申请/专利权人：北京大学

申请日：2022-05-20

公开（公告）日：2024-05-24

公开（公告）号：CN114864629B

主分类号：H10B61/00

分类号：H10B61/00;H10N52/00;H10N50/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.24#授权;2022.08.23#实质审查的生效;2022.08.05#公开

摘要：本发明公开了一种范德瓦尔斯各向异性磁振子只读存储器及其实现方法。本发明利用范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层中磁振子传输的各向异性，通过控制每个信息位上探测电极的长边取向，实现“0”和“1”信号的准确写入；在读取时，通过热注入的方式使得范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层中产生磁振子的自旋流，并利用磁振子的长程量子输运以及界面自旋‑交换相互作用，在探测电极中引起了自旋流，并利用探测电极的强自旋轨道耦合特性，通过逆自旋霍尔效应测到了该自旋流引起的电压信号，从而能实现“0”和“1”信号的准确读取；本发明能够直接与基于磁振子的逻辑运算自旋电子学器件集成，用于新一代基于自旋的集成电路中。

主权项：1.一种范德瓦尔斯各向异性磁振子只读存储器，其特征在于，所述范德瓦尔斯各向异性磁振子只读存储器包括：衬底层、范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层、注入电极、调控电极和探测电极；其中，在衬底层上设置范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层，范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层所在的平面为xy平面；范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层具有至少两个不同的晶轴方向，并且沿着这两个不同的晶轴方向的磁交换相互作用能的强度不同，一个晶轴方向的磁交换相互作用能强，另一个晶轴方向的磁交换相互作用能弱；在范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层上分别设置注入电极、调控电极和探测电极；注入电极、调控电极和探测电极的水平形状分别为长条形，且处于同一平面；注入电极、调控电极和探测电极沿长边平行，调控电极位于注入电极与探测电极之间，且调控电极距离注入电极和探测电极的距离均小于10μm；探测电极的长边取向至少具有两个方向，两个长边取向分别垂直于磁交换相互作用能强的晶轴方向和磁交换相互作用能弱的晶轴方向，信息传递的方向垂直于长边取向；在注入电极的两端分别设置有注入端口，注入电极通过两个注入端口连接至外部的交流电流源；在调控电极的两端分别设置有调控端口，调控电极通过两个调控端口连接至外部的直流电流源；在探测电极上分别设置有n+1个探测端口，每相邻的两个探测端口之间构成一个信息位，从而构成n个信息位，n为≥1的正整数，每相邻的两个探测端口连接至一个外部的交流电压表；在写入时，利用范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层的磁各向异性，通过严格控制每个信息位所在的探测电极的长边取向垂直于磁交换相互作用能强的晶轴方向或磁交换相互作用能弱的晶轴方向，实现“1”或“0”信号的准确写入；其中，长边取向垂直于磁交换相互作用能强的晶轴方向的所有信息位为“1”信号，同时长边取向垂直于磁交换相互作用能弱的晶轴方向的所有信息位为“0”信号；在读取时，范德瓦尔斯各向异性磁振子只读存储器置于低于其磁转变温度的低温环境中；施加xy平面面内的外磁场与磁交换相互作用能强的晶轴方向和磁交换相互作用能弱的晶轴方向均具有夹角，使得范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层磁化，获得一个沿着外磁场方向的磁化分量外部的交流电流源通过注入端口向注入电极输入低频交流电流Iin，位于注入电极下方的范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层会局部受热，从而在范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层位于注入电极下方的周围区域会产生温度差ΔT；温度差导致自旋塞贝克效应，使得范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层中的磁振子密度分布产生梯度，磁振子密度分布的梯度与温度梯度方向一致，范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层中产生垂直于长边取向的磁振子自旋流，磁振子自旋流的自旋极化矢量方向即为范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层的磁化方向；并且由于磁振子密度分布的不均匀，磁振子自旋流沿磁化方向利用范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层中磁振子的长程量子输运，扩散到范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层位于探测电极下方的区域；范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层中位于探测电极下方的区域形成磁振子自旋的积累，范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层中位于探测电极下方的区域的局域磁矩与探测电极中的导电电子通过界面自旋-交换相互作用发生耦合，从而在探测电极中导致自旋的不平衡，引起电子的自旋流；电子的自旋流的空间矢量为垂直于范德瓦尔斯各向异性磁性绝缘体薄层所在的平面，即电子的自旋流的空间矢量沿z方向，在探测电极中，自旋流电势沿着z方向逐渐减小；根据逆自旋霍尔效应，由于自旋轨道相互作用，在探测电极产生自旋电动势EISHE,自旋电动势表示为： 其中，θSH为自旋霍尔角，ρ为探测电极的电阻率，为探测电极中自旋流的空间矢量，为探测电极的电子的自旋极化矢量；探测电极中自旋流的空间矢量由注入电流引起，并受调控电流Igate调控，随着调控电流Igate的变化而变化；探测电极产生的自旋电动势EISHE在探测端口产生二倍频电压V2w；外部的交流电压表通过探测端口，测量得到两个相邻的探测端口的二倍频电压V2w；外部的直流电流源通过调控端口向调控电极施加直流的调控电流Igate，直流的热效应改变了磁振子自旋传输通道的温度，进而改变了范德瓦尔斯磁性绝缘体薄层的自旋塞贝克系数，从而改变了范德瓦尔斯磁性绝缘体薄层中磁振子自旋流，使得两个相邻的探测端口的二倍频电压V2w随之发生变化；通过调控电流Igate，使得位于与磁交换相互作用能弱的晶轴方向垂直的探测端口的二倍频电压V2w调为0，同时位于与磁交换相互作用能强的晶轴方向垂直的探测端口的二倍频电压V2w为非0的值，此时，连接长边取向垂直于磁交换相互作用能强的晶轴方向的所有信息位的交流电压表读取出“1”信号，同时连接长边取向垂直于磁交换相互作用能弱的晶轴方向的所有信息位的交流电压表读取出“0”信号，从而实现只读存储器的准确读取操作。

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百度查询： 北京大学 一种范德瓦尔斯各向异性磁振子只读存储器及其实现方法

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