一种利用电场写入数据的四态磁存储单元.pdf

本发明公开了一种利用电场写入数据的四态磁存储单元。其包括：第一电极层；铁电氧化物层，所述铁电氧化物层形成于所述第一电极层上；第二电极层，所述第二电极层形成于所述铁电氧化物层上；磁性记录层，所述磁记录层形成于所述第二电极层上，所述磁性记录层的平面具有4重对称性，用于进行磁性记录，所述铁电氧化物层与磁性记录层之间具有磁电效应的耦合作用；以及保护层，所述保护层设置于所述磁性记录层上，以保护所述磁性记录层。与现有技术相比，本发明对磁性记录层的形状各向异性与排列做了优化，使得磁性记录层的磁化强度在外加电压的作用下的翻转方向可以被控制，磁化强度的四种状态都可以通过外加电压进行写入，从而实现4进制数据存储。

1.  一种利用电场写入数据的四态磁存储单元，其包括：
第一电极层；
铁电氧化物层，所述铁电氧化物层形成于所述第一电极层上；
第二电极层，所述第二电极层形成于所述铁电氧化物层上；
磁性记录层，所述磁记录层形成于所述第二电极层上，所述磁性记录层的平面具有4重对称性，用于进行磁性记录，所述铁电氧化物层与磁性记录层之间具有磁电效应的耦合作用；以及
保护层，所述保护层设置于所述磁性记录层上，以保护所述磁性记录层。

2.  根据权利要求1所述的四态磁存储单元，其特征在于：所述4重对称性为4个对称花瓣形状。

3.  根据权利要求1或2所述的四态磁存储单元，其特征在于：所述磁性记录层在表面内的长轴方向与所述铁电氧化物层在电场作用下在表面内所产生的应变方向不重合。

4.  根据权利要求1-3中任一项所述的四态磁存储单元，其特征在于：所述铁电氧化物层由Pb(Zr,Ti)O₃、PbZrO₃、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃和Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃中的一种材料制成。

5.  根据权利要求1-4中任一项所述的四态磁存储单元，其特征在于：所述铁电氧化物层的厚度不大于5微米；
所述磁性记录层的厚度不大于40纳米，
所述磁性记录层的长轴不大于200纳米。

6.  根据权利要求1-5中任一项所述的四态磁存储单元，其特征在于：所述磁性记录层由Ni基合金、Co基合金或Fe基合金制成。

7.  根据权利要求1-6中任一项所述的四态磁存储单元，其特征在于：所述第一电极层和所述第二电极层均由下述材料中的一种或几种制成：Ti、Cu、Pt、Au、Ag、钌酸锶和镍酸镧。

8.  根据权利要求1-7中任一项所述的四态磁存储单元，其特征在于：所述四态磁存储单元还包括设置于所述保护层上的润滑层。

9.  一种具有四态磁存储单元的存储器，其包括：
多个权利要求1-8中任一项所述的四态磁存储单元；
多个用于对所述铁电氧化物层施加电压的写入电路及相应的选择电路和控制器；
用于读取磁存储信息的磁头。

一种利用电场写入数据的四态磁存储单元
技术领域
本发明涉及一种利用电场写入数据的四态磁存储单元以及具有该存储单元的水平磁性记录装置，属于计算机存储技术领域。
背景技术
现有的已商业化的磁性存储技术是基于磁场或电流写入数据。利用磁场或电流写入数据的一个缺点是操作过程中产生的功耗高。为了解决这一难题，利用电场进行读写操作的磁电随机存储器（MeRAM）的概念及设计已被提出。对于磁电随机存储器（MeRAM），其写入数据时是先利用外加电场使铁电层产生应变，然后再由应变来调控磁性层的磁化状态。当磁电随机存储器（MeRAM）中的磁性层为具有面内各向同性（例如圆片形）或二重对称性（例如椭圆片形）时，通过外加电场作用使铁电层所产生的应变不能控制磁性记录层内磁化强度的具体翻转方向。例如，假设当前磁记录层的磁化强度方向是沿着“+x”方向，在压电应变作用下磁化强度要发生90度翻转，存在两种可能的翻转结果，即“+y”或“-y”方向，而这两种翻转方式却是随机的。因此，已有的磁电随机存储器（MeRAM）的设计都是基于磁化强度的90度翻转而导致一个“高”阻态和一个“低”阻态以实现二进制存储。如果磁化强度在压电应变作用下具体的90度翻转方向可以控制，那么就可以用电场操控四个磁化状态从而实现四进制存储，使存储密度提高2倍。
磁电效应指的是在施加外电场作用下引起材料磁极化发生变化的多场耦合效应。多铁性磁电复合材料指的是一类将具有铁电性的材料和铁磁性的材料按照一定的复合结构组合在一起的新材料，这类新材料具有磁电效应。2011年吴涛等人制备了以Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃)为铁电氧化物层和以圆片形状的Ni为磁性层的多铁性磁电复合材料，他们发现在外加电场作用下，Ni磁性层的磁化强度的面内易轴翻转了90度。2013年Buzzi等人同样制备了包含Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃)和Ni的多铁性磁电复合材料，只不过磁性层Ni的面内形状为椭圆形。Buzzi等人用X射线光发射电子显微镜观察到了Ni的磁化强度在外加电场作用下发生了90度翻转。这些实验一方面证实了在磁电复合结构中，外加电场的确能使磁性层的磁化强度发生翻转；另一方面也表明了当磁性层为面内各向同性的圆片形或具有2重对称性的椭圆片形时，磁化强度在外加电场作用下的翻转方向不可控，因而只能实现二进制存储。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用电场写入数据的四态磁存储单元以及具有该存储单元的水平磁性记录装置，本发明可以利用磁性记录层形状的四重对称性（图1所示的4个对称花瓣形状)及面内形状磁易轴与压电应变方向不重合来解决现有技术中存在的上述问题。
本发明所提供的一种利用电场写入数据的四态磁存储单元，其包括：
第一电极层；
铁电氧化物层，所述铁电氧化物层形成于所述第一电极层上；
第二电极层，所述第二电极层形成于所述铁电氧化物层上；
磁性记录层，所述磁记录层形成于所述第二电极层上，所述磁性记录层的平面具有4重对称性，用于进行磁性记录，所述铁电氧化物层与磁性记录层之间具有磁电效应的耦合作用；以及
保护层，所述保护层设置于所述磁性记录层上，以保护所述磁性记录层。
上述的四态磁存储单元中，所述4重对称性为4个对称花瓣形状。
上述的四态磁存储单元中，所述磁性记录层在平面内的长轴方向与所述铁电氧化物层在电场作用下在平面内所产生的应变方向不重合。
上述的四态磁存储单元中，所述铁电氧化物层可由Pb(Zr,Ti)O₃、PbZrO₃、Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃和Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃中的一种材料制成。
上述的四态磁存储单元中，所述铁电氧化物层的厚度不大于5微米；
所述磁性记录层的厚度不大于40纳米，
所述磁性记录层的长轴不大于200纳米。
上述的四态磁存储单元中，所述磁性记录层由Ni基合金、Co基合金或Fe基合金制成。
上述的四态磁存储单元中，所述第一电极层和所述第二电极层均由下述材料中的一种或几种制成：Ti、Cu、Pt、Au、Ag、钌酸锶和镍酸镧。
上述的四态磁存储单元中，所述四态磁存储单元还包括设置于所述保护层上的润滑层。
本发明还进一步提供了一种具有四态磁存储单元的存储器，其包括：
多个所述的四态磁存储单元；
多个用于对所述铁电氧化物层施加电压的写入电路及相应的选择电路和控制器；
用于读取磁存储信息的磁头。
与现有技术相比，本发明对磁性记录层的形状各向异性与排列做了优化，使得磁性记录层的磁化强度在外加电压的作用下的翻转方向可以被控制，磁化强度的四种状态都可以通过外加电压进行写入，从而实现4进制数据存储。
附图说明
图1为本发明利用电场写入数据的四态磁存储单元的磁性记录层与第二电极层的面内示意图（A、B、C、D为磁化强度的可能的方向）；
图2为本发明利用电场写入数据的四态磁存储单元的结构示意图（沿磁头运动方向的横截面图）；
图3为本发明利用电场写入数据的四态磁存储单元的工作过程示意图，其中图（a）为电场作用下应变变化图，图（b）为磁性记录层从起始的磁化强度状态A转变为D状态所需要加的电压过程示意图；
图4为本发明利用电场写入数据的四态磁存储单元的磁性记录层在持续的“拉伸应变”和“压缩应变”作用下磁化强度的翻转行为（图4（a））和利用相场模拟得到的四种磁化强度（A、B、C、D）沿着GMR/TMR磁头运动方向的剩余磁化强度分量，即（如4（b））；
附图标记说明：
1第一电极层、2铁电氧化物层、3第二电极层、4磁性记录层、5保护层6润滑层、7写入电路、8磁头。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
图1示意性地显示本发明利用电场写入数据的四态磁存储器的磁性记录层的面内形状及排列方向。磁性层面内形状具有各向异性，具有且仅具有4重对称性。来自于铁电氧化物层的应变轴为对角线方向，磁性层的对称轴与应变轴不重合，需要有一个非零夹角θ，相场模拟显示此夹角θ的最佳值为22.5度。在来自于铁电氧化物层的压电应变作用下，磁性层的磁化强度可能有4个状态，即A、B、C、D，具体的方向可以由外加电压进行调控。
图2示意性地显示本发明利用电场写入数据的四态磁存单元的结构图，此横向截面图可以沿着图1中的磁头运动方向获得。该利用电场写入数据的四态磁存储单元基于磁电效应的原理，采用图2中的复合结构，其包括：第一电极层1、铁电氧化物层2、第二电极层3、磁性记录层4、保护层5、润滑层6以及写入电路7。其中，第一电极层1形成在铁电氧化物层2下面，第二电极层3形成在铁电氧化物层2上面；磁性记 录层4设置在第二电极层3上，用于进行磁性记录，铁电氧化物层2与磁性记录层4之间具有磁电耦合效应；保护层5设置在磁性记录层4上，以保护磁性记录层4；写入电路7的正负两极分别与第一电极层1和第二电极层3相连通，从而经由第一电极层1和第二电极层3对铁电氧化物层2施加工作电场以调控磁性记录层4中的磁化强度实现数据存储。写入电路的选择电路和控制器用于在存储器中选择和控制所需要信息写入的对应存储单元，并按照所需写入的信息施加相应大小的电压。该选择电路和控制器可使用公知的本领域技术中各种CMOS器件及相对应的引线结构构成。标记8为用来读取数据的磁头。
更具体地，参考图3所示，本发明更进一步的实施例，在本发明利用电场写入数据的四态磁存储单元处于工作状态时，不同的工作电压会使铁电层发生相应的应变；以PMN-PT铁电氧化物层为例，对其进行适当的预极化处理（具体可参照Wu T et al.,Applied Physics Letters98,262504(2011)），可使铁电氧化层在适当的外加电场下所产生的应变有着图3（a）所示的行为；垂直方向的适当负电压（具体值取决于铁电层的厚度）能使铁电层产生沿图2所示对角线方向的拉伸应变，正电压能使铁电层产生沿图2所示对角线方向的压缩应变。
例如，若是对铁电氧化物层施加如图3（b）所示的电压行为，磁性层的磁化强度将发生如图4（a）所示的翻转行为，当施加在铁电氧化物层的工作电压为负压V_A时，磁性记录层所受的应变为沿着图2所示对角线方向的拉伸应变，磁性层的磁化强度（以Ni作为磁性层为例）为A状态，面内取向角为改变电压为正压V_B，使磁性记录层所受的应变为沿着图2所示对角线方向的压缩应变时，磁性层的磁化强度逆时针翻转了90°至B状态，面内取向角为再改变电压为负压V_C（V_C=V_A），使磁性记录层所受的应变为沿着图2所示对角线方向的拉伸应变时，磁性层的磁化强度逆时针翻转了90°至C状态，面内取向角为再次改变电压为正压V_D（V_D=V_B），使磁性记录层所受的应变为沿着图2所示对角线方向的压缩应变时，磁性层的磁化强度逆时针翻转了90°至D状态，面内取向角为若再次改变电压为负压V_A，使磁性记录层所受的应变为沿着图2所示对角线方向的拉伸应变时，磁性层的磁化强度会继续进行逆时针翻转90°至A状态，面内取向角为从而完成一个完整360°翻转；因此，通过施加适当的电压顺序，可以完成A、B、C、D四种磁化强度状态的任意一种的写入工作，实现电场写入数据的四态磁存储；
而且，此四种磁化强度状态可以由已经公开的GMR或TMR磁头读取出来，如图4（b）所示，相场模拟计算了A、B、C、D四种磁化强度状态的沿着图2所示的磁头运动方向的剩余磁化强度分量，即这四种剩余磁化强度分量会使GMR或TMR磁头显示四种不同的磁阻值；通过合理设置磁头的运动方向，可以使这 四种磁阻被更好的区别开来；通过简单计算发现，当磁头的运动方向与图2所示的C状态方向所成夹角为18°时，四种磁阻值会有相同的间隔，即四种磁阻值分别为R、2R、3R和4R。
由此，与现有技术相比，本发明采用多铁性磁电复合体系作为磁存储器件的主要部分，利用磁电效应的作用、磁性记录层的形状各向异性及4重对称性、磁性记录层的面内形状磁易轴与压电应变方向不重合，通过电场控制铁电氧化物层2与磁性记录层4之间的耦合效应对磁性进行调制，实现电场写入四态数据。
上述的利用电场写入数据的四态磁存储单元中，铁电氧化物层2具体由锆钛酸铅（Pb(Zr,Ti)O₃）、锆酸铅(PbZrO₃)、铌镁酸铅Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃和铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃)中的一种材料制成。
磁性记录层4具体由铁磁性材料制成，用于形成磁性记录层4的铁磁性材料包括但不仅限于诸如Ni、NiFe等Ni基、Fe基合金薄膜或Co基合金制成。
第一电极层1和第二电极层3具体由Ti、Cu、Pt、Au、Ag、钌酸锶或镍酸镧等制成。
保护层5是用于保护从磁性记录层4以下的构成层的一个结构，例如，可使用类金刚石非晶碳为主要成分的薄膜。除此以外保护层5可以使用公知的本领域技术中磁性记录介质保护的任一种薄膜材料来形成。
为了减小磁头8和硬盘之间的摩擦，在保护层5上设置润滑层6，可使用公知的本领域技术中各种高分子润滑剂构成。
本实施例中，铁电氧化物层2的厚度为5微米，磁性记录层3厚度为40纳米，磁性记录层的面内形状长轴为200纳米，以确保磁性层能充分地被压电应变调控且为单畴磁化状态。
尽管参照本发明的多个示意性实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的描述，但是必须理解，本领域技术人员可以设计出多种其他的改进和实施例，这些改进和实施例将落在本发明原理的精神和范围之内。具体而言，在前述公开、附图以及权利要求的范围之内，可以在零部件和/或者从属组合布局的布置方面作出合理的变型和改进，而不会脱离本发明的精神。除了零部件和/或布局方面的变型和改进，其范围由所附权利要求及其等同物限定。