一种调整磁隧道结磁各向异性的方法及相应磁隧道结
阅读：331发布：2020-05-13
专利汇可以提供一种调整磁隧道结磁各向异性的方法及相应磁隧道结专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于自旋 电子 学应用领域，公开了一种调整 磁隧道结 磁 各向异性 的方法及相应磁隧道结，该调整方法具体是通过在磁隧道结的膜层结构中插入金属夹层来控制电子轨道耦合作用的贡献，从而实现对磁隧道结磁各向异性的调整；初始的所述磁隧道结的膜层结构依次包括势垒层、 铁 磁层 以及非 磁性 金属 覆盖 层 。本发明基于界面效应，通过加入金属夹层改变Bloch电子态在费米能级附近的分布，进而控制电子轨道间耦合作用项的贡献，实现对磁隧道结磁各向异性的精确调整(如 原子 磁矩以及磁隧道结的磁各向异性能、磁电系数等)，以满足实际应用中的多种需求。特别的，可以获得足够高的垂直磁各向异性解决自旋转移 力 矩磁 存储器 写入功耗过高的问题。，下面是一种调整磁隧道结磁各向异性的方法及相应磁隧道结专利的具体信息内容。
1.一种调整磁隧道结磁各向异性的方法，其特征在于，该方法是通过在磁隧道结的膜层结构中插入金属夹层来控制电子轨道耦合作用的贡献，从而实现对磁隧道结磁各向异性的调整；初始的所述磁隧道结的膜层结构依次包括势垒层、铁磁层以及非磁性金属覆盖层。
2.如权利要求1所述调整磁隧道结磁各向异性的方法，其特征在于，所述对磁隧道结磁各向异性的调整具体包括：对原子磁矩、磁各向异性能或磁电系数的调整。
3.如权利要求1所述调整磁隧道结磁各向异性的方法，其特征在于，所述金属夹层所采用的金属元素选自Ⅷ族过渡金属元素、Ag以及Au；优选的，所述Ⅷ族过渡金属元素选自Rh、Ir、Ni以及Pd。
4.如权利要求1所述调整磁隧道结磁各向异性的方法，其特征在于，插入的所述金属夹层位于势垒层/铁磁层界面处，或者位于铁磁层内部，或者位于铁磁层/非磁性金属覆盖层界面处。
5.如权利要求1所述调整磁隧道结磁各向异性的方法，其特征在于，所述金属夹层的厚度不超过10个原子层。
6.如权利要求1所述调整磁隧道结磁各向异性的方法，其特征在于，该方法在向磁隧道结的膜层结构中插入金属夹层的同时，还额外引入了外电场作为辅助，外电场能够调整电子轨道在费米能级处的占据情况，从而辅助对磁隧道结的磁各向异性的调整。
7.如权利要求1所述调整磁隧道结磁各向异性的方法，其特征在于，初始的所述磁隧道结的膜层结构依次包括MgO层、Fe原子层和Pt原子层，其中，所述MgO层的厚度为4个原子层，Fe原子层的厚度为8个原子层，Pt原子层的厚度为3个原子层；并且，所述在磁隧道结膜层结构中插入金属夹层，具体是在MgO/Fe界面插入厚度为1～3个原子层的Rh原子层作为金属夹层。
8.利用如权利要求1－7任意一项所述方法得到的磁各向异性调整后的磁隧道结。
一种调整磁隧道结磁各向异性的方法及相应磁隧道结
技术领域
背景技术
[0002] 众所周知，电子具有电荷和自旋两种内禀属性，电荷决定电子在电场中的表现，自旋则影响电子在磁场中的行为。不同于传统的半导体存储器依赖电荷实现数据的传输和存储，磁随机存储器基于电子自旋效应完成数据状态的翻转。磁随机存储器的发展经历了磁场驱动和电流驱动两个阶段。相比之下，电流驱动型，也就是自旋转移力矩磁存储器，没有附加的写信息线、结构更加简单，且开关电流随着单元尺寸的减小而降低，配套的CMOS集成电路的晶体管尺寸也就更小，可微缩性和存储密度都得以提高。
[0003] 磁隧道结是自旋转移力矩磁存储器的核心存储单元，是一种类似三明治的膜层结构，包括钉扎层、自由层以及势垒层。在磁隧道结中，信息的存储依赖于自由层中磁化状态的保持能力，也就是磁性电极的热稳定性能；读操作要求磁阻器件的隧穿磁阻比足够大，稳态下的阻值可区分；写操作通过改变自由层的磁化方向来进行，受到临界写入电流密度的影响。同时满足热稳定性和写入电流两方面的性能诉求对于自旋转移力矩磁存储器来说是一个重大的挑战。类似于早期的磁记录介质，磁隧道结的热稳定因子由磁化翻转时的能量势垒和工作温度之比决定：
[0004]
[0005] 其中，各向异性能密度Ku是饱和磁化强度MS和自由层的各向异性磁场Hk共同决定的。而写入电流通常由临界开关电流密度Jc0进行表征，Jc0指的是自由层磁矩在小幅值脉冲作用下持续进动所需的电流密度，其幅值与10ns脉宽下的中值开关电流密度Jc相当：
[0006]
[0007] 其中，η、α、t和H⊥eff依次为自由层的自旋传输效率、阻尼系数、薄膜厚度和面外方向退磁场。显然，采用强垂直磁各向异性的材料作为磁隧道结的磁性层可以改善磁隧道结的热稳定性，但是也会带来开关电流过大，写入功耗居高不下的问题。此外，新的材料体系可能存在结构复杂的问题，不利于实验上制备单晶外延的磁隧道结器件。
[0008] 为了解决上述难题、更高效的控制磁隧道结的磁化状态，研究人员提出了一些辅助信息写入的机制：电场辅助、热辅助以及微波辅助。其中，电场辅助对铁磁层磁化状态的调节更为灵活，临界电流密度的降低也更为显著。需要注意的是，电场对磁各向异性的影响仅局限于表面或界面处的几个原子层。特别地，当薄膜厚度达到亚微米尺度时，界面非对称的晶格结构、缺陷和应力等界面效应将凸现出来，对器件性能产生直接影响。自2010年Ikeda等人通过函数拟合提出垂直磁各向异性是由界面效应引起的，大量的工作集中于界面垂直磁各向异性的物理起源。主流观点认为，垂直磁各向异性是由费米能级处的电子轨道杂化作用导致的。Hallal等人对磁各向异性能按原子层进行分解，发现邻近界面的磁性原子层对磁各向异性都有贡献。还有一些工作致力于获得更强的垂直磁各向异性，研究了界面氧化状态、非磁性金属覆盖层和重金属掺杂对磁各向异性的影响。因此，进一步探索磁隧道结膜层结构的界面效应对于解决工艺兼容性问题和指导器件设计来说是很有必要的。
发明内容
[0009] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种调整磁隧道结磁各向异性的方法及相应磁隧道结，该调整方法基于界面效应，通过加入金属夹层(还可通过进一步调节金属夹层的元素种类、作用位置和夹层厚度等)，改变Bloch电子态在费米能级附近的分布，通过调整有效角动量矩阵单元的大小，进而控制电子轨道间耦合作用项的贡献，实现对磁隧道结磁各向异性的精确调整(如原子磁矩以及磁隧道结的磁各向异性能、磁电系数等)，以满足实际应用中的多种需求。特别的，可以获得足够高的垂直磁各向异性，解决自旋转移力矩磁存储器写入功耗过高的问题；此外，该方法还能减小界面处的晶格失配度，有助于磁隧道结的外延制备和性能改善。
[0010] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种调整磁隧道结磁各向异性的方法，其特征在于，该方法是通过在磁隧道结的膜层结构中插入金属夹层来控制电子轨道耦合作用的贡献，从而实现对磁隧道结磁各向异性的调整；初始的所述磁隧道结的膜层结构依次包括势垒层、铁磁层以及非磁性金属覆盖层。
[0011] 作为本发明的进一步优选，所述对磁隧道结磁各向异性的调整具体包括：对原子磁矩、磁各向异性能或磁电系数的调整。
[0012] 作为本发明的进一步优选，所述金属夹层所采用的金属元素选自Ⅷ族过渡金属元素、Ag以及Au；优选的，所述Ⅷ族过渡金属元素选自Rh、Ir、Ni以及Pd。
[0013] 作为本发明的进一步优选，插入的所述金属夹层位于势垒层/铁磁层界面处，或者位于铁磁层内部，或者位于铁磁层/非磁性金属覆盖层界面处。
[0014] 作为本发明的进一步优选，所述金属夹层的厚度不超过10个原子层。
[0015] 作为本发明的进一步优选，该方法在向磁隧道结的膜层结构中插入金属夹层的同时，还额外引入了外电场作为辅助，外电场能够调整电子轨道在费米能级处的占据情况，从而辅助对磁隧道结的磁各向异性的调整。
[0016] 作为本发明的进一步优选，初始的所述磁隧道结的膜层结构依次包括MgO层、Fe原子层和Pt原子层，其中，所述MgO层的厚度为4个原子层，Fe原子层的厚度为8个原子层，Pt原子层的厚度为3个原子层；并且，所述在磁隧道结膜层结构中插入金属夹层，具体是在MgO/Fe界面插入厚度为1～3个原子层的Rh原子层作为金属夹层。
[0017] 按照本发明的另一方面，本发明提供了利用上述方法得到的磁各向异性调整后的磁隧道结。
[0018] 通过本发明构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过加入金属夹层，能够改变Bloch电子态在费米能级处的分布，从而改变电子轨道耦合作用项的贡献，实现对磁隧道结磁各向异性的调控。此外，在插入金属夹层的同时还可以引入电场辅助机制，对磁隧道结的磁各向异性实现更精确地调控，引入外电场作用会调整电子轨道在费米能级处的占据情况。
[0019] 本发明中的调整方法具体是在典型的磁隧道结膜层结构中插入金属夹层来改变界面电子结构的分布，从而实现对磁隧道结磁各向异性的调整。通过插入金属夹层，并优选通过对关键的金属夹层元素种类、作用位置、薄膜厚度等进行改进，与现有技术相比可以显著提高磁隧道结的垂直磁各向异性，解决磁存储器在小型化过程中遇到的热稳定性问题。
[0020] 具体说来，本发明具有如下优点：
[0021] (1)本发明通过插入金属夹层，并优选通过控制金属夹层的元素种类、作用位置以及薄膜厚度，能够改变Bloch电子态在费米能级附近的分布，控制电子轨道间耦合作用项的贡献，精确调控磁隧道结的磁各向异性，用以获得足够高的垂直磁各向异性能，解决自旋转移力矩磁存储器在发展过程中遇到的热稳定性问题。金属夹层采用不同的金属元素、插入位置、膜层厚度都会导致迥异的磁各向异性行为，可以满足磁隧道结的磁各向异性在不同应用场景下的需求。
[0022] (2)选择合适的金属材料用作磁隧道结的界面夹层，可以起到缓冲层的作用，减小势垒层和铁磁层间的晶格失配度和界面应力，有助于实现器件的外延制备和性能改善。
[0024] 图1为本发明所述磁隧道结的结构示意图。
[0025] 图2为本发明所述调整磁隧道结磁各向异性的方法流程示意图。
[0026] 图3为本发明实施例1中VASP计算的模型原理图。
[0027] 图4为本发明实施例1所述MgO/Fe_8ML/Pt的电子结构特性，图4中的(a)和(b)分别是MgO/Fe界面处Fe原子d轨道的分波态密度和少数自旋能带。
[0028] 图5为本发明实施例1所述MgO/Rh_1ML/Fe_8ML/Pt的电子结构特性，图5中的(a)和(b)分别是Rh/Fe界面处Fe原子d轨道的分波态密度和少数自旋能带。
[0029] 图6为本发明实施例1所述MgO/Ir_1ML/Fe_8ML/Pt的电子结构特性，图6中的(a)和(b)分别是Ir/Fe界面处Fe原子d轨道的分波态密度和少数自旋能带。
[0030] 图7为本发明实施例2所述在MgO/Fe/Pt不同位置加入金属夹层的差分电荷密度及其面内平均分布曲线，图7中的(a)、(b)、(c)依次对应MgO/Fe界面、铁磁层内部以及Fe/Pt界面加入金属夹层的情况，其中，曲线正向峰值对应区域表示电子聚集，曲线负向峰值对应区域表示电子耗散。
[0031] 图8为本发明实施例4所述磁隧道结MgO/Fe/Pt的磁各向异性能密度在电场下的变化趋势，铁磁层厚度依次设置为5、9、13个Fe原子层。
具体实施方式
[0032] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0033] 本发明中调整磁隧道结磁各向异性的方法，具体是基于界面效应来调整磁隧道结磁各向异性，通过在典型的磁隧道结膜层结构中加入金属夹层，可以改变有效角动量矩阵单元的大小，调节界面原子的电子轨道耦合作用，从而调整原子磁矩以及磁隧道结的磁各向异性。进一步，引入电场辅助磁化反转可以更精确的调节磁隧道结的磁各向异性，调节幅度也更大。
[0034] 本发明基于密度泛函理论，通过计算加入金属夹层前后磁隧道结磁各向异性能和界面电子结构的变化，得到金属夹层的元素种类、作用位置以及薄膜厚度对磁隧道结磁各向异性的影响。具体地，第一性原理计算基于Hafner课题组开发的VASP软件包展开，采用缀加投影波赝势来近似描述原子核和内层电子产生的复杂势场，并采用广义梯度近似作为电子间交换关联泛函。平面波截断动能设置为500eV，布里渊区的采样使用Γ点为中心的Monkhorst-Pack法，网格大小设置为17×17×1。磁各向异性能取决于磁隧道结在不同晶向下磁化能的差异，其一般表达式为：
[0035] MAE＝E100-E001
[0036] 其中E100和E001分别为磁隧道结在面内方向和面外方向的磁化能；磁电系数则是磁各向异性能对电场的一阶导数，电场的施加是通过在真空层中加入偶极矩实现的；电子结构的分析是基于自旋-轨道耦合的二阶微扰理论进行的，这里给出一个经验公式：
[0037]
[0038] 其中lz和lx分别代表面外和面内的角动量算符，So和Se则分别表示某个波矢下的电子占据态和电子空态。
[0039] 本发明中计算磁隧道结磁各向异性和电子结构的流程如图2所示，主要包括：
[0040] (1)建模，对所选体相结构切表面、拼接，得到初始界面结构；
[0041] (2)结构弛豫，考虑自旋极化作用，降低体系自由能，获得相对稳定的结构，结构收敛的标准是每个原子上的残余应力低于
[0042] (3)静态自洽计算，分两步进行，考虑自旋极化作用，得到电荷密度。波函数等信息，再加入电场作用，对电子基本信息做电场下的修正，能量的收敛标准设置为10-6eV；
[0043] (4)非自洽性质计算，开启自旋-轨道耦合，设置初始磁矩，得到不同方向的磁化能，能量的收敛标准设置为10-6eV；
[0045] 下面通过借助具体实施例来进一步说明本发明的实质性特点和明显的改善，但本发明绝不仅限于以下实施例。
[0046] 实施例1：
[0047] 本实施例通过第一性原理计算揭示了改变金属夹层的元素种类可以极大地调整MgO/Fe/Pt磁隧道结的磁各向异性。
[0048] 本实施例采用的计算模型如图3所示，沿(001)晶向依次是10nm真空层、4ML的MgO、1ML的金属夹层、8ML的Fe、3ML的Pt以及10nm真空层。为了保证界面结构的一致性，选择bcc-Fe作为界面匹配的标准，使其他膜层产生相应形变并将面内晶格常数固定在[0049] 备选夹层材料包括Ⅷ族过渡金属、银Ag以及金Au，其中Co、Ru以及Os的晶胞是密排六方结构，很难找到合适的晶面与bcc-Fe(001)面进行拼接(考虑到铁磁层材料的多样性，也不排除Co、Ru以及Os作为金属夹层调节磁隧道结磁各向异性的可能性)；Fe、Pt分别是磁隧道结存储单元的铁磁层和非磁性覆盖层。因此，本实施例主要讨论了在MgO/Fe界面处插入Rh、Ir、Ni、Pd、Ag以及Au单原子层时的情况。在所选择的材料中，Ni(001)面与Fe(001)面的晶格失配度为13.06％，其他材料与Fe(001)面的晶格失配度都在10％以内，属于合理的范围。加入金属夹层后模型略显复杂，为了兼顾计算效率和准确性，模型的弛豫分为两步：
考虑金属夹层与MgO、Fe形成的单界面模型，对其进行弛豫得到界面处的结构参数；在此基础上构建含有金属夹层的模型进行弛豫，并计算其磁各向异性能和电子结构。
考虑金属夹层与MgO、Fe形成的单界面模型，对其进行弛豫得到界面处的结构参数；在此基础上构建含有金属夹层的模型进行弛豫，并计算其磁各向异性能和电子结构。
[0050] 表1给出了在MgO/Fe界面加入1ML的金属夹层时磁隧道结的磁各向异性能密度，并将之与MgO/Fe_8ML/Pt磁隧道结的磁各向异性能密度进行对比，其中正值表示垂直磁各向异性，负值表示面内磁各向异性，绝对值越大，说明相关方向上的磁各向异性能越大。下文各表中的磁各向异性能的数据及符号含义与此相同。从表1中可以看出，选择的夹层材料不同，得到的磁各向异性能会有很大差异：插入1ML Rh薄膜时，诱导产生的原子磁矩最大，磁隧道结的垂直磁各向异性最强；插入1ML Ir薄膜时，磁隧道结的易磁化轴由面外转向面内，表现出明显的面内磁各向异性；插入1ML Ni或Pd薄膜时，磁隧道结的垂直磁各向异性相比MgO/Fe_8ML/Pt来说有所改善；插入1ML Ag或Au时，磁隧道结的磁各向异性大幅减弱。本实施例中，Fe/Pt界面在所有界面模型中保持一致，对磁各向异性行为的贡献相同，因而上述磁各向异性能的差异主要是金属夹层/Fe界面处原子间轨道耦合作用不同导致的。
[0051] 表1选择不同金属材料做界面夹层得到的磁各向异性能密度
[0052]金属材料 None Rh Ni Ag
MAE(mJ/m2) 2.3225 9.2566 2.4709 0.3698
金属材料 Ir Pd Au
MAE(mJ/m2) -9.1312 5.2125 0.6859
MAE(mJ/m2) 2.3225 9.2566 2.4709 0.3698
金属材料 Ir Pd Au
MAE(mJ/m2) -9.1312 5.2125 0.6859
[0053] 图4是计算得到的MgO/Fe_8ML/Pt界面模型中MgO/Fe界面处Fe原子3d轨道的分波态密度和能带结构。由图4中的(a)可知，dx2-y2电子轨道在0eV处有着明显的DOS尖峰，dxz、dyz轨道也有着一定的分布。由图4中的(b)可知，dxz、dyz轨道在费米能级附近有着带状的能带交叠，而dx2-y2轨道和dxz、dyz轨道能带交叠的面积要小些。因此，MgO/Fe_8ML/Pt界面模型的磁各向异性是角动量矩阵单元、和共同作用的结果。其中，耦合项占据主导，使整个模型的磁各向异性能为正值；和耦合项的贡献较小，会导致模型的垂直磁各向异性减弱。
[0054] 图5是计算得到的MgO/Rh_1ML/Fe_8ML/Pt界面模型中Rh/Fe界面处Fe原子3d轨道的分波态密度和能带结构。由图5中的(a)可知，Rh/Fe界面处Fe原子的dxz、dyz轨道在0.35eV处存在一个相对明显的DOS尖峰，而其他轨道分量上DOS的分布要平缓些，电子占据态也少很多。进一步对图5中的(b)所示的少数自旋能带图进行分析可得，dxz和dyz轨道在X点和Γ点附近有能带交叠，耦合项的单独作用使得界面模型表现出强垂直磁各向异性。
[0055] 图6是计算得到的MgO/Ir_1ML/Fe_8ML/Pt界面模型中Ir/Fe界面处Fe原子3d轨道的分波态密度和能带结构。在Ir/Fe界面处，Fe原子的dx2-y2轨道和dxz、dyz轨道在费米能级处存在较强的DOS峰，只是dx2-y2和dyz轨道在X-Γ区域内有带状的能带交叠，而dxz轨道基本没有发生耦合，使得MgO/Ir/Fe/Pt界面模型的磁各向异性仅受到耦合项的作用，表现为强烈的面内磁化。
[0056] 在MgO/Fe界面插入1ML Ni(Pd)金属薄膜时，界面模型的磁各向异性是和两个角动量矩阵单元共同作用的结果；在MgO/Fe界面插入1ML Ag(Au)金属薄膜时，界面模型的磁各向异性大幅减弱是由其价电子排布方式所决定的。
[0057] 本实施例说明金属夹层的元素种类对MgO/Fe/Pt磁隧道结的磁各向异性有着极大地影响，选择Rh作为金属夹层可以明显增强器件的垂直磁各向异性；选择Ir作为金属夹层可以改变器件易磁化轴的方向，使得器件对外表现为面内磁各向异性；选择其他金属材料作为界面夹层也可以调节器件的磁各向异性。实际应用中，可以根据对磁隧道结磁各向异性的需求来选择金属夹层的材料种类。
[0058] 实施例2：
[0059] 本实施例通过第一性原理计算在MgO/Fe_8ML/Pt不同位置加入金属夹层时的磁学性质和电子结构，来得到金属夹层的作用位置对磁隧道结磁各向异性的影响。
[0060] 选择1ML Rh薄膜做金属夹层插入MgO/Fe_8ML/Pt中，调整位置并建立模型：A.MgO/Rh_1ML/Fe_8ML/Pt，B.MgO/Fe_4ML/Rh_1ML/Fe_4ML/Pt，C.MgO/Fe_8ML/Rh_1ML/Pt，对其磁各向异性能密度进行计算，结果如表2所示。
[0061] 表2在不同位置插入1ML Rh薄膜夹层得到的磁各向异性能密度
[0062] Rh薄膜位置 MgO/Fe界面 铁磁层内部 Fe/Pt界面MAE(mJ/m2) 9.2566 5.1100 -5.6298
[0063] 图7是计算得到的三种界面模型的差分电荷密度。
[0064] 由图7中的(a)可知，当1ML Rh薄膜夹层位于MgO/Fe界面时，Rh/Fe界面处和Fe/Pt界面处都出现电子由金属原子向界面迁移的现象，且电荷转移量相当，对其磁各向异性进行分析需要同时考虑两个界面的作用。更具体地，在Rh/Fe界面处，Fe原子dxz、dyz轨道和Rh原子的dx2-y2轨道在0.33eV处存在轨道杂化；在Fe/Pt界面处，Fe原子dyz轨道和Pt原子的dx2-y2轨道在0.17eV处存在轨道杂化。Fe原子dxz、dyz轨道的作用使得界面模型A的易磁化轴偏向于面外，表现出强垂直磁各向异性。
[0065] 由图7中的(b)可知，当1ML Rh薄膜夹层位于铁磁层内部时，电子在Fe/Rh界面处的电荷累积效应要强于Fe/Pt界面，对磁各向异性的分析主要考虑Fe/Rh界面的作用。更具体地，Rh原子4d轨道上基本没有电子占据，临近的两个Fe原子层的dxy(dxz、dyz)轨道在-0.12eV(0.14eV)处同时出现DOS峰。界面模型B的垂直磁各向异性是、以及耦合项共同作用的结果。
[0066] 由图7中的(c)可知，当1ML Rh薄膜夹层位于Fe/Pt界面时，不仅Fe/Rh界面和Rh/Pt界面处的电子发生重排布，MgO/Fei/Feii界面处也有明显的电荷转移发生，且电荷转移量更大，对其磁各向异性的分析着重考虑了MgO/Fei/Feii界面的作用。更具体地，O原子pz轨道、Fei原子dx2-y2轨道和Feii原子dxy轨道在0.47eV、0.59eV能级处存在共振DOS峰。由于dx2-y2轨道和dxy轨道都是位于面内的，界面模型C的易磁化轴偏向于面内，表现出面内磁各向异性。
[0067] 本实施例说明Rh薄膜夹层的位置对MgO/Fe/Pt磁隧道结的磁各向异性也有一定影响，在MgO/Fe界面时可以增强器件的垂直磁各向异性；在Fe/Pt界面时可以改变器件易磁化轴的方向，使得器件对外表现为面内磁各向异性；在铁磁层内部时可以调整器件的垂直磁各向异性。根据实际应用中对磁隧道结磁各向异性的需求来选择Rh薄膜夹层的作用位置。
[0068] 上述结论是以Rh薄膜夹层为例分析得到的，但不仅限于Rh薄膜夹层，还可以是Ir、Ni、Pd、Ag以及Au等其他材料。当然，不同材料夹层在不同位置对磁隧道结的磁各向异性调制结果会有差异，这需要根据器件应用需求具体分析。
[0069] 实施例3：
[0070] 本实施例选择在MgO/Fe_8L/Pt模型的MgO/Fe界面处加入1～3ML Rh薄膜夹层，对其磁各向异性能和电子结构进行第一性原理计算，来得到Rh薄膜夹层的厚度对磁隧道结磁各向异性的影响。
[0071] 表3是计算得到的不同Rh薄膜厚度下的磁各向异性能密度。结果表明，当Rh薄膜的厚度在一定范围以内时，界面模型的磁各向异性能都为正值，且其垂直磁各向异性要强于不含Rh夹层的MgO/Fe_8L/Pt模型。优选的，加入2ML Rh薄膜夹层时，磁各向异性能高达9.9921mJ/m2。
[0072] 表3不同Rh薄膜厚度下的磁各向异性能密度
[0073]Rh夹层厚度 1ML 2ML 3ML
MAE(mJ/m2) 9.2566 9.9921 8.8300
MAE(mJ/m2) 9.2566 9.9921 8.8300
[0074] 本实施例证实了Rh薄膜夹层的厚度在一定范围以内时都可以增强磁隧道结的垂直磁各向异性。
[0075] 上述结论是以MgO/Fe界面插入Rh薄膜夹层为例分析得到的，但金属夹层的作用位置不仅限于MgO/Fe界面，还可以是铁磁层内部和Fe/Pt界面；金属夹层的材料也不仅限于Rh，还可以是Ir、Ni、Pd、Ag以及Au等其他材料。同样，不同厚度的其他材料夹层对磁隧道结的磁各向异性调制结果会有差异，这需要根据器件应用需求具体分析。
[0076] 从上述三个实施例可见，金属夹层的材料种类、作用位置及厚度都对磁隧道结的磁各向异性有调制作用，可以根据器件的应用需求不同来对这三个因素进行筛选和优化，以达到获得理想器件性能的目的。
[0077] 实施例4：
[0078] 为研究电场对磁隧道结磁各向异性的影响，本实施例选择MgO/Fe/Pt为例，设置0～5V/nm的梯度电场，对不同电场作用下的磁各向异性能进行了简单的计算。
[0079] 图8是计算得到的磁各向异性能随电场的变化趋势。这里使用磁各向异性能的相对变化量来表征电场诱导的磁电效应：
[0080] ΔMAE＝MAE(E)-MAE(0)
[0081] 其中，MAE(E)是电场E作用下的磁各向异性能，MAE(0)则是零电场下的磁各向异性能。显然，磁各向异性能随着外电场的增大以一种准线性的趋势增大，且这种趋势与铁磁层厚度无关。也就是说，在电场作用下，MgO/Fe/Pt的易磁化轴会向面外方向偏转，其垂直磁各向异性增强。
[0082] 本实施例证实了外电场的作用可以使得磁隧道结的磁各向异性线性增强。
[0083] 上述结论是以MgO/Fe/Pt界面模型为例计算得到的，但不仅限于此界面模型，插入金属薄膜夹层后的MgO/Fe/Pt界面模型也有类似的结论，且对磁各向异性的调整会更精确，调整幅度也更大。因此，可同时使用外加电场和金属夹层，从而达到更精确、更大范围调整磁隧道结磁各向异性的目的。
[0084] 本发明未详细说明之处，均可参考相关现有技术，如建模、第一性原理计算等均可直接参考现有技术进行。
[0085] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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