CN100419855C - 利用电子自旋相关的散射读取数据的装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁记录介质、和一种利用电子的自旋相关的散射读取数据的装置和方法。该装置包括探针、磁记录介质、控制单元、和测量单元。探针通过肖特基结、或隧道势垒发射热电子。磁记录介质包括基底、在基底上的第一磁层、在第一磁层上的非磁层、和在非磁层上的第二磁层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向。控制单元向探针施加电压，以便探针可以发射热电子。测量单元通过检测在基底的输出电流，来读取记录在磁记录介质上的数据，所述输出电流按照第一和第二磁层的磁化的平行、或反向平行状态而变化。
Description
本案是申请日为2003年6月30日、申请号为03148462.X、发明名称为“利用电子自旋相关的散射读取数据的介质、装置及其方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种磁记录介质、和一种从磁记录介质读取数据的装置及方法，具体涉及一种磁记录介质、和一种利用电子的自旋相关的散射从磁记录介质读取数据的装置及方法。
背景技术
一般地，存在两种用于读取记录在磁记录介质上的数据的传统方法。一种涉及检测从磁记录介质产生的磁场，另一种涉及利用磁光效应。但是，由于记录在数据存储介质上的数据的密度提高、和作为记录在数据存储介质上的数据的最小单位比特的大小的降低，这两种方法变得更容易受到技术问题的影响。例如，在通过检测从磁记录介质产生的磁场来从磁记录介质读取数据的方法的情况中，虽然对降低比特的大小进行了积极的研究，但是仍然对磁场传感器的大小有限制。另外，比特大小的降低伴随着输出信号的强度的降低，当前的技术不能放大在某个电平以外的输出信号。在利用磁光效应从磁记录介质读取数据的方法的情况中，由所用的光波长来确定分辨率的事实，对于可以施加到磁记录介质的记录密度强加了限制。
为了解决传统的数据再现方法的技术问题，美国专利第6,304,481号公开了一种利用自旋极化的电子来存储数据的装置和方法。
图1是由6,304,481专利所提供的数据存储设备的剖面图。参见图1，数据存储设备包括控制单元1，具有尖端2b的自旋极化的电子源40，提取器4，准直仪6、7、9，静电透镜10、11和12，绝缘元件5和8。数据存储设备也包括消隐元件13，粗和细微偏转板14和15，电子检测器1，数据存储层17，和基底18。
控制单元1经由端口ADDRESS IN(地址输入)、DATA IN(数据输入)和DATA OUT(数据输出)，从外部设备接收控制信号和数据，利用必要的协议，来解译控制信号和数据，并且，将控制响应和数据返回外部设备。
电子源40提供自旋极化的电子3，然后尖端2b收集自旋极化的电子3。提取器4从尖端2b提取自旋极化的电子3，准直仪6、7、9将自旋极化的电子3校准到自旋极化的电子束19。静电透镜10、11和12聚焦自旋极化的电子束19，微偏转板14和15将自旋极化的电子束19向一个磁场偏转，该磁场是数据存储层17的一部分产生的，数据将存储在所述的数据存储层17上。
数据存储层17包括多个调整区域22、和通过绝缘元件28与数据存储层17绝缘的导电元件27。
控制单元1向电子源40施加电压V1，并且，分别向提取器4和准直仪6、7、9施加电压V2到V5，以便获得自旋极化的电子束19的所期望的特性。控制单元1分别向静电透镜10、11和12施加电压V6到V8，以便通过透镜孔径建立静电场。控制单元1向象散校正装置25的一端施加电压V12到V19。控制单元1向自旋极化的电子源40施加信号S19，以便确定自旋极化的电子3的极化方向，并且，分别向粗和细微偏转板14和15施加信号S2到S17，以便偏转自旋极化的电子束19。另外，控制单元1向消隐元件13提供信号S1，并且，通过交替检测信号S18和S20而读取数据。
按照在6,304,481专利中公开的数据存储设备和方法，有必要、但不容易精密地控制电压，以便将电子束集中到具体的数据存储区域上。另外，为了将电子束注入到数据存储介质上，必须有在数据存储介质上提供的非导电空间，它导致低效率，并且，使得难于精确地输出用于从数据存储介质再现数据的检测信号。
发明内容
本发明提供了一种使用电子的自旋相关的散射的高密度的磁记录介质、和一种利用向磁记录介质注入电子的探针，从磁记录介质读取数据的装置和方法。
按照本发明的一个方面，提供了一种磁记录介质。所述磁记录介质包括基底、在基底上的第一磁层、在第一磁层上的非磁层、在非磁层上的第二磁层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向。
最好是，第一和第二磁层具有平面内的或垂直的磁各向异性。
最好是，第一和第二磁层是连续的薄膜层。
最好是，第一和第二磁层部分或整个地形成图案。
最好是，第一和第二磁层的比特由毫微米的粒子组成。
最好是，第一和第二磁层的每一个由磁多层组成。
最好是，非磁层是金属层。
最好是，磁记录介质还包括在磁层上的氧化层，电子穿过该氧化层。
最好是，非磁层是氧化层。
最好是，磁记录介质还包括在第一磁层下的非磁金属层。
最好是，磁记录介质还包括在第二磁层上的非磁金属层。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于读取数据的装置。该装置包括探针、磁记录介质、控制单元、和测量单元。探针利用肖特基结发射热电子，肖特基结由敷有非磁金属层的半导体尖端组成。磁记录介质包括基底、在基底上的第一磁层、在第一磁层上的非磁层、和在非磁层上的第二磁层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向。控制单元向探针施加电压，以便探针可以发射热电子。测量单元通过检测在基底的输出电流，来读取记录在磁记录介质上的数据，所述输出电流按照第一和第二磁层的磁化的平行、或反向平行状态而变化。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于读取数据的装置。这种装置包括探针、磁记录介质、控制单元、和测量单元。探针包括半导体尖端并发射热电子。磁记录介质包括基底、在基底上的第一磁层、在第一磁层上的非磁层、和在非磁层上的第二磁层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向。控制单元向探针施加电压，以便尖端可以发射热电子。测量单元通过检测在基底的输出电流，来读取记录在磁记录介质上的数据，所述输出电流按照第一和第二磁层的磁化的平行、或反向平行状态而变化。
最好是，所述装置还包括在第一磁层下的非磁金属层。
最好是，所述装置还包括在第二磁层上的非磁金属层。
最好是，第一和第二磁层具有平面内的或垂直的磁各向异性。
最好是，第一和第二磁层是连续的薄膜层。
最好是，第一和第二磁层部分或整个地形成图案。
最好是，第一和第二磁层的比特由毫微米的粒子组成。
最好是，第一和第二磁层的每一个由磁多层组成。
最好是，非磁层是金属层。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于读取数据的装置。该装置包括探针、磁记录介质、控制单元、和测量单元。探针包括敷有氧化层的半导体尖端，该氧化层将穿过它的电子转换为热电子。磁记录介质包括基底、在基底上的第一磁层、在第一磁层上的非磁层、和在非磁层上的第二磁层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向。控制单元向探针施加电压，以便探针可以发射热电子。测量单元通过检测在基底的输出电流，来读取记录在磁记录介质上的数据，所述输出电流按照第一和第二磁层的磁化的平行、或反向平行状态而变化。
最好是，所述装置还包括在第一磁层下的非磁金属层。
最好是，所述装置还包括在第二磁层上的非磁金属层。
最好是，第一和第二磁层具有平面内的或垂直的磁各向异性。
最好是，第一和第二磁层是连续的薄膜层。
最好是，第一和第二磁层部分或整个地形成图案。
最好是，第一和第二磁层的比特由毫微米的粒子组成。
最好是，第一和第二磁层的每一个由磁多层组成。
最好是，非磁层是金属层。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于读取数据的装置。该装置包括探针、磁记录介质、控制单元、和测量单元。探针包括发射电子的导电尖端。磁记录介质包括基底、在基底上的第一磁层、在第一磁层上的非磁层、在非磁层上的第二磁层、在第二磁层上的氧化层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向，所述氧化层将穿过它的电子转换为热电子。控制单元向探针施加电压，以便尖端可以发射电子。测量单元通过检测在基底的输出电流，来读取记录在磁记录介质上的数据，所述输出电流按照第一和第二磁层的磁化的平行、或反向平行状态而变化。
最好是，所述装置还包括在第一磁层下的非磁金属层。
最好是，所述装置还包括在第二磁层上的非磁金属层。
最好是，第一和第二磁层具有平面内的或垂直的磁各向异性。
最好是，第一和第二磁层是连续的薄膜层。
最好是，第一和第二磁层部分或整个地形成图案。
最好是，第一和第二磁层的比特由毫微米的粒子组成。
最好是，第一和第二磁层的每一个由磁多层组成。
按照本发明的另一个方面，提供了一种用于读取数据的装置，包括探针、磁记录介质、控制单元、和测量单元。探针包括发射电子的导电尖端。磁记录介质包括基底、在基底上的第一磁层、在第一磁层上的氧化层、在氧化层上的第二磁层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向，所述氧化层将穿过它的电子转换为热电子。控制单元向探针施加电压，以便尖端可以发射电子。测量单元通过检测在基底的输出电流，来读取记录在磁记录介质上的数据，所述输出电流按照第一和第二磁层的磁化的平行、或反向平行状态而变化。
最好是，所述装置还包括在第一磁层下的非磁金属层。
最好是，所述装置还包括在第二磁层上的非磁金属层。
最好是，第一和第二磁层具有平面内的或垂直的磁各向异性。
最好是，第一和第二磁层是连续的薄膜层。
最好是，第一和第二磁层部分或整个地形成图案。
最好是，第一和第二磁层的比特由毫微米的粒子组成。
最好是，第一和第二磁层的每一个由磁多层组成。
按照本发明的另一个方面，提供了一种读取数据的方法。所述方法包括：利用探针向磁记录介质注入热电子；在基底检测输出电流，该输出电流由依赖于第一和第二磁层的磁化的平行、或反向平行状态的电子的散射确定；当所述电流超过预定的参考值的时候，通过识别一个数据比特的值作为第一二进制值，来读取记录在磁记录介质上的数据，并且，当所述电流不超过所述预定参考值的时候，识别所述数据比特的值作为第二二进制值。
最好是，磁记录介质包括基底、在基底上的第一磁层、在第一磁层上的非磁层、在非磁层上的第二磁层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向。
最好是，磁记录介质还包括在第一磁层下的非磁金属层。
最好是，磁记录介质还包括在第二磁层上的非磁金属层。
最好是，探针包括敷有非磁金属层的半导体尖端，以便于形成肖特基结。
最好是，探针包括敷由氧化层的半导体尖端，该氧化层将穿过它的电子转换为热电子。
最好是，探针包括发射热电子的半导体尖端。
最好是，磁记录介质还包括在第二磁层上的氧化层，该氧化层将穿过它的电子转换为热电子。
最好是，探针包括导电尖端。
最好是，非磁层是：将穿过它的电子转换为热电子的氧化层。
最好是，探针包括导电尖端。
附图说明
通过参照附图详细说明本发明的典型实施例，本发明的上述的和其它特点和优点将会变得更加清楚，其中：
图1是在美国专利第6,304,481号中公开的数据存储设备的剖面图；
图2是说明按照本发明的第一实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图；
图3是说明按照本发明的第二实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图；
图4是说明按照本发明的第三实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图；
图5是说明按照本发明的第四实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图；
图6是说明按照本发明的第五实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图；
具体实施方式
以下，参照附图来更全面地说明本发明，在附图中示出了本发明的优选实施例。
图2是说明按照本发明的第一实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图。参见图2，按照本发明的第一实施例的磁记录介质115包括：基底115d；第一磁层115c，位于基底115d的上表面上，并且，由具有平面内的磁各向异性的连续比特组成；非磁金属层115b，位于第一磁层115c的上表面上；第二磁层115a，位于非磁金属层115b的上表面上，并且，由具有平面内的磁各向异性的连续比特组成。在此，第二磁层115a的磁化方向与第一磁层115c的磁化方向平行、或反向平行，非磁金属层115b被接地。第一和第二磁层115c和115a的全部或部分可以形成图案。基底115d是半导体基底。
参见图2，按照本发明的第一实施例的用于从磁记录介质115读取数据的装置包括：探针111，它由敷有非磁层113的尖端111a组成，并且，在其间形成肖特基结；控制单元117，它向探针111施加合适的电压，以使得探针111发射热电子；测量单元119，它通过检测由注入到磁记录介质115中的热电子的流动产生的电流，来读取记录在磁记录介质115上的数据。在图2中，附图标号111b表示悬臂，尖端111a位于它的端点。悬臂111b用于响应于从控制单元117输出的信号而移动探针111。
如果探针111连接到阴极，则从阴极发射的电子被注入到探针111的尖端111a。由于在尖端111a与覆盖尖端111a的非磁层113之间形成的肖特基结，在尖端111a与非磁层113之间的接口形成能量势垒、即肖特基势垒。由于要求从尖端111a发射的电子穿过肖特基势垒，因此它们被作为比费米能级高大约1电子伏特的能量的非平衡的热电子而产生。从探针111发射的热电子被注入磁记录介质115中。在穿过磁记录介质115的时候，热电子依赖于第一和第二磁层115c和115a的磁化方向而散射。
在穿过第一和第二磁层115c和115a的时候，热电子经过弹性或非弹性散射，这使得热电子的动量和能量改变。如果热电子的自旋方向与磁记录介质115的磁化方向相同，则预期热电子散射得少。另一方面，如果热电子的自旋方向与磁记录介质115的磁化方向不同，则预期热电子散射得多，并且，丢失相当大数量的能量。从散射中丢失很多能量的热电子不能越过在第二磁层115a和基底115d之间的接口形成的能量势垒，同时经过仅仅中度的散射的热电子可以容易地越过所述能量势垒。因此，电流可以依赖于热电子散射的程度而改变。
如果第一磁层115c的预定比特的磁化方向、与第二磁层115a的预定比特的磁化方向平行，则具有一个自旋方向的热电子可以穿过第一和第二磁层115c和115a，这样，由测量单元119测量大电流。另一方面，如果第一磁层115c的预定比特的磁化方向、与第二磁层115a的预定比特的磁化方向反向平行，则预期热电子在穿过具有与它们的自旋方向相反的磁化方向的磁层时散射很多，这样，由测量单元119测量的电流减少。如果由测量单元119测量的电流大于预定的参考值，则识别二进制值“1”，否则，识别二进制值“0”(或反之亦然)。以这种方式，可以读取记录在磁记录介质115上的数据。在此，即使当磁记录介质115中的电流的方向相反的时候，也可以从磁记录介质115读取数据。
图3是说明按照本发明的第二实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图。参见图3，按照本发明的第二实施例的磁记录介质125包括：基底125d；依序布置在基底125d上的第一磁层125c、非磁金属层125b、第二磁层125a。第一和第二磁层125c和125a是具有垂直的磁各向异性的连续薄膜层。在此，第一和第二磁层125c和125a的全部或部分可以形成图案。
参见图3，按照本发明的第二实施例的用于从磁记录介质125读取数据的装置，像图2所示的装置那样，包括：探针121；控制单元117，它向探针121施加电压，以便输出用于移动悬臂121b的信号；测量单元119，它检测按照穿过磁记录介质125的热电子的散射程度变化的电流，并且，根据所检测的电流读取记录在磁记录介质125上的数据。探针121，与图2所示的探针111不同，它通过将电子穿过薄薄地敷在尖端121a上的氧化层123来产生热电子，而不是穿过肖特基结。
按照本发明的第二实施例的、从磁记录介质125读取数据的方法如下。在本实施例中，如图2中所示的第一实施例中那样，可以通过检测热电子的电流，来读取记录在磁记录介质125上的数据，所述热电子的电流根据是否第一磁层125c的磁化与第二磁层125a的磁化方向平行、或反向平行而改变。换句话说，当第一磁层125c的磁化方向与第二磁层125a的平行的时候，在具体自旋状态中的热电子仅仅散射一点，而当第一磁层125c的磁化方向与第二磁层125a的反向平行的时候，它们散射很多。电流可以根据热电子的散射程度变化。根据由测量单元119测量的电流，所记录的数据比特被识别为“1”或“0”。以这种方式，可以再现记录在磁记录介质125上的数据。在此，即使当在磁记录介质125中的电流的方向相反的时候也可以从磁记录介质125再现数据。
图4是说明按照本发明的第三实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图。参见图4，按照本发明的第三实施例的磁记录介质135包括：基底135d和在基底135d上依序布置的第一磁层135c、非磁金属层135b、第二磁层135a。在本实施例中，与本发明的第一和第二实施例中不同，构成第一和第二磁层135c和135a的比特由毫微米粒子组成，而不是由连续的薄膜层组成，并且，具有垂直的磁各向异性。可以利用真空沉淀方法或化学方法来形成由毫微米粒子构成的第一和第二磁层135c和135a。具体地说，可以利用这样的化学方法来形成第一和第二磁层135c和135a，即所述方法包括将Pt(acac)2(acac＝acetylacetonate，CH3COCHCOCH3)还原为二醇，通过高温分解Fe(CO)5来形成毫微米粒子，并利用加温退火来形成FePt磁层。
可以在第一磁层115c、125c和135c下、或在第二磁层115a、125a和135a上另外地形成非磁金属层。另外，在按照本发明的第一到第三实施例的磁记录介质115、125和135中，第一磁层115c、125c和135c的每一个、或第二磁层115a、125a和135a的每一个可以由磁多层形成。
按照本发明的第三实施例的、从磁记录介质135读取数据的装置包括：探针131，它具有悬臂131b，半导体尖端131a在它的端点。控制单元117和测量单元119，与本发明的第一和第二实施例中的对应部分相同，因此，在此不再重复对它们的说明。在此，即使当磁记录介质135中的电流的方向相反的时候，也可以从磁记录介质135再现数据。
当控制单元117向探针131施加预定的电压的时候，从尖端131a发射具有高于费米能级的能量的热电子。热电子散射的程度依赖于是否第一磁层135c的比特的磁化方向与第二磁层135a的比特的磁化方向平行、或反向平行而改变。按照本发明的第三实施例的从磁记录介质135读取数据的方法，与发明的第一和第二实施例中的相同。
图5是说明按照本发明的第四实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图。参见图5，按照本发明的第四实施例的磁记录介质145包括：基底145d和在基底145d上依序布置的第一磁层145c、非磁金属层145b、第二磁层145a和氧化层144。第一和第二磁层145c和145a具有平面内的磁各向异性，并且，部分地形成图案。穿过氧化层144的电子被转换为热电子。
按照本发明的第四实施例的、用于从磁记录介质145读取数据的装置包括：探针141，它由导电尖端141a和悬臂141b组成。在穿过氧化层144时，从导电尖端141a发射的电子被转换为具有增加的能量的热电子。控制单元117和测量单元119，具有与本发明的第一和第二实施例中的、它们的对应部分相同的功能，按照本发明的第四实施例的从磁记录介质145读取数据的方法，与本发明的第一和第二实施例中的相同。
图6是说明按照本发明的第五实施例的磁记录介质、和从磁记录介质读取数据的装置的示意图。参见图6，按照本发明的第五实施例的磁记录介质155包括：基底155a，在基底155d上的第一磁层155c，在第一磁层155c上的氧化层154和在氧化层154上的第二磁层155a。第一和第二磁层155c和155a具有垂直的磁各向异性，并且，部分地形成图案。
按照本发明第五实施例的用于从磁记录介质155读取数据的装置，与按照本发明第四实施例的相同。并且，按照本发明的第五实施例的从磁记录介质155读取数据的方法，与按照本发明的第四实施例的相同。换句话说，在本发明的第五实施例中，同样，在穿过氧化层154的时候，电子被转换为具有提高的能量的热电子。控制单元117和测量单元119，具有与本发明的第一和第二实施例中的它们的对应部分相同的功能，按照本发明的第五实施例的从磁记录介质155读取数据的方法，与本发明的第一和第二实施例中的相同。
按照本发明的第一到第四实施例，第一磁层和第二磁层可以由磁多层形成，并且，可以通过当所测量的电流超过预定参考值的时候将一个比特的值识别为1(或0)，而当所测量的电流未超过预定参考值的时候将该比特的值识别为0(或1)，来读取记录在磁记录介质上的数据。
按照本发明的磁记录介质，可以通过形成磁层，使得一个磁层的磁化方向与另一个磁层的磁化方向平行、或反向平行，而制造成具有大存储容量。利用探针从磁记录介质读取数据的装置的分辨率是由探针的尺寸决定的。按照本发明的、用于从磁记录介质读取数据的装置和方法，测量由注入到磁记录介质中的热电子的自旋相关的散射所引起的电流的变化。相应地，可以通过制造具有几个纳米大小的探针，来读取具有这样大小的比特信息。另外，容易制造这样的探针，因为仅仅需要探针具有向磁记录介质内注入电子的功能。而且，按照本发明，可以通过检测电流，从磁记录介质高速再现数据，并且，容易构造具有外围电路的系统。
虽然已经参照本发明的实施例，具体示出、并说明了本发明，本领域那些技术人员会明白，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的实质和范围的前提下，可以进行形式和细节上的各种改变。
Claims (3)
1. 一种读取数据的方法，包括：
利用探针向磁记录介质注入热电子；
在基底检测输出电流，该输出电流由依赖于第一和第二磁层的磁化的平行、或反向平行状态的热电子的散射确定；以及
当所述电流超过预定的参考值的时候，通过识别一个数据比特的值作为第一二进制值，来读取记录在磁记录介质上的数据，并且，当所述电流不超过所述预定参考值的时候识别所述数据比特的值作为第二二进制值，其中，磁记录介质包括：
基底；
在基底上的第一磁层；
在第一磁层上的非磁层；以及
在非磁层上的第二磁层，所述第二磁层具有与第一磁层的磁化方向平行、或反向平行的磁化方向，而
其中，探针包括敷有氧化层的半导体尖端，该氧化层将穿过它的电子转换为热电子。
2. 按照权利要求1的方法，其中，磁记录介质还包括在第一磁层下的非磁金属层。
3. 按照权利要求1的方法，其中，磁记录介质还包括在第二磁层上的非磁金属层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20080917 Termination date: 20110630 |