Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа
METHOD OF CREATING SKYRMIONS AND THEIR ARRAYS IN A MAGNETIC MEDIUM USING A SCANNING MICROSCOPE PROBE

Изобретение относится к области электроники и наноэлектроники, а именно, к способу создания скирмионов и их массивов в магнитных нано-, микроструктурах и пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью воздействия магнитным зондом атомного силового микроскопа.
sk
sk
Скирмион представляет собой топологически защищенную спиновую текстуру, которая образуется в тонких магнитных пленках или геликоидальных магнетиках, и может быть охарактеризована нетривиальным топологическим зарядом N. Для скирмионов этот параметр достигает фиксированных значений N = ± 1 [см. Yin G., Li Y., Kong L., Lake R. K., Chien C. L., Zang J. Topological charge analysis of ultrafast single skyrmion creation // Physical Review B. - 2016. - T. 93, № 17. - C. 174403]. Скирмионы устойчивы к внешним возбуждениям и сохраняются продолжительное время. Диаметр скирмионов варьируется в диапазоне от 10 до 250 нм в зависимости от параметров магнитной структуры. Скирмионы демонстрируют топологический эффект Холла [см. Neubauer A., Pfleiderer C., Binz B., Rosch A., Ritz R., Niklowitz P. G., Böni P. Topological Hall Effect in the а-phase of MnSi // Physical Review Letters. - 2009. - T. 102, № 18. - C. 186602] и под действием спин-поляризованных токов могут более эффективно перемещаться, чем доменные стенки [см. Yu X. Z., Kanazawa N., Zhang W. Z., Nagai T., Hara T., Kimoto K., Matsui Y., Onose Y., Tokura Y. Skyrmion flow near room temperature in an ultralow current density // Nature Communications. - 2012. - T. 3. - C. 988.]. Стабильность, мобильность и малый размер скирмионов делает их перспективными для использования в магнитоэлектрических устройствах и скирмионной памяти [см. Kang W., Huang Y., Zheng C., Lv W., Lei N., Zhang Y., Zhang X., Zhou Y., Zhao W. Voltage Controlled Magnetic Skyrmion Motion for Racetrack Memory // Scientific Reports. - 2016. - T. 6. - C. 23164]. При этом необходимо разработать методы зарождения скирмионов с контролем места их локализации. Это важная и актуальная задача, решение которой необходимо для практической реализации новых типов магнитной памяти и устройств магноники.
Известен способ создания скирмионов и магнитной структуры, в которой скирмионы зарождают и сдвигают, а также способ регистрации скирмионов (см. патент US20170169898A1, опубл. 2017-06-15). Для зарождения скирмионов генерируют локальное магнитное поле, для чего пропускают ток через проводник в форме разомкнутой окружности, полуокружности или квадрата. Скирмион зарождается при пропускании импульса тока через проводник, вследствие индуцируемого магнитного поля Эрстеда.
К недостаткам данного способа создания скирмионов можно отнести следующее:
- место создания скирмионов задано положением проводника на магнитной полоске;
- для реализации данного способа размер петли, огибаемой проводником, должен быть не более размера скирмиона т.е. от 10 до 100 нм, что затруднительно сделать с помощью электронной литографии;
- с уменьшением размеров проводника уменьшается площадь поперечного сечения, что не позволяет пропустить токи, достаточные для зарождения скирмионов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа, включающий формирование среды, состоящей из пленки с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория, сформированной на подложке, выбранный за прототип по существенным признакам и достигаемому результату (см. Pin-Jui Hsu, André Kubetzka, Aurore Finco, Niklas Romming, Kirsten von Bergmann and Roland Wiesendanger Electric-field-driven switching of individual magnetic skyrmions. Nat. Nanotechnol. 12, 123-126 (2017)). Скирмионы зарождают в пленке Fe толщиной 2,5 атомных слоя, выращенной на подложках Ir(111) в условиях сверхвысокого вакуума. Условия в процессе зарождения и исследования скирмионов: температура образца равна 7,8 К, внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости образца, равно Н = 25 000 Э. При исследовании скирмионов зонд микроскопа подводят к поверхности образца так, что ток между иглой и образцом равен 0,5 нА при напряжении +0,3 В. Для создания скирмионов напряжение увеличивают до U = +3 В, что приводит к появлению единичного скирмиона.
Недостатки данного метода:
- для создания скирмионов с помощью сканирующей туннельной микроскопии необходимы условия сверхвысокого вакуума. На воздухе происходит окисление образца, загрязнение его поверхности и зонда;
- скирмионы сохраняются только в сильных магнитных полях, в данном случае, Н = 25 000 Э. В отсутствие магнитного поля скирмионы разрушаются. Эти условия не позволяют использовать на практике данный способ;
- зарождение скирмиона происходит при низкой температуре (7,8 К), что не позволяет его использовать в реальных устройствах.
Задачей, поставленной и решаемой заявляемым способом, является создание скирмионов и их массивов в магнитных нано-, микроструктурах и пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью воздействия магнитным зондом атомного силового микроскопа при нормальных условиях.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, - создание единичных скирмионов размером от 200 нм и менее и их массивов произвольной конфигурации в магнитных нано- и микроструктурах, а также пленках (далее - среда) с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией.
n
c
c
c
sc
s
DS
Поставленная задача решается, тем, что способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа, включающий формирование среды, состоящей из пленки с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория, сформированной на подложке, отличается тем, что в качестве подложки для формирования среды выбирают полупроводниковые подложки, например, естественно оксидированные подложки кремния, как с собственными носителями зарядов, так и легированные примесными атомами, в качестве среды используют многослойные магнитные нано- и микроструктуры, а также пленки типа «подложка/B/[X/Y/Z]/T», где B – буферный слой из немагнитного материала, который сглаживает поверхность образца, задает структуру последующих слоев, X и Z – немагнитные материалы (оксиды или металлы с сильным спин-орбитальным взаимодействием), Y – ферромагнитный материал, T – верхний слой из немагнитного материала, препятствующий оксидированию и ухудшению магнитных параметров среды, n – число повторений структуры [X/Y/Z], в которой выполняется условие D/D = [1…3], где D – энергия взаимодействия Дзялошинского-Мория, D - критическая величина взаимодействия Дзялошинского-Мория, определяемая условием D = 4/π √(А⋅К), А – константа обменного взаимодействия, К – константа эффективной магнитной анизотропии, причем параметры D и K определяют с помощью спектроскопии Мандельштам - Бриллюэновского рассеяния света для невзаимного распространения спиновых волн в геометрии Деймона-Эшбаха, когда образец намагничен в плоскости пленки, волновой вектор ориентирован перпендикулярно намагниченности, при этом используют табличное значение А, кроме того, для создания скирмионов величину магнитного поля в процессе сканирования в режиме атомной силовой микроскопии H, определяют из петель перемагничивания; величину поля насыщения, в котором реализуется однодоменное состояние магнитного насыщения H, определяют из петель перемагничивания; величину шага, с которым производят сканирование в режиме атомной силовой микроскопии d, определяют из периода доменной структуры L в размагниченном состоянии.
n
2
3
2
3
При этом в качестве буферного слоя из немагнитного материала B может быть использован слой Та или Ru, или Cu, или W, или Pd; слоя из немагнитного материала X – Pt или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd; а также их сплавы; слоя из ферромагнитного материала Y – Fe, или Co, или CoFe, или CoFeB, или CoFeSiB, или Ni, или [Co/Ni]; слоя из немагнитного материала Z – Pt, или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd, или MgO, или AlO, а также сплавы указанных металлов; верхнего слоя из немагнитного материала T – Ta, или Ru, или Cu, или Au, или Pt, или Pd , или MgO, или AlO, при этом толщины слоев варьируют в следующих диапазонах: B = [1…10] нм; X = [0,5…5] нм; Y = [0,3…2] нм; Z = [0…5] нм; T = [0,5…10] нм, а число повторений n – изменяется от 1 до 20.
Кроме того, в качестве зондов для сканирующей микроскопии используют зонды с магнитным покрытием CoCr или аналогичным по магнитным свойствам с дополнительными слоями, защищающими от окисления, общая толщина покрытия от 3 до 40 нм, радиус кривизны острия зонда от 10 до 80 нм.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков заявляемого способа и совокупности существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…в качестве подложки для формирования среды выбирают полупроводниковые подложки, например, естественно оксидированные подложки кремния, как с собственными носителями зарядов, так и легированные примесными атомами…» делает способ совместимым с существующими полупроводниковыми производствами.
n
Признак «…в качестве среды многослойных магнитных нано-, микроструктур и пленок типа «подложка/B/[X/Y/Z]/T», где B – буферный слой из немагнитного материала, который сглаживает поверхность образца, задает структуру последующих слоев, X и Z – немагнитные материалы (оксиды или металлы с сильным спин-орбитальным взаимодействием), Y – ферромагнитный материал, T – верхний слой из немагнитного материала, препятствующий оксидированию и ухудшению магнитных параметров среды, n – число повторений…» позволяет в сформированной таким образом среде с помощью сканирования магнитным зондом при соблюдении специальных условий сканирования создавать скирмионы, которые сохраняются как в присутствии внешних магнитных полей, так и без магнитного поля.
c
c
Признак, указывающий, что в среде «выполняется условие D/D = [1…3], где D – энергия взаимодействия Дзялошинского-Мория, определяемая условием D - критическая величина взаимодействия Дзялошинского-Мория Dc = 4/π √(А⋅К), А – константа обменного взаимодействия, К – константа эффективной магнитной анизотропии, причем параметры D и K определяют с помощью спектроскопии Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света для невзаимного распространения спиновых волн в геометрии Деймона-Эшбаха, когда образец намагничен в плоскости пленки, волновой вектор ориентирован перпендикулярно намагниченности, при этом используют табличное значение А» обеспечивает существование стабильных скирмионов в отсутствие магнитного поля.
sc
s
DS
Признак «…для создания скирмионов величину магнитного поля в процессе сканирования в режиме атомной силовой микроскопии H, определяют из петель перемагничивания; величину поля насыщения, в котором реализуется однодоменное состояние магнитного насыщения H, определяют из петель перемагничивания; величину шага, с которым производят сканирование в режиме атомной силовой микроскопии d, определяют из периода доменной структуры L в размагниченном состоянии…» определяет ключевые условия сканирования при создании скирмионов.
n
n
Признак «в качестве буферного слоя из немагнитного материала B может быть использован слой Та или Ru, или Cu, или W, или Pd; слоя из немагнитного материала X – Pt или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd; а также их сплавы; слоя из ферромагнитного материала Y – Fe, или Co, или CoFe, или CoFeB, или CoFeSiB, или Ni, или [Co/Ni]; слоя из немагнитного материала Z – Pt, или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd, или MgO, или Al2O3, а также сплавы указанных металлов; верхнего слоя из немагнитного материала T – Ta, или Ru, или Cu, или Au, или Pt, или Pd , или MgO, или Al2O3, при этом толщины слоев варьируют в следующих диапазонах: B = [1…10] нм; X = [0,5…5] нм; Y = [0,3…2] нм; Z = [0…5] нм; T = [0,5…10] нм, а число повторений n – изменяется от 1 до 20» позволяет сформировать многослойные магнитные нано-, микроструктуры и пленки типа «подложка/B/[X/Y/Z]/T», (среду) из различных материалов для создания скирмионов.
Признак «…использование в качестве зондов для сканирующей микроскопии используют зонды с магнитным покрытием CoCr или аналогичным по магнитным свойствам с дополнительными слоями, защищающими от окисления, общая толщина покрытия от 3 до 40 нм, радиус кривизны острия зонда от 10 до 80 нм…» обеспечивает создание скирмионов и визуализацию их положения.
Такая совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу и устранить недостатки способа-прототипа, обеспечивая более высокую эффективность метода создания скирмионов с возможностью получения массивов скирмионов произвольной конфигурации, более низкие требования к условиям зарождения (комнатная температура, работа в воздушной атмосфере). Заявляемый способ обеспечивает получение скирмионов в магнитных нано- и микроструктурах, а также пленках, стабильных в отсутствие внешнего магнитного поля.
Способ создания скирмионов и их массивов в магнитных нано- и микроструктурах, а также пленках поясняется снимками, схемами и графиками, приведенными на фиг.1-7.
n
n
n
n
n
n
На фиг.1 показана схема среды «подложка/B/[X/Y/Z]/T», описанной в примере 1, в которой были созданы как единичные скирмионы, так и массивы скирмионов произвольной формы; на фиг.2 показана петля перемагничивания среды «подложка/B/[X/Y/Z]/T», описанной в примере 1 и полученная с помощью вибромагнетометра (в данной среде были созданы как единичные скирмионы, так и массивы скирмионов произвольной формы); на фиг.3 показано изображение доменной структуры среды «подложка/B/[X/Y/Z]/T», описанной в примере 1; на фиг. 4 показано изображение доменной структуры среды «подложка/B/[X/Y/Z]/T», описанной в примере 1 с единичными скирмионами (положение некоторых скирмионов отмечено стрелками); на фиг.5 показано изображение доменной структуры среды «подложка/B/[X/Y/Z]/T» с массивом скирмионов, созданных согласно методике, описанной в примере 2; на фиг. 6 показано изображение шаблона для создания массива скирмионов (а) и пример разбиения шаблона на прямоугольные области (б); на фиг. 7 показано изображение доменной структуры среды «подложка/B/[X/Y/Z]/T» с массивом скирмионов, созданного по шаблону согласно методике, описанной в примере 3.
Представленные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.
n
Пример 1. Создание единичных скирмионов в среде типа «подложка/B/[X/Y/Z]/T».
-8
-4
n
Первый этап - получение среды для зарождения скирмионов. Для этого, на предварительно очищенную естественно оксидированную кремниевую подложку наносят тонкие пленки в едином технологическом цикле. Метод нанесения пленок – магнетронное распыление в атмосфере аргона. Базовое давление в камере составляло 10 Торр. Рабочее давление Ar составляло 10 Торр. В качестве материалов для пленки «B/[X/Y/Z]/T» были использованы: B – Ta, X - Pt, Y - CoFeSiB, Z – W, T – Ta. Толщины слоев материалов: B = 3 нм, X = 1 нм, Y= 1,5 нм, Z = 1 нм, T = 5 нм. Число повторений n = 10. Схема среды показана на фиг. 1.
s
sc
s
sc
c
c
2
5
3
-07
2
Второй этап – аттестация полученной среды. Аттестацию проводят с помощью вибромагнетометра или любым другим методом, позволяющим получить петли магниторезистивного или токоиндуцированного перемагничивания и определить поле переключения намагниченности перпендикулярно плоскости образца, спектроскопии Мандельштам-Бриллюэновского рассеивания света, а также магнитной силовой микроскопии. Результаты измерения петель перемагничивания в поле, направленном перпендикулярно плоскости образца, показаны на фиг. 2. На фиг. 2 обозначено поле насыщения (H), а также поле зарождения скирмионов (H), которое необходимо прикладывать в процессе сканирования в режиме атомной силовой микроскопии. Величина полей H = 600 Э, H = 200 Э. Из измерений с помощью спектроскопии Мандельштам-Бриллюэновского рассеивания света определены D = 0,85 эрг/см и K = 6×10 эрг/см. Величина А = 2×10 эрг/см. Тогда D = 0,44 эрг/см, а соотношение D/D = 1,93, что соответствует условию зарождения скирмионов.
s
s
С помощью сканирующей магнитной силовой микроскопии определяют период доменной структуры, реализуемой в размагниченном состоянии в образце. Для этого, создают магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости с постепенно убывающей до нуля амплитудой. Начальные значения амплитуды изменения магнитного поля задавали от +H до -H, число шагов не менее 100. Затем проводили сканирование в режиме магнитной силовой микроскопии поверхности образца. Сканирование производили на микроскопе Ntegra Aura (НТ – МДТ, Россия). Микроскоп оборудован электромагнитом, позволяющим создавать магнитное поле в процессе сканирования, направленное перпендикулярно поверхности образца. В качестве зонда использовали стандартные кантилеверы для магнитной силовой микроскопии MFM01 (НТ – МДТ, Россия): радиус кривизны острия зонда составляет 40 нм, магнитное покрытие CoCr с дополнительными слоями, защищающими от окисления, общая толщина покрытия - 30-40 нм.
DS
Изображение доменной структуры показано на фиг. 3. Измерения позволили установить период доменной структуры L = 250 нм.
Третий этап – индуцирование единичных скирмионов. Для создания единичных скирмионов выполняют следующую последовательность операций:
s
- создают магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости образца H ≥ H и отключают магнитное поле (Н = 0).
DS
2
- проводят сканирование рельефа поверхности в режиме атомной силовой микроскопии с шагом d < L. В данном случае d = 100 нм. - повторяют сканирование не менее чем 5 раз с перемещением зонда вдоль направления OX, а затем вдоль направления OY. Размер области сканирования 5×5 мкм.
2
- проводят сканирование в режиме магнитной силовой микроскопии. Размер области сканирования 5×5 мкм.
Изображение доменной структуры с единичными скирмионами диаметром 200 нм представлено на фиг. 4.
n
Пример 2. Создание прямоугольного массива скирмионов в среде типа «подложка/B/[X/Y/Z]/T».
Пример 2 проводят по примеру 1, но сканирование проводят следующим образом.
s
sc
sc
- создают магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости образца H ≥ H и уменьшают поля до Н = H. В данном случае H = 200 Э.
DS
sc
2
- проводят сканирование рельефа поверхности в режиме атомной силовой микроскопии с шагом d = L = 250 нмв магнитном полеH = 200 Э. Повторяют сканирование не менее чем 5 раз с перемещением зонда вдоль направления OX, а затем вдоль направления OY. Размер области сканирования 2×4 мкм.
2
- проводят сканирование в режиме магнитной силовой микроскопии. Размер области сканирования 3,5×5,5 мкм. На фиг. 5 представлено экспериментальное изображение созданного массива скирмионов. Диаметр скирмионов – 200 нм. Границы массива очерчены пунктирной линией для лучшей визуализации.
n
Пример 3. Создание массива скирмионов произвольной формы в среде типа «подложка/B/[X/Y/Z]/T».
Пример 3 проводят по примеру 1, но сканирование проводят следующим образом.
s
sc
sc
- создают магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости образца H ≥ H и уменьшают поле до Н = H. В данном случае H = 200 Э.
DS
sc
- проводят сканирование рельефа поверхности в режиме атомной силовой микроскопии с шагом d = L = 250 нм в магнитном полеH = 200 Э. Сканирование проводят согласно шаблону представленному на фиг. 6. Для упрощения сканирования шаблон разбит на прямоугольные области. Повторяют сканирование не менее чем 5 раз с перемещением зонда вдоль направления OX, а затем вдоль направления OY.
2
- проводят сканирование в режиме магнитной силовой микроскопии. Размер области сканирования 11×13 мкм. На фиг. 7. представлено экспериментальное изображение созданного массива скирмионов произвольной формы. Диаметр скирмионов – 200 нм. Границы массива очерчены линией для лучшей визуализации.
Таким образом, экспериментальным путем показана возможность создания скирмионов и их массивов в магнитных нано-, микроструктурах и пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью воздействия магнитным зондом атомного силового микроскопа с определённым шагом. Разработан способ создания единичных скирмионов размером около 200 нм и их массивов произвольной конфигурации в магнитных нано-, микроструктурах и пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией, который позволяет:
n
- получить магнитные среды из многослойных магнитных нано- и микроструктур, а также пленок типа «подложка/B/[X/Y/Z]/T» для создания скирмионов;
- упростить процесс создания как единичных скирмионов, так и массивов скирмионов произвольной конфигурации;
- обеспечить стабильность процесса формирования скирмионов устойчивых как в магнитном поле, так и в его отсутствие;
- расширить объекты, в которых могут быть сформированы скирмионы: магнитные нано- и микроструктуры (нульмерные и одномерные), а также пленки.