МАГНИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ И СПОСОБ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТНОГО ВИХРЯ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ДИСКАХ
MAGNETIC ELEMENT AND METHOD TO CONTROL PARAMETERS OF MAGNETIC VORTEX IN FERROMAGNETIC DISCS

Изобретение относится к области магнитных микро- и наноэлементов, а именно к способам контроля параметров магнитной структуры типа «вихрь», реализуемой в микронных и субмикронных дисках из ферромагнитных металлов, и может быть использовано при создании вихревой магнитной памяти.
Проблемы разработки и создания принципиально новой элементной базы магнитной логики и спинтроники особенно актуальны в научном мире в последнее время. При этом основные усилия исследователей направлены на разработку способов контроля микромагнитной структуры, например, параметров вихревого состояния в дисках. Имея надежный способ контроля вихря можно создавать магнитную память с высоким быстродействием и плотностью записи.
Известны способы контроля параметров вихревого состояния, а именно направления вращения магнитных моментов или хиральности, с помощью деформаций формы дисков. В работе [1] предложен способ контроля хиральности диска, заключающийся в создании асимметрии путем усечения диска пермаллоя. Ширина усеченной области составляет 10% от диаметра диска. Направление хиральности вихря задается направлением поля относительно усеченной стороны. Недостатком данного способа является увеличение полей аннигиляции, вследствие наличия искусственного дефекта, а также уменьшения эффективного сечения структуры, что приводит к повышению плотности тока при перемагничивании структуры.
2
3
Используя особенности процесса перемагничивания, наблюдаемые в дисках с отсеченным краем, в патенте [2] предложена магниторезистивная вихревая память с эффектом передачи спинового момента. Ячейка памяти имеет слоистую структуру: Та/Ферромагнитный материал (Ni или FeNi)/Немагнитный материал (Cu, АlO или MgO)/ Ферромагнитный материал (Ni или FeNi)/IrMn/Ta. Недостатком данной ячейки является сложная петля магнитного гистерезиса с четырьмя локальными максимумами, которые незначительно различаются по величине. Это приводит к появлению дополнительных максимумов в процессе переключения ячейки памяти, что усложняет процесс записи или чтения данных.
Известен способ контроля хиральности вихря с помощью двух диаметрально противоположных выступов по краям магнитных дисков, описанный в патенте [3]. Авторы изобретения предлагают ячейку магниторезистивной памяти на вихрях, состоящей из четырех магнитных дисков с выступами, оси симметрии которых расположены под углом 90 градусов относительно друг друга. Магнитные диски разделены немагнитной прослойкой. Недостатком данной структуры является необходимость проводить литографию минимум шесть раз, что значительно осложняет производство памяти.
Известен метод формирования колец диаметром 150 нм с отверстием внутри, смещенным относительно центра [4]. Структуры получены с помощью коллоидной литографии и травления. Однако получаемые структуры имеют хаотическое распределение по поверхности образца; кроме того, положение отверстия варьируется в широких пределах. Эти недостатки не позволяют использовать получаемые структуры в качестве элементов магниторезистивной памяти.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по существенным признакам и достигаемому результату является разработка, описанная в патенте [5]. Авторами известного технического решения, выбранного за прототип, для создания асимметрии предложено формировать отверстие в диске. Согласно описанию прототип может быть изготовлен как из ферромагнитного материала, например пермаллоя, так и пьезокерамики или ферроэлектрика. В качестве модельного образца, сделанного из магнитного материала, представлен диск диаметром 1056 нм и толщиной 250 нм, в котором создано отверстие круглой формы радиусом 417 нм, расстояние между центрами диска и отверстия составляет 167 нм. Из представленной петли магнитного гистерезиса следует, что при попадании центра вихря в отверстие происходит его задержка и наблюдается резкое уменьшение намагниченности системы. Этот факт является одним из недостатков прототипа. Также вследствие наличия дефекта наблюдается гистерезис процессов перемагничивания, и значение коэрцитивной силы составляет 0,5 от поля насыщения. Это значительно ухудшает характеристики магнитной памяти, т.к. требуются большие магнитные поля для перемагничивания структуры. Более того, при масштабировании структуры стандартными методиками с помощью электронной и ультрафиолетовой литографий, сложно получить отверстие в структуре размером менее 100 нм.
Задачей, поставленной и решаемой настоящим изобретением, является создание магнитного элемента и разработка способа контроля параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках, осуществляемым на его основе.
Техническим результатом заявляемого изобретения является разработка нового способа диагностики наноструктур.
Поставленная задача решается и указанный технический результат достигается предлагаемым магнитным элементом и способом контроля параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках, осуществляемым на его основе.
Магнитный элемент состоит из двух дисков разного диаметра (диски 1 и 3), центры которых смещены относительно друг друга, разделенных прослойкой из немагнитного материала (металла или диэлектрика).
Размеры магнитного элемента таковы, что в большем диске 1 в отсутствие индуцированного внешнего магнитного поля формируется вихревое состояние, а в малом диске 2 - однодоменное состояние. Такое исполнение магнитного элемента позволяет контролировать хиральность вихря, образованного в большом диске, и направление намагниченности в малом диске. Это достигается при приложении магнитного поля под углами 0, 90, 180 или 270 градусов относительно оси, соединяющей центры дисков. Тогда в зависимости от угла приложения поля в большом диске формируется вихревое состояние с определенной хиральностью, а в малом - однодоменное состояние с контролируемым направлением намагниченности.
Такое решение позволяет создать ассиметричную конфигурацию магнитной структуры, что является необходимым условием для контроля параметров вихря при его формировании в большом диске. Это достигается за счет магнитостатического взаимодействия, возникающего между малым и большим магнитными дисками.
При этом размеры дисков подбирают таким образом, чтобы в отсутствие магнитного поля в большом диске 1 формировался вихрь, а в малом диске 3 - однодоменное состояние. Радиус большего диска 1 (R1) варьируют от 100 до 1000 нм; радиус малого диска 3 (R3) - от 20 до 400 нм при условии, что R3 < 0,5·R1, a R3 = R2; расстояние между центрами дисков 1 и 3 составляет от 10 до 980 нм. Толщина диска 1 составляет от 20 до 50 нм, толщина диска 2 - от 1 до 5 нм, а толщина диска 3 от 20 до 50 нм.
2
3
Магнитный элемент изготавливают из следующих материалов: диски 1 и 3 из ферромагнитного материала, например из пермаллоя (Co80Ni20), Со, Ni, Fe, а диск 2 - из диэлектрического материала, например из Cu, Ag, Аu, АlO, MgO.
2
3
-9
-8
-3
Магнитный элемент получают на подложке из оксидированного кремния с использованием электронной литографии, проводимой два этапа: на первом этапе формируют шаблоны большого диска, на втором - малого. Для литографии использовали позитивный полимерный фоторезист РММА 950К. Толщина фоторезиста после нанесения с помощью центрифуги равна от 200 до 500 нм. Фоторезист проявляют в изобутилкетоне, растворенном в изопропиловом спирте при их объемном соотношении 1:3 в течение 30 секунд. Осаждение металлов (Сu, Ag, Аu, пермаллой, Со, Ni, Fe) осуществляют методами магнетронного распыления или термического испарения. Скорость осаждения металлов составляет от 0,1 до 30 нм в минуту при температуре подложки в процессе осаждения от 270 до 370 К. Диэлектрические материалы (АlO, MgO и др.) осаждают методом магнетронного распыления при переменном токе. Скорость осаждения диэлектриков составляет от 0,1 до 10 нм в минуту при температуре подложки в процессе осаждения от 270 до 370 К. Для получения магнитных элементов высокого качества осаждение его компонентов осуществляют в условиях сверхвысокого вакуума: базовый вакуум в напылительной установке не хуже 10 мТорр; вакуум в процессе осаждения термическим методом не хуже 10 мТорр; магнетронным методом - не хуже 10 мТорр.
Преимуществом заявляемого магнитного элемента является его хорошая масштабируемость, т.к. не формируются отверстия в структуре. Минимальный размер большого и малых дисков ограничен только разрешением литографического оборудования и конфигурацией магнитной структуры, формируемой в дисках.
Другим преимуществом является тот факт, что большой диск имеет идеальную круглую форму без дефектов в виде усечения или отверстия. Это позволяет не увеличивать величину критических полей и плотность тока при пропускании его через структуру для контроля параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках.
Поставленная задача также решается предлагаемым способом контроля параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках, который реализуется в описанном выше заявляемом магнитном элементе, а именно контроля хиральности вихря в большом диске и однодоменного состояния в малом диске магнитного элемента.
Предлагаемый способ контроля параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках включает приложение внешнего магнитного поля Н к магнитному элементу, сформированному для реализации заявляемого способа, величина которого больше, чем поле насыщения магнитного элемента с последующим уменьшением его до нуля и направленному относительно оси d, соединяющей центры большого и малого дисков магнитного элемента, под углами 0, 90, 180, 270 градусов, формирование магнитного вихря в большом диске с заданным направлением вращения и при заданном направлении магнитных моментов однодоменных состояний в малом диске.
От направления магнитного поля относительно оси d зависит конфигурация магнитной структуры в магнитном элементе. При этом в магнитном элементе возможна реализация четырех различных конфигураций магнитной структуры в зависимости от угла приложения поля.
s
1. Магнитное поле, величина которого больше, чем поле насыщения магнитного элемента (H), направляют под углом, равным 0, относительно оси d, а затем уменьшают его до 0, формируют вихрь в большом диске 1 с направлением вращения магнитных моментов по часовой стрелке и однодоменное состояние с направлением магнитных моментов под углом, равным 180 градусов, относительно оси d.
2. Магнитное поле, величина которого больше, чем поле насыщения магнитного элемента, направляют под углом, равным 180 градусам, относительно оси d, а затем уменьшают его до 0, формируют вихрь в большом диске 1 с направлением вращения магнитных моментов против часовой стрелки и однодоменное состояние с направлением магнитных моментов под углом, равным 0 градусов, относительно оси d.
3. Магнитное поле, величина которого больше, чем поле насыщения магнитного элемента, направляют под углом, равным 270 градусам, относительно оси d, а затем уменьшают его до 0, формируют вихрь со смещенным центром и направлением вращения магнитных моментов (хиральностью) по часовой стрелке и однодоменное состояние с направлением магнитных моментов под углом, равным 0 градусов, относительно оси d.
4. Магнитное поле, величина которого больше, чем поле насыщения магнитного элемента, направляют под углом, равным 90 градусам, относительно оси d, а затем уменьшают его до 0, формируют вихрь со смещенным центром и направлением вращения магнитных моментов (хиральностью) против часовой стрелки и однодоменное состояние с направлением магнитных моментов под углом, равным 180 градусов, относительно оси d.
Магнитный элемент и способ контроля параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках поясняется схемами и графиками, приведенными на фиг.1-5:
фиг.1 (а-в) - схема заявляемого магнитного элемента; фиг.1 (г) - изображение магнитного элемента, полученное методом сканирующей электронной микроскопии;
- фиг.2 - петля магнитного гистерезиса (фиг.2а); магнитные конфигурации типа «вихрь» и однодоменное состояние путем приложения магнитного поля под углами 0 (фиг.2б) и 180 градусов (фиг.2в) относительно оси, соединяющей центры дефектов;
- фиг.3 - петля магнитного гистерезиса (фиг.3а); магнитные конфигурации типа «вихрь» и однодоменное состояние путем приложения магнитного поля под углами 90 градусов (фиг.3б) и 270 градусов (фиг.3в) относительно оси, соединяющей центры дефектов;
- фиг.4 - смоделированные изображения перемещения вихря в увеличивающемся магнитном поле при его приложении под углом 180 градусов (фиг.4а) и 90 градусов (фиг.4б) относительно оси, соединяющей центры большого и малого дисков.
Экспериментальные исследования магнитных свойств свидетельствуют о том, что малый диск 3 оказывает сильное влияние на ход процесса перемагничивания в большем диске 1 магнитного элемента. При этом возможны варианты, когда магнитное поле Н прикладывают к магнитному элементу параллельно прямой d, соединяющей центры дисков 1 и 3 (вариант Н || d), и когда магнитное поле Н перпендикулярно прямой d (вариант H ⊥ d).
s
s
s
s
На фиг.2 приведены петли магнитного гистерезиса для варианта Н || d; магнитный элемент сформирован согласно параметрам приведенного ниже примера. Петля магнитного гистерезиса, полученная только для большого диска 1, обозначена пунктирной линией, а для заявляемого магнитного элемента - сплошной. Толстая сплошная линия соответствует изменению магнитного поля от H до -H (угол приложения поля равен 0), тонкая сплошная линия - изменению магнитного поля от -H до H (угол приложения поля равен 90 градусов). На вставке фиг.2а приведена петля гистерезиса, полученная микромагнитным моделированием в программе OOMMF [6].
Полученные данные подтверждают, что и в случае отдельного большого диска 1, и в случае магнитного элемента процесс перемагничивания идет через образование магнитного вихря, о чем свидетельствуют резкие изменения намагниченности на кривой, которые связанны с процессами зарождения и аннигиляции вихря. Однако добавление малого диска 3 приводит к появлению ряда характерных особенностей:
s
- при изменении магнитного поля от H до 0 наблюдается две ступени на ветке кривой гистерезиса. Величина первого скачка намагниченности составляет 15% от намагниченности насыщения, второго - 50% от намагниченности насыщения;
- при Н = 0 система имеет инверсную остаточную намагниченность, величина которой равна 15% от намагниченности насыщения.
s
s
На фиг.2б приведены изображения магнитного контраста и соответствующее распределение спинов, полученное в результате микромагнитного моделирования. В поле насыщения H (точка 1 на петле магнитного гистерезиса фиг.2а) все спины ориентированы вдоль поля. С уменьшением поля (точка 2) наблюдается скачкообразное изменение направления намагниченности (спинов) в малом диске. При этом в малом диске 3 формируется однодоменное состояние, намагниченность направлена антипараллельно намагниченности в диске 1. Образование антипараллельного однодоменного состояния в малом диске 3 на кривой перемагничивания отражается в виде изменения намагниченности на участке 1 - 2 (фиг.2а). При дальнейшем уменьшении поля в большом диске 1 формируется магнитный вихря. В малом диске 3 сохраняется однодоменное состояние. На фиг.2в представлены результаты микромагнитного моделирования, которые подтверждают такое поведение намагниченности в элементе. Для случая 4, когда поле изменяется от - H до 0, наблюдается инвертирование контраста в малом диске 3 и изменение хиральности вихря в большом диске 1.
s
s
s
s
Иная картина наблюдается для варианта, когда H ⊥ d. Кривые намагничивания и микромагнитная структура для этого случая представлены на фиг.3, где пунктирной линией обозначена петля магнитного гистерезиса для большого диска 1, сплошной линией обозначена кривая для предлагаемого магнитного элемента. Толстая сплошная линия соответствует изменению магнитного поля от H до -H (угол приложения поля равен 270 градусам), тонкая сплошная линия - изменению магнитного поля от -H до H (угол приложения поля равен 90 градусов). На вставке приведена петля гистерезиса, полученная методом микромагнитного моделирования.
s
Как и в предыдущем случае, при изменении внешнего магнитного поля от H до 0 изменение намагниченности проходит в два этапа; однако второй скачок намагниченности в этом случае гораздо меньше. В результате система имеет положительную высокую остаточную намагниченность.
Согласно экспериментальным данным в поле, соответствующему точке 2 на кривой гистерезиса (фиг.2а), в малом диске 3 формируется однодоменное состояние. Затем в структуре образуется вихревая конфигурация спиновых моментов со смещенным положением центра вихря. При этом центр вихря в большом диске 1 находится под малым диском 3 или рядом с ним. Экспериментальные результаты микромагнитного моделирования подтверждают, что вихрь всегда зарождается под малым диском 3, затем проходит через центр и аннигилирует на противоположной стороне большего диска 1. В точке 4 на фиг.4б наблюдается инвертирование контраста в малом и большом дисках 3 и 1 соответственно. Это свидетельствует о переключении однодоменного состояния и изменению хиральности вихря.
Таким образом, заявляемый способ контроля параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках позволяет контролировать точку зарождения вихря, траекторию движения вихря и хиральность вихря в зависимости от направления магнитного поля относительно линии d. Это стало возможным благодаря предложенной в заявляемом изобретении конструкции магнитного элемента. Фиг.4 иллюстрирует процесс перемагничивания магнитного элемента при изменении ориентации поля; для наглядности приведены результаты, полученные с помощью микромагнитного моделирования.
s
s
s
s
Для варианта Н || d (фиг.4а) при изменении поля от H до -H происходит зарождение вихря на краю большого диска 1 с последующим смещением центра вихря и аннигиляцией на противоположном краю диска. Затем при изменении ориентации поля от -H до H вихрь зарождается с противоположной стороны диска 1 и имеет другую хиральность. Таким образом, при перемещении в плоскости диска вихрь никогда не проходит под малым диском.
s
s
s
s
Для варианта Н ⊥ d при изменении поля от H до -H происходит образование вихря под дефектом с последующим смещением и аннигиляцией на противоположном краю. В этом случае при изменении ориентации поля от -H до H вихрь зарождается опять под дефектом, но уже с противоположной хиральностью.
Отличительными признаками заявляемого способа контроля параметров магнитного вихря от прототипа являются:
- возможность задания четырех различных состояний магнитной структуры в магнитном элементе;
- отсутствие дефектов, создающих асимметрию магнитной структуры, в большом диске;
- отсутствие участков на петле магнитного гистерезиса, обусловленных закреплением центра вихря на специально созданных дефектах.
Сопоставительный анализ существенных признаков заявляемых устройства и способа с существенными признаками прототипа и аналогов свидетельствует о его соответствии критериям новизна и изобретательский уровень.
Предлагаются новые технические решения, позволяющие всей совокупностью существенных признаков предложить не известные из уровня техники магнитный элемент и новый способ диагностики наноструктур.
Практическая ценность заявляемого изобретения заключается в возможности создания на его основе магниторезистивной памяти с произвольной выборкой.
Представленный ниже пример подтверждает, но не ограничивает предлагаемое изобретение.
Пример. Изготовлен магнитный элемент, схема которого представлена на фиг.1а-в, и фотография, полученная методом сканирующей электронной микроскопии, на фиг.1г. Параметры изготовленного магнитного элемента: радиус диска 1 равен R1 = 600 нм; радиус дисков 2 и 3 равен R2=R3=200 нм; расстояние между центрами дисков d = 170 нм; толщина дисков 1 и 3 равна 35 нм; толщина диска 2 равна 3 нм. Материал дисков 1,3 - пермаллой, диска 2 - медь.
Магнитный элемент получали на подложке из оксидированного кремния с использованием электронной литографии, проводимой два этапа: на первом этапе формировали шаблоны большого диска, на втором - малого. Для литографии использовали позитивный полимерный фоторезист РММА 950К. Толщина фоторезиста после нанесения с помощью центрифуги равна от 300 нм. Фоторезист проявляли в изобутилкетоне, растворенном в изопропиловом спирте при их объемном соотношении 1:3 в течение 30 секунд.
Осаждение металлов (Cu и пермаллой) осуществляли методами магнетронного распыления со скоростью осаждения металлов 1 нм в минуту и температуре подложки в процессе осаждения 290° К.
-9
-3
Базовый вакуум в напылительной установке 10 мТорр; вакуум в процессе осаждения магнетронным методом 1*10 мТорр.
-11
3
Микромагнитное моделирование для поликристаллического пермаллоя осуществляли при следующих параметрах: намагниченность насыщения Ms=860 Гс, константа обменного взаимодействия А=1,3*10 Дж/м, размер ячейки =5×5×5 нм, что соответствует экспериментально определенному размеру зерна (кристаллографической анизотропией пренебрегли, так как исследуемый объект является поликристаллическим).
Контроль параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках осуществляли приложением внешнего магнитного поля Н, которое по величине больше поля насыщения магнитного элемента, и равного 500 или - 500 Э с последующим уменьшением его до нуля.
Направление приложения магнитного поля относительно оси d, соединяющей центры большого и малого ферромагнитных дисков магнитного элемента задавали под углами 0, 90, 180, 270 градусов. Формировали магнитный вихрь в большом диске магнитного элемента с заданным направлением вращения магнитных моментов и создавали однодоменное состояние в малом диске с контролируемым направлением магнитных моментов.
Данные экспериментальных исследований, иллюстрируемые схемами и графиками на фигурах 2, 3 и 4, подтверждают значительное влияние малого диска 3 заявляемого магнитного элемента на процесс перемагничивания в большом диске 1, вследствие чего появляется возможность формирования магнитного вихря в большом диске 1 с заданным направлением вращения магнитных моментов и создания однодоменного состояния в малом диске 3 с контролируемым направлением магнитных моментов. При этом заявляемый способ контроля параметров магнитного вихря в ферромагнитных дисках позволяет контролировать точку зарождения вихря, траекторию движения вихря и хиральность вихря в зависимости от направления магнитного поля относительно линии d.
ЛИТЕРАТУРА
1. Т. Kimura, Y. Otani, Н. Masaki, J. Shibata // Appl. Phys. Lett. V. 90, 2007. P.132501.
2. Patent US 2009/0117370 Al, опубл. 07.05.2009.
3. Patent US 20070247901 Al, опубл. 25.10.2007 г.
4. Patent US 7983074 B2, опубл. 19.07.2011 г.
5. Patent US 20090161404 Al, опубл. 25.06.2009 г.
6. http://math.nist.gov.