CN103021422B - 磁记录头和磁记录装置 - Google Patents

Abstract

用于微波辅助记录的自旋力矩振荡器包括在垂直于膜表面的方向上具有磁各向异性轴线的垂直自由层，以及由在膜表面上有效地具有易磁化面的磁膜组成的面内自由层。当电流从面内自由层侧向垂直自由层侧流动时，两个自由层交换自旋信息，并且从而几乎反平行于彼此并且沿着边界面以高速旋转它们各自的磁化。优选地，垂直自由层比面内自由层更薄。还优选地，归因于材料的垂直自由层的磁各向异性场应当在相反的方向上与在垂直方向上的有效退磁场平衡。此外，垂直自由侧优选地放置在主磁极侧。

Description

磁记录头和磁记录装置

优先权

本申请要求于2011年9月20日递交的日本专利申请JP2011-204843的优先权，通过引用将该申请的内容特此结合于本申请。

相关申请的交叉引用

美国专利申请No.13/287,292是本申请的共同待决申请，通过交叉引用将该申请的内容结合于本文。

背景技术

1.技术领域

本申请涉及磁记录头，其能够通过向介质施加高频磁场以驱动磁共振以及通过引起记录介质的磁化翻转来支持在磁记录介质上记录信息，以及涉及结合了磁记录头的磁记录装置。

2.相关技术领域的描述

随着在计算机性能、以及网络的速度和能力方面近来的提高，以数字数据形式分布的信息的量已经显著地增加。就此而言，能够支持以高速度输入和输出大量信息的存储设备就需要高效地接收/发射以及提取这种的大量的信息。随着在高的面记录密度方面的增长，磁盘极易受到曾经记录的信号由于热涨落而逐步减小这一问题的影响。由于磁记录介质是磁微晶的集合体，因此在每个磁微晶的体积方面的减小将引起上述问题。一般认为通常使用的热涨落指示符Kβ(＝K_uV/kT；K_u：磁各向异性；V：粒子体积；T：绝对温度；k：波尔兹曼(Boltzmann)常数)需要达到70或者更高，以便实现足够的热涨落电阻稳定性。倘若K_u和T(材料、环境)是固定的，微晶具有的V越小，由于热涨落而翻转的磁化有可能越多。由于1位所占据的记录膜(recording film)的体积随着高的面记录密度的增加而减小，因此V将会减小并且从而热涨落不能被忽视。如果增加K_u以控制热涨落，则对于磁记录所需要的翻转磁场将超过可以由记录头所产生的写入磁场，这将导致无效的记录。

为了避免这一问题，CMU的朱某等人在专利文献1中公开了微波辅助磁记录(MAMR，microwave assisted magnetic recording)技术。如图1A所示，MAMR以如下方式进行记录，该方式除了来自垂直记录头的主磁极的写入场之外还向具有高的磁各向异性的磁记录介质7施加来自邻近主磁极布置的自旋力矩振荡器(STO，spintorque oscillator)的微波场，并且使记录目标区域进入磁共振状态以降低翻转场。这使得能够在能够支持超过1Tbit/in²的高的面记录密度的磁记录介质的微波辐射区域上进行记录，常规记录头由于不足够的写入磁场而在该区域上记录具有困难。STO通过经由Cu从参考层31到邻近的场产生层(FGL；field generation layer)传送自旋力矩以及快速旋转FGL 32(其是面内自由层)的磁化来在面内产生微波(高频磁场)。

由于MAMR利用磁共振现象，因此有效的微波场分量是逆时针方向的极化场分量，该逆时针方向与记录介质的旋进是相同的旋转方向。另一方面，如图1B所示，来自FGL32(其是STO的微波场源)的微波场是椭圆形极化的场(其旋转方向依赖于FGL磁化的旋转方向)，以及当在头运行的方向上观察时，在FGL32的前面或者后面以反方向旋转。因此，仅在FGL32的前面或者后面的一侧上创建对于MAMR有效的逆时针极化场。因此，每当主磁极的极性翻转时，都需要翻转FGL 32的磁化的旋转方向。如在专利文献2和专利文献3中所公开的，对于这种翻转的一个现实的方法是根据主磁极场H_ext来翻转作为自旋力矩源的参考层的磁化，同时使STO驱动电流保持恒定(参加图2A和图2B)。

在这种情况下，因为考虑到在参考层的磁化翻转的同时不能够得到用于驱动FGL所必需的自旋力矩，因此需要参考层的高速磁化翻转。专利文献2公开了一种用于降低在专利文献1中公开的STO的参考层的磁矫顽力以及通过主磁极场来翻转参考层磁化的技术，以及一种用于通过邻近参考层放置的具有高的磁通密度的磁体来增加翻转速度的技术。专利文献2还公开了一种用于基本上使得主磁极或辅助磁极的一部分用作参考层的技术。主磁极设置有唇缘部分，高频磁场产生器配置有插入在其间的自旋散射层，以及被施加电流以使得自旋力矩在一个方向上起作用以抑制主磁极的磁场在FGL上的影响。这一配置使得从主磁极流动进入射频产生器的磁场能够能够垂直于膜表面进入。由于将主磁极用作自旋源，因此可以根据期望的频率来设置用于驱动如下电流的高频磁场产生器，该电流能够独立于主磁极的极性实现最大的高频磁场的生成。

此外，专利文献4和专利文献5公开了一种技术，其中一对等效的FGL被配置成快速地旋转它们的磁化而同时保持磁化反平行于彼此，以及将产生自FGL的端面并且平行于记录介质面的单向的高频磁场施加于介质，以便不管FGL旋转方向而高效地翻转介质磁化。

专利文献1：US 2008/0019040A1

专利文献2：JP 2009-070541A

专利文献3：WO 2009/133786A1

专利文献4：JP 2008-277586A

专利文献5：JP 2008-305486A

发明内容

在具有每平方英寸高于1T位的面记录密度的微波辅助磁记录(MAMR)中，以如下方式来记录信息，在该方式中，使用强的高频磁场来辐射施加了来自主磁极的写入磁场的、纳米级的磁记录介质的区域，并且从而将其局部地变为磁共振状态以降低翻转场。由于MAMR是基于磁共振的原理，因而只有匹配记录区域的旋进的旋转方向的射频极化场分量对于介质的磁化翻转是有效的。因此，为了得到具有高翻转效率的高频磁场，当翻转主磁极的极性时需要翻转FGL磁化的旋转方向。如果每当主磁极的极性翻转时FGL磁化的旋转方向没有翻转，则介质磁化的翻转位置将转移到FGL的前面或者后面，以及线性面记录密度不能得到提高。

在专利文献1中，由于将具有诸如(Co/Pd)n、(Co/Pt)n等的高的磁各向异性(以及相对低的饱和磁通密度)的多层用于STO的参考层，因而认为对FGL施加了稳定的自旋力矩。然而，由于参考层的磁化不会连同主磁极的极性的翻转而翻转，因而需要翻转STO驱动电流以翻转FGL磁化的旋转方向。在这种情况下，需要解决以下问题，其结果是使得实现极其困难：a)自旋力矩的效率随电流是正的还是负的而变化；b)待施加到FGL的外部磁场不相等；c)FGL磁化的上升角各异；以及d)需要与主磁极的磁场同步STO驱动电流。

在专利文献2中，使得其磁矫顽力低于来自主磁极的磁场的诸如(Co/Pd)n、(Co/Pt)n等的多层被用于自旋力矩的源的参考层，参考层磁化与主磁极的极性同步地翻转而同时使STO驱动电流保持恒定，以及随后翻转FGL磁化的旋转方向。磁矫顽力被降低的诸如(Co/Pd)n、(Co/Pt)n等的多层趋向于具有进一步降低的饱和磁通密度B_s。因此，即使高的B_s材料的层叠也不能实现参考层的足够的磁化翻转速度。此外，存在另一个问题，即由于参考层的低的磁矫顽力，当试图通过增强电流来向FGL供给大的自旋力矩时，它的反作用破坏参考层磁化的稳定性。此外，还有一个问题，即由于多层对于磁化运动具有0.1到0.3的高的阻尼系数α，从而自旋被自旋泵送动作(pumping action)所消耗，因此需要施加更多的电流来获得同样频率的高频磁场。

在专利文献3中，通过使设置在主磁极中的唇缘部作为参考层，参考层的磁化与主磁极的极性同步翻转，而同时使STO驱动电流保持恒定，并且随后翻转FGL磁化的旋转方向。由于基本上使得主磁极或辅助磁极的一部分作为参考层，因此认为磁化翻转速度是足够快的。然而，由于主磁极的磁化状态或者来自FGL的自旋力矩的反作用的影响，参考层的磁化很容易波动，这使得难于施加大的STO驱动电流和增加振荡频率。在这些专利文献2、专利文献3中，当主磁极的极性翻转时，作为自旋力矩源的磁体的磁化与主磁极的极性同步地翻转。因此，当主磁极的极性翻转时，在达到稳定的振荡状态之前，主磁极极性的翻转时间、参考层的翻转时间、和FGL的稳定时间的总值是必需的。因而存在不能获得足够的时间以向记录介质写入的担心。

在专利文献4，5中，在头的中央处产生面内线性振荡磁场，并且依赖于FGL的旋转方向而在记录特性方面没有不同。然而，在磁道结束处，由于不容易避免来自FGL结束的相位滞后的高频磁场的影响，以及由于极化场分量的影响变得显著，因此更高的磁道密度将依赖于FGL的旋转方向而改变记录特性。因此，类似于专利文献2和专利文献3，参考层的磁化需要与主磁极的极性同步地翻转。此外，专利文献4和专利文献5中所公开的技术的问题在于：由于其原理，当等效于FGL磁化的参考层磁化需要快速地自旋时，必需的电流量是双倍的。

在HDD中，随着增加表面面记录密度，在磁道方向上的位长度被缩短。在超过1Tbit/in²的磁记录中，一般期望在磁道方向上的位长度是10nm或更低。在这种情形下，如果施加20m/2的头介质间隔，其被用作当前HDD中的标准，则以每位10/20＝0.5n秒或更低执行记录。在这种情形下，信息传递速率是2Gbit/s。对于专利文献2-5中的技术，需要参考层磁化与主磁极的极性同步地翻转。因此，如果参考层的翻转时间是0.2秒或甚至更低，则可能的是将由自旋力矩在翻转时间期间从参考层传送的FGL磁化将不再处于稳定的振荡状态。由于考虑到恢复需要花费相等量的时间，因此难以实现2Gbit/s或者更高的信息传递速率。

本发明的一个目的在于提供适合用于超高密度磁记录的磁记录头和磁记录装置，并且它是高度可靠的，以及通过将从主磁极的磁化翻转开始直到到达稳定的振荡状态的时间降低到0.3秒或更低从而是低成本的。

本发明的磁记录头是包括主磁极和布置在主磁极附近的自旋力矩振荡器的磁记录头，并且被配置成通过使用由主磁极产生的翻转场和由自旋力矩振荡器产生的高频磁场来翻转磁记录介质的磁化来记录信息。自旋力矩振荡器包括垂直自由层和面内自由层，垂直自由层由在垂直于膜表面的方向上具有磁各向异性轴线的磁膜形成，以及面内自由层由在膜表面上有效地具有易磁化面的磁膜形成。电流在自旋力矩振荡器中从面内自由层侧向垂直自由层侧流动。优选地，垂直自由层具有比面内自由层更薄的膜厚度，以及优选地，归因于材料的垂直自由层的磁各向异性场和在垂直于垂直自由层的膜表面的方向上的有效退磁场在相反的方向上几乎平行。此外，垂直自由层优选地放置在主磁极和面内自由层之间。

在本发明的自旋力矩振荡器中，垂直自由层的磁化几乎保持在磁化旋转面内，因此在主磁极的极性翻转之前和之后，几乎不会改变与磁各向异性轴线的角度。由于面内自由层的磁化也保持在旋转面内，因此使得在主磁极的极性翻转之后能够立即进行到磁记录介质的写入。使用本发明的自旋力矩振荡器使得能够迅速地翻转施加的磁场的旋转状态。因此，使用面记录密度超过每平方英寸1T位的微波辅助记录的磁记录能够实现2Gbit/s以上的信息传递速率。

通过下文的优选实施例的描述，除了上面描述的这些之外的任何问题、配置和效果将变得清楚。

附图说明

图1A是示出MAMR的原理的视图。

图1B是示出从FGL创建的磁场的视图。

图2A是示出常规STO中的外部磁场和STO驱动电流方向的关系的视图。

图2B是示出常规STO中的外部磁场和STO驱动电流方向的关系的视图。

图3是示出用于STO的计算模型的视图。

图4A是示出在常规STO中在参考层磁化z分量和FGL磁化z分量中的时间变化的视图。

图4B是示出在常规STO中在FGL磁化x分量中的时间变化的视图。

图4C是示出在常规STO中在参考层磁化x分量中的时间变化的视图。

图4D是示出在常规STO中的参考层磁化和FGL磁化的旋转方向的视图。

图5A是示出在在计算中使用的外部磁场翻转中的时间变化的视图。

图5B是示出在常规STO中在参考层磁化z分量中的时间变化的视图。

图5C是示出在常规STO中在FGL磁化z分量中的时间变化的视图。

图5D是示出在常规STO中在FGL磁化x分量中的时间变化的视图。

图6A是示出在本发明的STO的外部磁场的翻转期间在垂直自由层磁化z分量和面内自由层磁化z分量中的时间变化的视图。

图6B是示出在本发明的STO的面内自由层磁化x分量中的时间变化的视图。

图6C是示出在本发明的STO的垂直自由层磁化x分量中的时间变化的视图。

图6D是示出本发明的STO的面内自由层磁化和垂直自由层磁化的旋转方向的视图。

图7A是示出STO的AF模式振荡频率的外部磁场依赖关系的视图。

图7B是示出对于垂直自由层的磁化和厚度的组合AF模式振荡状态的发现的视图，通过改变垂直磁各向异性场来检查AF模式振荡状态。

图7C是示出以一些电流为参数的STO振荡频率的外部磁场依赖关系的视图。

图7D是示出在各种条件下面内自由层的面内磁分量对于通过从归因于材料的磁各向异性场中减去有效退磁场而得到的值的依赖关系的视图。

图8A是示出在计算中使用的外部磁场翻转中的时间变化的视图。

图8B是示出在本发明的STO的垂直自由层磁化z分量中的时间变化的视图。

图8C是示出在本发明的STO的面内自由层磁化z分量中的时间变化的视图。

图8D是示出在本发明的STO的面内自由层磁化x分量中的时间变化的视图。

图9A是示出在在计算中使用过的外部磁场高速翻转中的时间变化的视图。

图9B是示出在本发明的STO的垂直自由层磁化z分量中的时间变化的视图。

图9C是示出在本发明的STO的面内自由层磁化z分量中的时间变化的视图。

图10A是图9A的时间扩大视图。

图10B是图9B的时间扩大视图。

图10C是图9C的时间扩大视图。

图10D是示出在图10B和图10C的2.5秒处的垂直自由层磁化和面内自由层磁化的旋转方向的视图。

图10E是示出在图10B和图10C的3.5秒处的垂直自由层磁化和面内自由层磁化的旋转方向的视图。

图11是示出用于确定对于磁化翻转有效的高频磁场分量的方法的视图。

图12A是示出STO的构造的示意性构造图。

图12B是示出对于到有效的高频磁场分量的主磁极的距离的依赖关系的视图。

图13A是示出STO的构造的示意性构造图。

图13B是示出对于到有效的高频磁场分量的主磁极的距离的依赖关系的视图。

图14A是示出STO的构造的示意性构造图。

图14B是示出对于到有效的高频磁场分量的主磁极的距离的依赖关系的视图。

图15A是示出STO的构造的示意性构造图。

图15B是示出对于到有效的高频磁场分量的主磁极的距离的依赖关系的视图。

图16A是示出本发明的STO的振荡频率和外部磁场的关系的视图。

图16B是示出本发明的STO的振荡频率和外部磁场的关系的视图。

图16C是示出本发明的STO的振荡频率和外部磁场的关系的视图。

图17是本发明的一个实施例的磁记录头的示意性横截面视图。

图18是示出仅STO的振荡频率和外部磁场的关系的视图。

图19是滑块以及结合在其中的记录和再现部分的放大的横截面视图。

图20是磁头部分的放大视图。

图21A是示出滑块和磁头的构造示例的视图。

图21B是示出滑块和磁头的构造示例的视图。

图22A是磁记录装置的上表面示意性视图。

图22B是图22A的A-A’横截面视图。

具体实施方式

当在MAMR的STO的原型头的振荡测试期间在与常规方向相反的方向上施加STO驱动电流时，观察到导致可以高速地翻转主磁极的极性的想法的行为。为了分析之前从未被考虑的新振荡状态，假定参考层磁化被FGL磁化(称作垂直自由层)牵引而移动，基于以下LLG(Landau Lifschitz Gilbert)等式(1)通过计算机模拟来分析磁化翻转行为。在这里，参考层或垂直自由层由磁膜组成，该磁膜在垂直于膜表面的方向上具有磁各向异性轴线，并且FGL或面内自由层由磁膜组成，该磁膜在膜表面上具有易磁化面。

$\frac{{\mathrm{dm}}_h}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{\γm}}_h\×H_{h-\mathrm{eff}}+{\mathrm{\α}}_h{m}_h\×\frac{{\mathrm{dm}}_h}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\γ\β}}_{h}I\·m_h\×(m_h\×m_p)$

$\frac{{\mathrm{dm}}_p}{\mathrm{dt}}=-{\mathrm{\γm}}_p\×H_{p-\mathrm{eff}}+{\mathrm{\α}}_p{m}_p\×\frac{{\mathrm{dm}}_p}{\mathrm{dt}}+{\mathrm{\γ\β}}_{p}I\·m_p\×(m_h\×m_p),---\left(1\right)$

${\mathrm{\β}}_h=\frac{2{\mathrm{\μ}}_B}{{\mathrm{\γeV}}_h{M}_{\mathrm{sh}}}g,{\mathrm{\β}}_p=\frac{{2\mathrm{\μ}}_B}{{\mathrm{\γeV}}_p{M}_{\mathrm{sp}}}g,g={[-4+\frac{{(1+P)}^3(3+m_h\·m_p)}{4P^{3/2}}]}^{-1}$

其中γ、I、μ_B、e和P分别是陀螺磁常数、垂直于膜表面的方向上的电流(J是电流密度)、玻尔磁子、元电荷和极化率。m_h、H_h-eff、αh、V_h和M_sh分别是面内自由层2(或FGL32)的单位向量、有效场、阻尼系数、体积和饱和磁化。此外，m_p、H_p-eff、α_p、Vp和M_sp分别是垂直自由层1(或参考层31)的单位向量、有效场、阻尼系数、体积和饱和磁化。面内自由层的有效场H_h-eff由磁各向异性场H_ah(＝H_kh×cosθm_h，其中θm_h是由面内自由层磁化和轴线z形成的角度)、磁静态场H_sh、退磁场H_dh、和外部磁场H_ext的4个分量的总和组成。此外，垂直自由层1的有效场H_h-eff由磁各向异性场H_ap(＝H_kp×cosθm_p，其中θm_p是由垂直自由层磁化和轴线z形成的角度)、磁静态场H_sp、退磁场H_dp、和外部磁场H_ext的4个分量的总和构成。对于磁静态场H_sh和H_sp，如在图3的空间布置中所示，计算当面内自由层2和垂直自由层1平行且间隔3nm时相互磁化的影响。面内自由层2和垂直自由层1之间的间隙用于无磁自旋传递层(诸如Cu)，其通过电流传输自旋信息，而不用将传送交换耦合层厚度限制到3nm。

首先，示出了对于常规STO的振荡状态的计算结果。对于计算模型，假定磁体作为参考层31，其具有40nm的宽度×40nm的高度×10nm的厚度、1.5T的饱和磁通密度、和960kA/m(12KOe)的垂直磁各向异性H_kp，以及假定软磁铁作为FGL 32，其具有40nm的宽度×40nm的高度、12nm的高度和2.3T的饱和磁通密度。图4A到图4B是示出了就常规STO来说当从参考层31侧向FGL32侧施加电流时，参考层磁化和FGL磁化的时间变化的视图。外部磁场H_ext被施加到具有480kA/m强度的+z方向，以及STO驱动电流的大小为0.1TA/m²。此外，本说明书中所示的电流密度值随着不同的条件而变化，它们并不局限于在本发明的有益效果中所描述的电流密度值。图4A、4B和4C示出了通过使用各个磁层的饱和磁化(M_sFGL，M_sFixed)来分别归一化参考层磁化M_Fixed和FGL磁化M_FGL的z分量、FGL磁化的x分量M_FGL-x、参考层磁化的x分量M_Fixed-x而得到的值。此外，图4D示出了参考层磁化和FGL磁化的旋转方向。

在图4A中，由于磁化的z分量在参考层磁化和FGL磁化两者中、在1.3n秒之后直到10n秒都不变化，由此可见保持了与+z轴线方向(场施加方向)的特定角度。此外，图4A中的磁化下降之后接着又上升的原因在于模拟中所使用的初始条件处于相对高的能量状态，并且有必要在开始时释放能量。

从图4B开始，由轴线z正交的FGL磁化的x分量以正弦波规则地振荡，应当理解，FGL磁化离z轴线(x-y面)倾斜约90度，并且以作为轴线的z方向转向(turn)。旋转(revolution)(振荡)的数目是约23GHz，因为在0.2n秒内进行了4.6个转向。因为MAMR使用在FGL侧出现的由高速磁化翻转所产生的高频磁场，优选地，只要可能，FGL磁化就在x-y面内旋转。从参考层侧向STO的FGL侧施加的电流越大，离+z轴线方向的角度和FGL磁化的磁化旋转的数目越大。因此，在常规STO中，存在这样的可能性，有可能得到对于记录介质的磁化翻转，旋转(振荡)的数目是最优的电流值，以及当FGL磁化在x-y面内旋转时电流值没有必要匹配。

接着，参照图4C，类似于FGL磁化，参考层磁化也以正弦波规则地振荡。由此应当理解，参考层磁化从z轴线倾斜并且旋转，虽然这是可以忽略的。虽然认为参考层磁化由于FGL磁化而振荡，但是参考层磁化不是足够固定的，并且如果振荡增加则FGL磁化的稳定的面内旋转就不能实现。

在常规类型的振荡模式中，参考层31的磁化几乎朝向+z轴线方向，并且FGL 32的磁化在面中旋转，下文中将常规类型的振荡模式称为T-模式振荡。在T-模式振荡中，当从参考层31侧向FGL 32侧施加电流时，试图使得FGL磁化反平行于参考层磁化的电子(自旋)从参考层反射出，并且FGL磁化在自旋力矩作用下旋转。为了实现稳定的振荡(磁化旋转)状态，参考层磁化需要是足够固定的。在使用T-模式振荡的常规STO，当外部磁场弱时，当垂直磁各向异性弱时，或者当参考层的厚度薄时，振荡易于被干扰。一般认为这是由于参考层不是足够固定的。

图4D是示出磁化如何以最少的时间(例如约0.01n秒)移动以检查每个磁化的旋转方向的视图。在此，θ是每个磁化离+z方向的角度，ψ是当将每个磁化投影到x-y面上时离x方向的角度。由于FGL磁化和参考层磁化二者均在ψ增加的方向上移动，由此可见它们朝向+z方向顺时针旋转，外部磁场施加到+z方向。在MAMR中，当来自主磁极的磁场被用作向在主磁极的邻近布置的STO施加的场时，旋转方向是最优的方向，其产生具有记录介质的较高的磁化翻转效率的射频极化场。

图5A至5D是示出在T-模式(常规振荡)中在外部磁场的翻转期间，在参考层磁化和FGL磁化中的时间变化的视图。图5A示出了极性在t＝5n秒从负z方向翻转到正z方向的外部磁场的时间分布图，并且在该外部磁场中使用了双曲线正割函数(tanh)，根据该双曲线正割函数，从翻转开始直到翻转完成的时间约是0.2n秒。图5B示出了参考层的磁化翻转(z分量)，图5C示出了FGL磁化的翻转(z分量)，图5D示出了以z方向作为轴线的FGL磁化的旋转(x分量)。外部磁场H_ext是480kA/m，参考层的垂直磁各向异性H_kp是960kA/m，以及STO驱动电流的大小是0.1TA/m2。

根据图5A和图5B，当参考层磁化在外部磁场翻转完成之后开始旋转时，参考层磁化翻转翻转的完成需要0.25n秒。根据图5B和图5C，FGL磁化很大地偏离稳定振荡位置(M_vz＝0)，在该稳定振荡位置，输出场在参考层磁化翻转的早期是最大的。一般认为由于持续地施加STO驱动电流，即便在参考层磁化的翻转期间，因而来自参考层的自旋力矩起作用以使得FGL磁化远离稳定的振荡位置。进一步需要花费约0.2n秒以便FGL磁化返回到稳定的振荡位置。因此，从外部磁场的翻转开始直到到达稳定的振荡状态，花费的约0.7n秒。根据图5D，应当理解，在这段时间内，FGL处于不规则的振荡状态，从而使得适当的辅助记录是不可能的。

图6A至6D是示出构成本发明的STO的垂直自由层1的磁化和面内自由层2的磁化的时间变化的视图。类似于图4，对于计算模型，假定磁体作为垂直自由层1(图4中的参考层)，其具有40nm的宽度×40nm的高度×10nm的厚度、1.5T的饱和磁通密度、和960kA/m(12KOe)的垂直磁各向异性H_kp，以及假定软磁铁作为面内自由层(图4中的FGL)，其具有40nm的宽度×40nm的高度、12nm的高度和2.3T的饱和磁通密度。与图4的情形相反，电流从面内自由层2侧向垂直自由层1层施加。外部磁场H_ext被施加到具有480kA/m强度的+z方向，以及STO驱动电流的大小为0.1TA/m²。图6A、6B和6C示出了通过使用各个磁层的饱和磁化(M_sh，M_sp)来分别归一化面内自由层磁化M_h和垂直自由层磁化M_p的z分量，面内自由层磁化的x分量M_h-x，以及垂直自由层磁化的x分量M_p-x。此外，图6D示出了磁化的旋转方向。

在图6A中，由于磁化的z分量在垂直自由层磁化和面内自由层磁化两者中、在1.3n秒之后直到10n秒都不变化，由此可见保持了与+z轴线方向(场施加方向)的特定角度。从图6B开始，与轴线z正交的面内自由层磁化的x分量以正弦波规则地振荡，应当理解面内自由层磁化离z轴线(x-y面)倾斜约90度，并且以作为轴线的z方向转向。另外，参照图6C，由于垂直自由层磁化类似地以正弦波规则地振荡，因而应当理解垂直自由层磁化倾斜约80度(x-y面)，并且以作为轴线的z方向转向。此外，从图6B和图6C的比较可见，垂直自由层磁化和面内自由层磁化相互朝着几乎相反的方向，并且在面内接近地旋转，因为他们的相位相互偏移了约180度。旋转(振荡)的数目是约16GHz，因为在0.2n秒内进行了3.1个转向。此外，图6A中的两个自由层磁化的z分量曾经增加以及接着收敛到16G(Mz＝0)的原因在于在模拟中所使用的初始条件处于相对高的能量状态，并且有必要在开始时释放能量。一旦到达了稳定的振荡状态，磁化不立即进入高能量状态(即使是通过翻转外部磁场的极性)。

图6D是示出磁化如何以最少的时间(例如约0.01n秒)移动以检查每个磁化的旋转方向的视图。角度θ和ψ的定义与图4D的定义相同。由于面内自由层磁化和垂直自由层磁化二者均在ψ增加的方向上移动，由此可见它们朝向+z方向顺时针旋转，外部磁场施加到+z方向。在MAMR中，当来自主磁极的磁场被用作向在主磁极的邻近布置的STO施加的场时，旋转方向是最优的方向，其产生具有记录介质的较高的磁化翻转效率的射频极化场。

在新发现的本发明的振荡模式中，垂直自由层磁化和面内自由层磁化是反平行的，并且几乎在x-y面中旋转，下文中将本发明的振荡模式称为AF-模式。在AF-模式振荡中，使用由从面内自由层侧向垂直自由层侧的施加的电流所引起的自旋力矩，跟着垂直自由层磁化的面内自由层磁化的作用以及从面内自由层磁化逸出的垂直自由层磁化的作用被自动地平衡。此外，当面内自由层磁化主要地在x-y面中旋转时，垂直自由层磁化从x-y面向外部磁场的方向轻微地倾斜。因此，可以期望从垂直自由层磁化的轴线z方向偏离的是轻微的，并且有可能迅速地翻转，即便当外部磁场方向均匀地翻转时。

图7A示出了当使用了具有40nm的宽度×40nm的高度以及12nm的厚度和2.3T的饱和磁通密度的软磁铁作为面内自由层，以及使用了具有40nm的宽度×40nm的高度×3nm的厚度(t_p)、1.5T的饱和磁通密度B_sp以及归因于材料的0.48MA/m(6kOe)、0.80MA/m(10kOe)、1.12MA/m(14kOe)和1.44MA/m(18kOe)的垂直磁各向异性H_kp的磁体时，AF-模式振荡频率的外部磁场依赖关系的视图。在与垂直自由层的膜表面垂直的方向上的有效退磁场H_dpeff(＝4πM_sp×(N_pz-N_px))是1.09MA/m，其中，M_sp是垂直自由层的饱和磁化，N_pz和N_psx分别是z方向和x方向上的退磁系数。STO驱动电流从面内自由层侧向垂直自由层侧施加。

参照图7A，使用每个垂直磁各向异性的条件，施加的外部磁场H_ext越强烈，振荡频率越高。然而，当H_ext+H_kp的值达到由电流值和在垂直自由层的垂直方向上的有效退磁场的值所定义的特定值(此处约2000kA/m)时，垂直自由层的磁化不能保持在面内，并且朝着场施加方向，从而不能保持AF-模式振荡。似乎看起来，垂直自由层的垂直磁各向异性场H_kp越小，可以得到的振荡频率越高。然而，当外部磁场H_ext在特定条件下时，H_kp越大，可以得到的振荡频率越高，直到STO振荡。在MAMR中，由于在能够支持较高的面记录密度的记录介质上执行记录，因此有必要增加STO的振荡频率。有效地是增加施加到STO的外部(间隙)场，并且使用对应于这一点振荡的具有尽可能大的H_kp的垂直自由层。

垂直磁各向异性的设置在AF模式下的一个关键点是通过达到稳定的振荡(磁化旋转)状态来实现MAMR。图7B示出了检查的结果，其中通过改变垂直磁各向异性场H_kp来检查AF-模式的状态，H_kp归因于对于垂直自由层的饱和磁通密度B_sp和厚度t_p的各种组合的垂直自由层的材料。对于每个组合，在一些情形下，当在垂直方向上通过从H_kp中减去有效退磁场H_dp-eff所得到的值小于-250kA/m时，发生不稳定的振荡。当在图7A中，垂直磁各向异性是480kA/m或800kA/m时，可以认为振荡在H_ext是250kA/m的低场区域中是不稳定的，因为通过从H_kp中减去H_dp-eff所得到的值太小，即，-610(＝480-1090)kA/m，以及-290(＝800-1090)kA/m。当通过从H_kp中减去有效退磁场H_dp-eff所得到的值大于400kA/m时，AF-模式振荡不能被激发。应当认为垂直自由层的磁化朝着垂直磁各向异性场的方向，因此不能进入AF模式。因此，为了实现稳定的AF模式振荡，归因于材料的垂直自由层的磁各向异性场和在与膜表面的方向垂直的方向上的有效退磁场需要在相反的方向上几乎平衡。通过从H_kp中减去H_dp-eff所得到的值有必要从-250kA/m到400kA/m。在上述范围中当H_kp＞H_dp-eff时，可以得到较高的振荡频率。然而，在施加STO驱动电流之后和在进入写入状态之前，在垂直自由层磁化从垂直于表面的方向落入面之前需要约1到2n秒的预处理振荡。H_kp＜H_dp-eff时，可以在施加了STO驱动电流之后迅速进行写入状态。

图7C示出了对于STO作为垂直自由层，其具有40nm的宽度×40nm的高度×3nm的厚度、1.5T的饱和磁通密度、以及1.12kA/m的垂直磁各向异性H_kp，当电流量是0.1和1.6和图7A和图7B中的电流量0.4TA/m²时振荡频率的外部磁场依赖关系。

对于教导电流条件，施加的外部磁场H_ext越强烈，振荡频率越高。

虽然电流值越小，可以得到的振荡频率越高，但是当外部磁场H_ext在某些条件下，并且直到STO振荡，电流值越大，可以得到的振荡频率越高。可以通过以下方式得到最高的振荡频率，通过增加可以施加到STO的电流，增加施加到STO的外部(间隙)场，以及使用相应于这些振荡的具有尽可能高的垂直磁各向异性H_kp的垂直自由层。在使用AF-模式振荡的本申请的STO中，由于面内自由层几乎是在面内，因此可以通过设置适当的垂直自由层磁化和垂直磁各向异性、使用对于记录介质的磁化翻转是最优的旋转(振荡)的数目来最大化射频输出(场)。可以假定本发明的STO布置在主磁极和辅助磁极之间。为了加强外部(间隙)场，缩短主磁极和辅助磁极之间的距离是有效的。

图7D示出了作为通过从归因于材料的垂直磁各向异性场H_kp中减去有效退磁场H_dp-eff所得到的值的函数的、在各种条件下、在AF-振荡状态下，面内自由层的面内磁化分量M_h-xy。在图中，假定使用诸如(Co/Fe)n多层等的负的磁各向异性材料，则可能通过改变H_hk来得到的H_hk负值。垂直磁各向异性H_pk是负的意味着面内自由层具有磁促进的面类型的磁各向异性。在图中，M_h-xy使用面内自由层的饱和磁化M_sh来归一化。当在M_h-xy/M_sh处的值是1.0时，意味着面内自由层的磁化在面内，并且指示高频磁场的强度最大。

从图7D可以看出，即使在各种条件下，可以得到最大的高频磁场强度，直到H_kh-H_dh-eff的值小于-200kA/m。基于此，具有负的垂直磁各向异性的材料(也即CoIr合金、CoFeIr合金、(Co/Fe)n多层，它们具有易磁化面)的应用是有效的，特别是在磁道宽度窄且具有小的有效退磁场的、能够支持高磁道密度的头中。使用上述内容，已经揭露了面内自由层需要是具有比磁各向异性场更占主导的有效退磁场的磁化膜，该磁各向异性场在垂直于膜表面的方向上并且归因于材料，换句话说，有效地具有易磁化面的磁膜作为膜表面。

图8A至8B示出在AF-模式(本发明的STO)中在外部磁场的翻转期间，垂直自由层磁化和面内自由层磁化的时间变化。在图7B的最上面一栏所示的条件下，使用了960kA/m(H_kp-H_dp-eff＝130kA/m)的垂直自由层的垂直磁各向异性H_kp。外部磁场H_ext的大小是480kA/m，STO驱动电流的大小是0.3TA/m²。图8A示出了极性在t＝5n秒从负z方向翻转到正z方向的外部磁场的时间分布图，并且在该外部磁场中使用了双曲线正割函数(tanh)，根据该双曲线正割函数，从翻转开始直到翻转完成的时间约是0.2n秒。图8B示出了垂直自由层的磁化翻转(z分量)，图8C示出了面内自由层磁化的翻转(z分量)，图5D示出了以z方向作为轴线的面内自由层磁化的旋转(x分量)。

根据图8A和图8B，垂直自由层磁化与外部磁场的翻转的开始一起同时开始旋转，并且与外部磁场的翻转的完成一起同时完成旋转。根据图8B和图8C，当垂直自由层磁化时，面内自由层磁化不从输出场是最大的稳定的振荡位置(M_vz＝0)偏移。因此，对于外部磁场的翻转，所花费的从外部磁场翻转开始的时间到到达稳定振荡状态的时间所需的时间是仅约0.2n秒。因此，状态翻转，而同时垂直自由层和面内自由层磁化几乎保持反平行，并且可以学习到高速翻转是可能的。可以认为M_vx的行为在由图8D可见的这一时间期间反映了以下情形，在该情形下，面内自由层磁化的面内旋转速度降低，以及旋转方向翻转。这与图7A和图7C中的到外部磁场的振荡频率的行为并不冲突。因为被翻转的磁性粒子的磁共振频率在磁记录介质的磁化翻转期间降低，因此本发明的STO的使用使得在磁化翻转期间磁性粒子的翻转能够是有效地微波辅助的，而同时外部磁场翻转。

为了详细检查AF-模式的射频响应特性的可能性，图9A中的外部磁场通过在与图8A相同的条件下在0.1n秒或更低的翻转时间处的高速翻转而设置时间变化。外部磁场在z方向上施加。图9B示出了响应于这一外部磁场垂直自由层磁化z分量的时间变化。图9C示出了面内自由层磁化z分量的时间变化。

从图9B中可以看出，在1n秒之后，垂直自由层磁化翻转，完全紧跟外部磁场。此外，如图9C所示，在1n秒之后，面内自由层磁化几乎不从输出场是最大的稳定的振荡位置(M_vz＝0)偏移。此外，垂直自由层磁化和面内自由层磁化在1n秒之前的行为是由于极大地偏离良好的AF振荡状态的以及根据用于计算的初始状态而设置的状态。因此，可以认为，在它们进入AF-模式振荡之后，可以得到足够的高速翻转特性。可以认为如果在AF-模式振荡中的辅助的记录在长期的暂停之后被执行，则需要约1-2n秒的预处理驱动。

图10A至10C进一步扩大了在图9A至图9C中的接近3n秒的外部磁场的翻转期间磁化如何进行。图10A对应于图9A，图10B对应于图9B，图10C对应于图9C。如图10B所示，在外部磁场翻转之后，垂直自由层磁化立即开始翻转，并且在约0.1n秒完成翻转。如图10C所示，在这一时间期间，面内自由层磁化轻微地从稳定的振荡状态偏移。

图10D示出了在图10B和图10C的2.5n秒处垂直自由层磁化和面内自由层磁化的旋转方向。此外，图10E示出了在图10B和图10C的3.5n秒处垂直自由层磁化和面内自由层磁化的旋转方向。角度θ和ψ的定义与图4D的定义相同。在2.5n秒处和3.5n秒处的旋转方向被翻转，并且可以确认垂直自由层磁化和面内自由层磁化的旋转方向已经根据外部磁场被可靠地翻转了。

为了检查通过从AF-模式振荡状态的STO产生的高频磁场的微波辅助的磁化翻转的效果，确定有效高频磁场分量H_hf-eff。该高频磁场产生自来自垂直自由层和面内自由层的底面(包括上基底)和横向侧的磁场的相加。来自底面的磁场和来自横向侧的磁场通常是不正交的，除了在磁道中心上之外。考虑到这一点，需要确定对于由FGL产生的微波辅助的翻转是有效的高频磁场分量H_hf-eff。由于高频磁场被认为是相位相互偏移约90度的来自底面的磁场H_b和来自横向侧的磁场H_s的复合场，如图11所示，用下面的表达式(2)表达：

$\stackrel{\→}{H_{\mathrm{hf}}}=\stackrel{\→}{H_b}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\stackrel{\→}{H_s}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(2\right)$

此处，对于辅助有效的磁场分量在介质表面内近似平行，并且得到如下表达式(3)：

$\stackrel{\→}{H_b}=(H_{\mathrm{bh}-z}-H_{\mathrm{bp}-z})e_z+(H_{\mathrm{bh}-x}-H_{\mathrm{bp}-x})e_x=H_{b-z}{e}_z+H_{b-x}{e}_x$

$\stackrel{\→}{H_s}=(H_{\mathrm{sh}-z}-H_{\mathrm{sp}-z})e_z+(H_{\mathrm{sh}-x}-H_{\mathrm{sp}-x})e_x=H_{s-z}{e}_z+H_{s-x}{e}_x---\left(3\right)$

当将表达式(3)代入表达式(2)，得到如下表达式(4)：

$\stackrel{\→}{H_{\mathrm{hf}}}=\stackrel{\→}{H_b}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)+\stackrel{\→}{H_s}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)$

$=(H_{b-z}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)e_z+H_{s-x}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)e_x)+(H_{s-z}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)e_z+H_{b-x}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)e_x)$

$=(H_{b-z}\cos \left(\mathrm{\ωt}\right)e_z+H_{s-x}\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)e_x)+(H_{s-z}\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)e_z-H_{b-x}\sin (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/2)e_x)$

$=\frac{H_{b-z}+H_{s-x}}{2}\exp \left(\mathrm{i\ωt}\right)+\frac{H_{b-z}-H_{s-x}}{2}\exp (-\mathrm{i\ωt})$

$=\frac{H_{s-z}-H_{b-x}}{2}\exp (\mathrm{i\ωt}-\mathrm{\π}/2)+\frac{H_{s-z}+H_{b-x}}{2}\exp (-\mathrm{i\ωt}+\mathrm{\π}/2)---\left(4\right)$

此外，如果仅考虑在微波辅助磁化分量上起作用的逆时针分量，并忽略exp(-iωt)项，则表达式如以下(5)所示。H的后缀h、p分别表示面内自由层和垂直自由层。

$H_{\mathrm{hf}-\mathrm{eff}}=\sqrt{{\left(\frac{H_{b-z}+H_{s-x}}{2}\right)}^2+{\left(\frac{h_{s-z}-H_{b-x}}{2}\right)}^2}$

$=\sqrt{{\left(\frac{H_{\mathrm{bh}-z}-H_{\mathrm{bp}-z}+H_{\mathrm{sh}-x}-H_{\mathrm{sp}-x}}{2}\right)}^2+{\left(\frac{H_{\mathrm{sh}-z}-H_{\mathrm{sp}-z}-H_{\mathrm{bh}-x}+H_{\mathrm{bp}-x}}{2}\right)}^2}$

图12A和图12B到图15A和图15B示出了由AC-模式在写入特性上具有的有效高频磁场分量H_kp-H_dp-eff效果的检查。在各个情况下，从面内自由层2向垂直自由层1施加STO驱动电流。在这一审查中，虽然面内自由层2和垂直自由层1是间隔放置的，作为示例，离主磁极5为20nm，但将得到本发明的有利效果，而不限制到该值。类似地，尽管面内自由层2和垂直自由层1之间的用于无磁性自旋导体的间隙是3nm，但是可以预期不使用该值的本发明的有利效果。附图中的曲线示出了STO侧上的H_hf-eff相对于离STO侧上的主磁极端的距离，假定当将写入场施加到记录介质时，来自主磁极5的磁场首先施加，然后来自STO的高频磁场施加到介质。当H_hf-eff是最高的时，写入点是从峰值处的半值点中远离主磁极的点。当主磁极翻转时，在写入点形成磁化过渡区域。

图12A是示出STO的实施例的示意性构造图，其中，具有与面内自由层2相同的厚度的垂直自由层1被布置在主磁极5的相对侧上。垂直自由层1和面内自由层2二者的厚度设置为15nm。面内自由层的饱和磁通密度B_s设置为2.3T。主磁极5和面内自由层2之间的距离为20nm。图12B示出了在如图12所示的布置中的当垂直自由层1的饱和磁通密度是1.2T和1.4T时，H_hf-eff对离主磁极端的距离的依赖关系。相比之下，通过B_sp＝0的虚线示出了仅面内自由层(常规STO的FGL)的H_hf-eff。

从主磁极侧，将H_hf-eff的峰值称作第一峰值、第二峰值等。虽然存在以下问题，当垂直自由层的饱和磁通密度B_sp增加，第二峰值超越第一峰值，并且写入点远离主磁极(25nm→50nm)，但是当B_sp＝2.4时，有效高频磁场的峰值高于常规STO的1.3倍。因此，本实施例的STO最好与可以在远离主磁极的位置上具有磁场效应的头(主磁极)结合。

图13A是示出STO的一个实施例的示意性构造图，其中比面内自由层更薄的垂直自由层1被布置在主磁极5的相对侧。垂直自由层的厚度是5nm。面内自由层2的厚度是15nm，以及饱和磁通密度B_s是2.3T。主磁极5和面内自由层2之间的距离是20nm。图13B示出了在如图13A所示的布置中当垂直自由层1的饱和磁通密度是1.2T和1.4T时，H_hf-eff对离主磁极端的距离的依赖关系。因为当垂直自由层的B_s增加时，第二峰值增加并且写入点更接近主磁极侧，因此担心分离特性会降级(由于第二峰值的磁化再次翻转)。然而，有利的是第一峰值的写入点更接近主磁极。因此，本实施例的STO最好与具有高的磁场梯度的头(主磁极)结合。

图14A是示出STO的一个实施例的示意性构造图，其中具有与面内自由层相同的厚度的垂直自由层1被布置在主磁极5和面内自由层2之间。垂直自由层1和面内自由层2二者的厚度是5nm。面内自由层2的饱和磁通密度B_s是2.3T。主磁极5和垂直自由层1之间的距离是15nm。图14B示出了在如图14A所示的布置中当垂直自由层1的饱和磁通密度是1.2T和1.4T时，H_hf-eff对离主磁极端的距离的依赖关系。虽然写入点远离主磁极，但是存在的有利效果是写入点被升高(当B_sp＝2.4时高于常规STO1.3倍)以及第三峰值变得更低。因此，本实施例的STO最好与可以在远离主磁极的位置上具有磁场效应的头(主磁极)结合。

图15A是示出STO的一个实施例的示意性构造图，其中比面内自由层2更薄的垂直自由层1被布置在主磁极5和面内自由层2之间。面内自由层2的厚度是15nm，饱和磁通密度B_s是2.3T。垂直自由层1的厚度是5nm。主磁极5和垂直自由层1之间的距离是20nm。图15B示出了在如图15A所示的布置中当垂直自由层1的饱和磁通密度是1.2T和1.4T时，H_hf-eff对离主磁极端的距离的依赖关系。当主磁极侧上的垂直自由侧薄时，升高写入场峰值的有利效果不很大。然而，写入点的偏移几乎独立于垂直自由层的磁化。因此，本实施例的STO能够支持具有等效于常规STO的写入特性高速数据传递。

图16A至图16C是示出当从面内自由层侧向垂直自由层施加电流时AF-模式振荡频率对外部磁场的依赖关系。将具有40nm的宽度×40nm的高度×12nm的厚度和2.3T的饱和磁通密度的软磁铁用于面内自由层，将具有1.5T的饱和磁通密度B_s、0.96MA/m(12KOe)的垂直磁各向异性H_kp、40nm的宽度×40nm的高度，6nm、3nm和1.5nm的不同厚度的磁体用于垂直自由层。当改变电流值以避免由于垂直自由层的膜厚度而显著改变电流特性时，可以学习到电流值几乎与膜厚度相反地降低。基于此，可以认为到与在T-模式下振荡的常规STO不同，AF-模式振荡所需要的电流值主要由垂直自由层的膜厚度确定。因此，在AF-模式振荡的STO中，可以应用可以实现强烈的高频磁场而不实质增加驱动电流值的必要性的厚的面内自由层。

可以期望与在图13A和图15B中所示的STO的结合将实现电流功率节省和提高振荡频率。如果将具有负的磁各向异性的磁体用作面内自由层，则可以得到更加稳定的振荡特性。此外，如果将垂直自由层布置在主磁极和面内自由层之间，则有利的是设计自由度增加，因为写入点由于垂直自由层的磁化或厚度而不会宽泛地变化。

由于上述，在用于记录信息的磁记录头中，通过在产生翻转场的主磁极附近布置自旋力矩振荡器，并且通过使得自旋力矩振荡器产生高频磁场以及使得记录介质翻转磁共振状态/磁化，可以学习到可以通过将由在垂直于膜表面的方向上具有磁各向异性轴线的磁膜组成的垂直自由层和由在膜表面上有效地具有易磁化面的磁膜组成的面内自由层包括在自旋力矩振荡器中，以及从面内自由层侧向垂直自由层侧施加几乎恒定的电流来得到高速磁化翻转特性。此外，可以学习到通过使得垂直自由层比面内自由层更薄，可以预期电功率节省和提高的振荡频率，以及可以实现高的面记录密度。此外，可以学习到通过将垂直自由层布置在主磁极和面内自由层之间，设计自由度将会增加。由于本发明的STO在振荡期间不需要垂直自由层很强力地固定，因此可以使用具有相对小的垂直磁各向异性的材料。在这一情况下，使用具有小的阻尼系数的磁体可以降低振荡所需要的电流，并且控制由于电子迁移等所引起的材料磁性的任何变化/元件特性降级。在另一方面，由于面内自由层几乎在面内旋转，因为可以得到强壮的、稳定的高频磁场。综上所述，在应用了具有超过每平方英寸1T位的面记录密度的微波辅助记录的信息记录装置中，可以实现超过2Gbit/s的信息传递速率。

此外，在日本专利申请公开No.2008-277586和日本专利申请公开No.2008-305486中公开了以下技术，其旋转在反平行结合状态下由无磁性的层分开的、在面磁场中受制于射频线性共振的等价的两个自由层的磁化，该面磁场出现在空气轴承表面并且位于等效的正磁化和负磁化之间，该技术在以下几点与本发明不相关：1)需要极化层(参考层)，2)从参考层侧向FGL侧施加电流(电流的方向与本发明的STO相反)，3)一对自由旋转层的厚度几乎相等；4)对于自由旋转层不给定垂直磁各向异性，等。

在下文中将详细描述本发明的具体实施例。

图17是本发明的一个实施例的磁记录头的示意性横截面视图，其是在垂直于(图中的上-下方向)记录介质表面并且平行于头运行方向(磁道方向，其是图中的左或右方向)的面上切入的。附图也示出了介质的横截面。

在附图的上部，记录头200配置主磁极5和面对的磁极6之间的磁路。然而，在附图的上部，几乎是电绝缘的。磁路是由磁通量线形成的开放回路，并且不一定仅由磁体形成。此外，磁路可以通过在主磁极5的面对的磁极6的另一侧上布置辅助的磁极而形成。在这种情况下，主磁极5和辅助磁极不需要进行电隔离。此外，磁记录头200将设有用于激发磁路的线圈、铜线等。本发明的STO 201形成在主磁极5和面对的磁极6之间。主磁极5和面对的磁极6设置有电极或者用于与电极电接触的装置，并且如此配置使得STO驱动电流从主磁极5侧向面对的磁极6侧流动通过面内自由层2，反之亦然。将具有大的饱和磁化和低的晶态磁各向异性的CoFe合金用作用于主磁极5和面对的磁极6的材料。在记录介质7中，基底19使用薄片层，其形成为底层20，30nm-CoFe上的10nm-Ru，以及具有1.6MA/m(20kOe)的磁各向异性场和10nm的膜厚度的CoCrPt-SiOx层作为记录层16。

邻近主磁极5，STO由无磁性自旋散射层8、垂直自由层1、无磁性自旋传递层3、面内自由层2，以及形成的第二无磁性自旋散射层9的层组成，通向面对的磁极6。此外，在附图上至第二无磁性自旋散射层9的无磁性自旋散射层8像支柱一样从一侧到另一侧延伸，并且具有形状如矩形的横截面，其沿着空气轴承表面的一侧是长。由于矩形形状在磁道宽度方向上导致形状各向异性，因此使得平滑地执行面内自由层2的面内磁化旋转成为可能，即使存在来自主磁极的漏场的面内自由层2的任何面内分量，并且因此主磁极5和面内自由层2可以更接近。然而，如果存在来自主磁极5的少量漏场，即使横截面是正方形，也不存在问题。沿着横截面形状的空气轴承表面的一侧的长度w是确定记录磁道宽度的重要因数，并且在本实施例中是40nm。在微波辅助的记录中，使用具有高的磁各向异性使得仅当来自主磁极5的写入场匹配来自垂直自由层1和面内自由层2的高频磁场时才使能记录的记录介质，可以将主磁极5的宽度和厚度(在磁头运行方向上的长度)设置的较大使得可以采用大的写入磁场。在一个实施例中，通过将记录介质的宽度和厚度设置为80nm到100nm，可以得到约0.9M/m的写入磁场。

将5nm-(Co/Ni)N多层用于垂直自由层1，由于从主磁极5的端面到面对的磁极6的端面的长度是40nm，以及面内自由层2的高度是38nm，因此根据使用3D场模拟器的分析，将要施加到本发明的STO的磁场是约0.8mA/m(10Koe)。面内自由层2是15nm厚的CoFe合金，其具有大的饱和磁化和低的晶态磁各向异性。在面内自由层2，磁化在沿着该层的面内以高速旋转，并且来自在空气轴承表面和横向侧出现的磁极的边缘场作为高频磁场起作用。对于面内自由层2，可以使用诸如(Co/Fe)n多层的具有大的饱和磁化的材料或者具有负的垂直磁化各向异性的材料。在这一情形下，稳定了面内自由层磁化的面内旋转。

在本实施的STO 201中，由于垂直自由层1位于主磁极5和面内自由层2之间，STO驱动电流需要从面对的磁极6侧向主磁极5侧施加以实现AF-模式下的自旋力矩振荡。在磁通量从主磁极5侧流动的情况下，面内自由侧2的磁化的旋转方向当从STO驱动电流的上游侧观察时是逆时针方向的，并且可能在与记录介质的磁化的旋进方向相同的方向上施加极化场，该记录介质的磁化由磁场从主磁极5翻转。在磁场流动到主磁极5的情况下，面内自由层2的磁化的旋转方向当从STO驱动电流的上游侧观察时是顺时针方向的，并且有可能在与记录介质的磁化的旋进方向相同的方向上施加极化场，该记录介质的磁化由磁场翻转到主磁极5。因此，从面内自由层2产生的高频磁场具有独立于主磁极5的极性通过主磁极5来辅助磁化翻转的有利效果。这一有利效果不能在专利文献1的高频磁场产生器中实现，在该专利文献1中，自旋力矩的方向不根据主磁极5极性而变化。

当STO驱动电流增加，自旋力矩作用变得更大，并且如果将具有大的极化的Co或CoFeB层插入到无磁性自旋传递层3和邻近层之间，其也会变得更大。2nm-Cu用于无磁性自旋传递层3。3nm-Ru用于无磁性自旋散射层8、9。如果使用Pd或者Pt，可以实现相似的作用。无磁性自旋散射层8、9起作用以避免经由自旋力矩与主磁极5或面对的磁极6的STO的任何相互作用。没有无磁性自旋散射层8、9，STO的振荡可能不能被稳定。此外，在到目前为止描述的模拟或图12到图15的实施例中中，没有考虑无磁性自旋传递层3或者无磁性自旋散射层8、9。然是，应当认为，由于它们是无磁性的，因而它们不与STO进行磁作用，并且由于他们是以纳米级的结构，因而它们对将要产生的高频磁场几乎没有影响。

图18是示出通过移除主磁极5所得到的结果的视图，来自原型头的无磁性自旋散射层8、9和面对的磁极6在图17中示出，并且仅测量振荡频率和STO的外部磁场之间的关系。对于垂直自由层，使用40nm×40nm×5nm、并且具有H_kp＝1280kA/m(16kOe)和B_s＝1.2T的(Co/Pt)n多层(H_kp-H_dp-eff＝280kA/m)。在AF-模式下，由图可见振荡频率与几乎施加的外部端子成比例地增加。当垂直自由层的膜厚度是10m(H_kp-H_dp-eff＝470kA/m)和15nm(H_kp-H_dp-eff＝650kA/m)，或者它具有高的垂直磁各项异性＝1440kA/m(18kOe，H_kp-H_dp-eff＝440kA/m)，振荡不会发生。应当认为这是由于不能得到足够的退磁场。此外，将(Co/Pd)n多层或(Co/Pt)n多层用于垂直自由层，没有振荡发生，即便厚度tp在从5nm到15nm的范围内变化。应当认为这是因为垂直磁各项异性相对于饱和磁化过高，以及从而不能够得到足够的退磁场，即使当层是薄的。与实施例一样，如果STO通过施加磁场在AF模式下振荡，而不邻近本发明的自旋振荡器(STO)放置磁体，则对于主磁极5、无磁性自旋散射层8、9和面对的磁极6的需要被消除。

如图19中的示意性示图所示，通过将结合了记录和再现部分109的滑块102安装到悬架106以及使用自旋支架来检查记录和再现特性，本发明的STO构建在该记录和再现部分109中。

记录和再现单元109由记录头部分和读取部分组成。如在图中的放大视图所示，记录头由辅助磁极206、布置在主磁极5和面对的磁极6之间的STO 201、用于激发主磁极的线圈205等组成。读取部分由布置在下部屏蔽208和上部屏蔽210之间的传感器207等组成。辅助磁极206和上部屏蔽210可以在组合中使用。用于记录和再现部分109的每个组件的驱动电流由布线108供给，并由端子110提供给每个组件。虽然在放大视图中，用于给STO施加电流的电源202是示意性示出的，但是在实践中，电源202放置在滑块102之外，并在STO驱动电流通过电源202经由布线108被提供至STO 201。

使用20m/s的头-介质间隔、7nm的磁间隔、和50nm的磁道间距来执行磁记录，并且这进一步由具有15nm屏蔽间隙的GMR头来再现。对于当通过改变STO驱动电压以512MHz记录1300kFCI的信号时的信号/噪声比，当STO驱动电压是150mV是得到最大13.1dB。此外，当以1024MHz记录2600kFCI的信号时的信号/噪声比最大为8.0dB。由此，应当学习到在超过每平方英寸1T位的面记录密度处，可以实现超过2Gbit/s的信息传递速率。接着，高频磁场的频率是30GHz。当具有在T-模式下振荡的常规结构的STO并且使用了可与FGL(面内自由层)相比的厚度和振荡频率，则当头介质间隔是10m/s时可以得到几乎等效的结果。然而，在20m/s处，当记录2600kFCI的信号时的信号/噪声比以最大3.0dB显著地降级。对于具有优化用于T-模式振荡的常规结构，由于参考层(垂直自由层)厚，以及退磁场不足并且不能与垂直磁各向异性场进行平衡，因而AF-模式振荡不会发生。

图20A是横截面示意性视图，其中具有从本发明的一个实施例的STO退出主磁极5的磁记录头在垂直于(图中的上-下方向)记录介质表面并且平行于头运行方向(磁道方向，图中的左或者右方向)的面上切入。附图也示出了介质的横截面。从主磁极5进入STO薄片层表面的磁场分量可以通过从STO退出主磁极5来减小，并且可以实现STO的可靠操作。

在附图的上部，记录头200配置主磁极5和面对的磁极6之间的磁路。然而，在附图的上部，几乎是电绝缘的。磁路是由磁通量线形成的开放回路，并且不一定仅由磁体形成。此外，磁路可以通过在主磁极5的面对的磁极6的另一侧上布置辅助的磁极而形成。在这种情况下，主磁极5和辅助磁极不需要进行电隔离。此外，磁记录头200将设有用于激发磁路的线圈、铜线等。本发明的STO 201通过主磁极层场整流层12和面对的磁极场整流层13形成在主磁极5和面对的磁极6之间。主磁极场整流层12和面对的磁极场整流层13如此设计使得尽可能强的磁场垂直地进入STO 201的薄片层表面。特别地，面对的磁极场整流层13最后具有窄的(在面对的磁极上的横截面比STO 201侧上的更宽)结构。主磁极5和面对的磁极6设置有电极或者用于与电极电接触的装置，并且如此配置使得STO驱动电流从主磁极5侧向面对的磁极6侧流动通过面内自由层2，反之亦然。将具有大的饱和磁化和低的晶态磁各向异性的CoFe合金用作用于主磁极5、主磁极侧场整流层12、面对的磁极场整流层13和面对的磁极6的材料。在记录介质7中，基底19使用薄片层，其形成为底层20，30nm-CoFe上的10nm-Ru，以及具有7nm-记录层24、5nm-传递层23、3nm-共振层22以及等效于每平方英寸5T位(15nm的磁道间距和7nm的位间距)的模式介质作为记录层16。记录层24是CoCrPt(H_k＝2.4MA/m)，传递层23是CoCrPt(H_k＝2.0MA/m)，共振层22是CoCrPt(H_k＝1.6MA/m)，以及将SiOx嵌入在位间隙21中。

邻近主磁极5和主磁极场整流层12，STO由无磁性自旋散射层8、面内自由层2、无磁性自旋传递层3、垂直自由层1、以及形成的第二无磁性自旋散射层9的层组成，通过面对的磁极场整流层13通向面对的磁极6。此外，在附图上至第二无磁性自旋散射层9的无磁性自旋散射层8像支柱一样从一侧到另一侧延伸，并且在一侧具有形状如15nm正方形的横截面。也可能是具有沿着空气轴承表面的一侧是长的横截面形状的矩形正方形。微波辅助的记录使用具有这样的高的磁各向异性的记录介质，这样的高的磁各向异性的记录介质使得仅当来自主磁极5的写入场匹配来自垂直自由层1和面内自由层2的高频磁场时才使能记录，并且从而可以将主磁极5的宽度和厚度(在磁头运行方向上的长度)设置的较大使得可以采用大的写入磁场。在一个实施例中，通过将记录介质的宽度和厚度设置为40nm到70nm，可以得到约0.7M/m的写入磁场。

在面内自由层2，具有大的饱和磁化和具有负的垂直磁各向异性的易磁化面类型15-nm(Co/Fe)n多层是由薄片叠成的。对于垂直自由层1，使用1.5-nm的CoCr合金(H_kp＝480kA/m，B_s＝0.75T)。可以将CoCrPt合金用于垂直自由层1。由于CoCr合金和CoCrPt合金具有大约(Co/Ni)n多层一半的阻尼系数，因而它们可以降低振荡所需的电流，并且控制由于电子迁移等所引起的材料磁性的任何变化/元件特性降级。如果将薄的Co层插入到面内自由层2和无磁性自旋传递层3之间，则可以进一步降低振荡所需要的电流。由于从主磁极侧场整流层12的端面到面对的磁极场整流层13的端面之间的长度是25nm，面内自由层2的高度是25nm，则根据通过使用3D磁场分析软件进行的分析，向本发明的STO施加的磁场是约1.2mA/m(15Koe)。在面内自由层2，磁化在沿着该层的面内以高速旋转，并且来自在空气轴承表面和横向侧出现的磁极的边缘场作为高频磁场起作用。

在本实施例的STO 201中，由于面内自由层2位于主磁极5和垂直自由层之间，STO驱动电流需要从主磁极5侧向面对的磁极6侧施加以实现AF-模式下的自旋力矩振荡。在磁通量从主磁极5侧流动时，面内自由侧2的磁化的旋转方向当从STO驱动电流的上游侧观察时是逆时针方向的，并且可能在与记录介质的磁化的旋进方向相同的方向上施加极化场，该记录介质的磁化由磁场从主磁极5翻转。在磁场流动到主磁极5时，面内自由层2的磁化的旋转方向当从STO驱动电流的上游侧观察时是顺时针方向的，并且有可能在与记录介质的磁化的旋进方向相同的方向上施加极化场，该记录介质的磁化由磁场翻转到主磁极5。因此，从面内自由层2产生的高频磁场具有独立于主磁极5的极性通过主磁极5来辅助磁化翻转的有利效果。这一有利效果不能在专利文献1的高频磁场产生器中实现，在该专利文献1中，自旋力矩的方向不根据主磁极5极性而变化。

如图19中的示意图所示，通过将结合了记录和再现部分109的滑块102安装到悬架106以及使用自旋支架来检查记录和再现特性，本发明的STO构建在该记录和再现部分109中。使用20m/s的头-介质间隔、6nm的磁间隔、和15nm的磁道间距来执行磁记录，并且进一步通过具有13nm屏蔽间隙的GMR头来再现。对于当通过改变STO驱动电压以714MHz记录1815kFCI的信号时的信号/噪声比，当STO驱动电压是80mV是得到最大14.2dB。此外，当以1428MHz记录3630kFCI的信号时的信号/噪声比最大为8.5dB。由此，应当学习到在超过每平方英寸5T位的面记录密度处，可以实现超过2Gbit/s的信息传递速率。接着，高频磁场的频率是40GHz。当将CoFe合金用于面内自由层2，不能得到足够的信号/噪声比。因为实施例中的面内自由层2是立方体，因此需要用于引起面内磁化旋转的负的垂直磁各向异性的引导。

使用图21A和图21B，将描述头运行方向和记录介质运行方向的布置关系。存在两种在滑块上布置磁头的类型：一种是如图21A所示在跟踪侧上布置，另一种如图21B所示在引导侧上布置。此处，跟踪侧和引导侧通过滑块相对于记录介质的运行方向来确定。如果记录介质的旋转方向翻转到所示出的方向，则图21A示出了引导侧上的布置，图21B使出了跟踪侧上的布置。此外，虽然跟踪侧和引导侧的关系原则上可以通过翻转主轴电机的极性以及反向地旋转记录介质来翻转，但是翻转主轴电机的极性是不实际的，因为需要精确地控制旋转的数目。如果将使用(Co/Ni)n的微波辅助记录头用于本发明的垂直自由层，则无论使用图21A和图21B中的哪个布置，都可以实现用于超过每平方英寸1T位的面记录密度的记录和再现的信号/噪声比和覆写(over-write)属性。

图22A和图22B是示出根据本发明的磁记录装置的整体配置的示意图。图22A是俯视图，并且图22B是其A-A’横截面视图。记录介质101固定到旋转轴承104上，通过电机100旋转。尽管图22示出了其中结合了3个磁盘和6个磁头的示例，但是磁盘可以是1个或更多，以及磁头可以是1个或更多。记录介质101以磁盘形状成形，并且记录层形成在其两侧上。滑块102在旋转记录介质表面上的几乎半径方向上移动，并且具有端上的记录和再现部分。记录和再现部分具有例如在图19中所示的结构，并且本发明的主磁极和STO设置在记录部分中。

悬架臂106经由臂105由旋转制动器103支撑。悬架106具有功能以使用预先确定的负载将滑动102压到记录介质101上或者分离它。用于驱动磁头的各个组件的电流经由布线108从IC放大器113供给。对供应至记录头部分的信号的记录和对从读取器检测的信号的读取的处理通过如图22B所示的读/写通道IC112来执行。此外，整个磁记录装置的控制操作通过处理器110来实现，处理器110执行存储在存储器111中的磁盘控制程序。因此，在实施例中，处理器115和存储器111包括所谓的磁盘控制器。

当将如上描述的记录头和记录介质((Co/Ni)n多层垂直自由层STO和CoCrPt-SiOx介质和CoCr合金垂直自由层STO和位模式介质)结合在图22中所示的磁盘装置中并且进行性能评估时，可以实现使用具有2T字节(每平方英寸1T位)的2.0Gbit/s的信息传递速率和10T字节(每平方英寸5T位)的2.8Gbit/s的信息传递速率的射频极化场的信息记录和再现装置。记录头和记录介质的组合不限于实施例，并且本发明的记录头可以和其他的记录介质组合。如果在组合中使用单驱动和叠加写入(shingled-write)记录系统，则可以实现更高性能的信息记录和再现装置。此外，结合了CoCr合金垂直自由层STO的记录头可以使降低消耗的功率。

此外，本发明不限于以上所描述的的实施例，并且包括各种各样的修改示例。例如，已经详细地说明了上述实施例以便使得本发明易于理解，不必局限于包括上述的全部配置的实施例。此外，可以将另一个实施例的配置添加到一个实施例的配置中。此外，对于每个实施例的配置的一部分，可以添加/删除/替换另外的配置。

附图标记说明

1垂直自由层

2面内自由层

3无磁性自旋传递层

5主磁极

6面对的磁极

7磁记录介质

8、9无磁性自旋散射层

12主磁极侧场整流层

13面对的主磁极场整流层

16记录层

19基底

20底层

21位间隙

22共振层

23传递层

24记录层

31参考层

32FGL

100电机

101记录介质

102滑块

103旋转致动器

104旋转轴承

105臂

106悬架

108布线

109记录和再现部分

110端子

111存储器

112通道IC

113IC放大器

115处理器

200记录头

201STO

202电源

205线圈

206辅助磁极

207传感器

208下部屏蔽

210上部屏蔽

Claims (13)

1.一种磁记录头，包括：

主磁极；以及

布置在所述主磁极附近的自旋力矩振荡器，其中，

所述磁记录头通过使用由所述主磁极产生的翻转场和由所述自旋力矩振荡器产生的高频磁场翻转磁记录介质的磁化来记录信息，

所述自旋力矩振荡器包括垂直自由层和面内自由层，所述垂直自由层由在垂直于膜表面的方向上具有磁各向异性轴线的磁膜形成，所述垂直自由层的磁化是可旋转的，所述面内自由层由在膜表面上有效地具有易磁化面的磁膜形成，所述面内自由层的磁化是可旋转的，以及

电流在所述自旋力矩振荡器中从面内自由层侧向垂直自由层侧流动。

2.根据权利要求1所述的磁记录头，其中所述垂直自由层具有比所述面内自由层更薄的膜厚度。

3.根据权利要求1所述的磁记录头，其中所述垂直自由层的归因于材料的磁各向异性场以及在垂直于所述垂直自由层的膜表面的方向上的有效退磁场在相反方向上具有几乎平衡的大小。

4.根据权利要求1所述的磁记录头，其中所述垂直自由层放置在所述主磁极和所述面内自由层之间。

5.根据权利要求1所述的磁记录头，其中关于所述面内自由层，通过从产生自所述面内自由层的材料的垂直磁各向异性场减去有效退磁场而得到的值小于-200kA/m。

6.根据权利要求1所述的磁记录头，其中所述面内自由层包括具有负的垂直磁各向异性的材料。

7.根据权利要求1所述的磁记录头，其中所述面内自由层包括(Co/Fe)n多层、CoIr合金和CoFeIr合金中的一个。

8.根据权利要求1所述的磁记录头，其具有超过2Gbit/s的信息传递速率。

9.一种磁记录头，包括：

主磁极；以及

布置在所述主磁极附近的自旋力矩振荡器，其中，

所述磁记录头通过使用由所述主磁极产生的翻转场和由所述自旋力矩振荡器产生的高频磁场翻转磁记录介质的磁化来记录信息，

所述自旋力矩振荡器包括垂直自由层和面内自由层，所述垂直自由层由在垂直于膜表面的方向上具有磁各向异性轴线的磁膜形成，所述面内自由层由在膜表面上有效地具有易磁化面的磁膜形成，

电流在所述自旋力矩振荡器中从面内自由层侧向垂直自由层侧流动，以及

所述垂直自由层的磁化和所述面内自由层的磁化旋转，同时保持彼此反平行。

10.一种磁记录装置，包括：

磁记录介质；

用于驱动所述磁记录介质的介质驱动部分；

用于在所述磁记录介质上执行记录和再现操作的磁头；以及

用于将所述磁头定位在所述磁记录介质的期望磁道上的头驱动部分，其中

所述磁头包括记录头和读取器，

所述记录头包括主磁极和布置在所述主磁极附近的自旋力矩振荡器，

所述记录头通过使用由所述主磁极产生的翻转场和由所述自旋力矩振荡器产生的高频磁场翻转所述磁记录介质的磁化来记录信息，

所述自旋力矩振荡器包括垂直自由层和面内自由层，所述垂直自由层由具有垂直于膜表面的磁各向异性轴线的磁膜形成，所述垂直自由层的磁化是可旋转的，所述面内自由层由在膜表面上有效地具有易磁化面的磁膜形成，所述面内自由层的磁化是可旋转的，以及

电流在所述自旋力矩振荡器中从面内自由层侧向垂直自由层侧流动。

11.根据权利要求10所述的磁记录装置，其中所述垂直自由层具有比所述面内自由层更薄的膜厚度。

12.根据权利要求10所述的磁记录装置，其中归因于材料的所述垂直自由层的磁各向异性场与在垂直于所述垂直自由层的膜表面的方向上的有效退磁场在相反方向上具有几乎平衡的大小。

13.根据权利要求10所述的磁记录装置，其中所述垂直自由层放置在所述主磁极和所述面内自由层之间。