信息存儲及傳感技術領域，涉及上述領域中關鍵核心材料單元—鐵磁金屬多層膜DM相互作用的調控方法，特別是提供了一種通過離子注入的方式改變多層膜界面處電子軌道占據和自旋軌道耦合，進而調控鐵磁多層膜的DM相互作用的方法。

背景技術

在鐵磁(FM)多層膜中，鐵磁層與具有大自旋軌道耦合(SOC)的重金屬(HM)接觸時，會產生強界面Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用。DM相互作用是一種反對稱交換相互作用，它有利于相鄰自旋S₁和S₂的非共線排列，利用這種特殊的自旋結構可以實現信息的存儲，因而有潛力應用在未來高密度、低功耗的磁存儲邏輯器件中。然而，在其應用過程中，仍存在許多問題需要解決，例如為了提高數據存儲的穩定性和速度，需要多層膜具有較大的DM相互作用。另外，斯格明子的尺寸和穩定性也強烈依賴于DM相互作用。因此對磁性多層膜DM相互作用的調控是其應用于存儲器件中的關鍵問題之一。

針對薄膜材料的DM相互作用調控，目前國際上已經開展了一些研究工作，主要集中在以下兩種方式：第一種是通過材料的結構設計調控界面DM相互作用，例如，在重金屬/鐵磁薄膜異質結構中，采用不同自旋軌道耦合強度的重金屬和不同3d過渡金屬，能夠獲得不同大小和手性的界面DM相互作用[Phys.Rev.Lett.117,247202(2016)]。然而，上述這些調控方法依賴于特殊的材料體系，而且一旦薄膜沉積完畢就很難再對界面DM相互作用進行后續調控。第二種調控方式是通過電場控制鐵磁/氧化物薄膜的界面電荷分布或氧化狀態，進而動態地調控其界面DM相互作用。例如，利用電場引起Pt/CoFeB/TaOx多層膜中電荷的重新分布，從而顯著改變界面DM相互作用(變化率達到130％)，并動態地調控材料中斯格明子的尺寸和手性[Nano Lett.18,4871(2018)]。但是，由于上述體系中的氧化物一般只有幾個納米，很難保證具有良好的絕緣性，此時施加高電壓時可能會造成擊穿或短路，在一定程度上會影響調控的效果和均勻性。同時，由于金屬材料存在電荷屏蔽效應，這種電場操控DM相互作用的方法很難直接應用于常用的純金屬薄膜體系如Pt/Co/Ta、Ir/Fe/Co/Pt等。綜上所述，盡管國際上針對薄膜材料DM相互作用的調控已經開展了一些研究工作，但是目前已有的調控手段存在著依賴于特殊材料體系、無法在成膜后實現動態調控或調控均勻性差等問題，因此，如何高效、簡單的調控鐵磁金屬多層膜DM相互作用，對于發展新一代自旋電子學存儲器件具有重要的科學意義和實用價值。

發明內容

本發明的目的在于：提供一種通過離子注入改變鐵磁多層膜界面處的軌道占據和自旋軌道耦合強度，進而調控多層膜DM相互作用的方法。

一種調控鐵磁多層膜DM相互作用的方法，其特征為：在經過表面酸化處理和超聲清洗的Si基片上沉積Pt/Co/Ta多層膜，沉積完畢后，在真空條件下對上述多層膜進行As離子注入。

進一步地，該方法的具體過程為：

(1)、對Si基片進行表面酸化和超聲清洗處理，所述的Si基片厚度為0.5～0.8毫米，酸化處理的PH值為6-6.7，酸化時間為3-5分鐘；超聲清洗的介質為分別為酒精和丙酮溶液，清洗的優先順序為先丙酮溶液后酒精溶液，各清洗兩遍，每遍9-11分鐘；