CN103824588A - 一种对磁多畴态进行调控的方法 - Google Patents

一种对磁多畴态进行调控的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及信息数据的存储和处理技术领域，公开了一种对磁多畴态进行调控的方法，该方法是在磁性薄膜中通入电流的同时，施加一个磁场强度为0至4×105A/m的外磁场来调控磁性薄膜的磁化状态，其中电流用于推动磁性薄膜磁多畴态中的磁畴移动，外磁场用于调控磁性薄膜中新磁畴的产生和已有磁畴在移动过程中的状态，从而使磁性薄膜处于一个稳定的磁多畴态。此多畴态不会被更高或更低的电流所影响，并能在撤去电流后保持稳定。该方法可用于目前的磁存储器和未来自旋逻辑器件中的磁化状态操纵，实现非易失性的多值存储和多位逻辑运算。

Description

一种对磁多畴态进行调控的方法
技术领域
本发明属于信息数据的存储和处理技术领域，提供了一种对非易失性磁存储器或自旋逻辑器件中磁性薄膜的磁多畴态进行调控的方法。
背景技术
随着信息社会的发展，对信息的存储和处理提出了越来越高的要求。传统的基于半导体工业的信息存储和处理在存储密度和运算速度方面已接近其物理极限，因此发展新型存储技术和信息处理技术已变得非常急迫。磁存储技术和自旋逻辑器件由于其低功耗和高的运算速度受到了越来越多的重视。
为了追求更高的存储密度，具有很强垂直各向异性和较大矫顽力的磁性材料被广泛应用于包括硬盘在内的磁存储器。但大的垂直各向异性和矫顽力又导致基于传统磁头和自旋转移矩效应的数据写入变得非常困难。同时，作为高密度集成的另一种发展方向，多值存储和多值逻辑计算，也变得非常重要。在磁性存储和自旋逻辑器件中，由于缺少可靠的磁化强度操作手段，使得基于磁性多畴态的多值存储或多值逻辑运算很难得到应用。这主要是因为磁性薄膜中磁畴的形成是一个随机过程，磁畴形成的过程不可控制。即使是在完全相同的磁畴形成条件下，例如缺陷引入，施加一个外磁场或直接通入大电流等，很难得到相同的磁畴数目，相同的磁畴体积和相同的磁畴位置。从应用上来说，利用微加工手段，一般会把磁性薄膜加工成几十纳米到几十微米的微结构，但是在这种具有几十纳米到几十微米特征尺寸的样品中引入缺陷，通入电流或施加一个外磁场时，其多畴态仍然被无法控制，这是因为磁畴的不可控性通常认为是由于磁畴形成本身的基本物理机制导致的。正是因为这种多畴态的不可控性，目前还未有对多畴态进行调控的有效手段。因此，寻找一种可靠的对磁多畴态进行调控的方法，以有效的控制这些磁多畴态，在应用领域变得非常重要。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述磁存储器或逻辑器件中磁多畴态不易控制以及在高密度存储中写入操作较难实现的问题，本发明提供了一种对磁多畴态进行调控的方法，以实现对磁多畴态的精确控制。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种对磁多畴态进行调控的方法，该方法是在磁性薄膜中通入电流的同时，施加一个磁场强度为0至4×105A/m的外磁场来调控磁性薄膜的磁化状态，其中电流用于推动磁性薄膜中磁畴的移动，外磁场用于调控磁性薄膜中磁畴在产生和移动过程中的状态，从而使磁性薄膜处于一个稳定的磁多畴态。
上述方案中，所述磁多畴态至少包括两个磁畴，对磁多畴态进行调控是指同时对两个或两个以上的磁畴进行调控。
上述方案中，所述在磁性薄膜中通入的电流是以平行于磁性薄膜表面的方向向磁性薄膜中通入，或者是以垂直于磁性薄膜表面的方向向磁性薄膜中通入。
上述方案中，所述电流以平行于磁性薄膜表面的方向通入时，所述磁性薄膜是依附在由任意材料构成的薄膜层上，且不需要与其依附的薄膜层具有同样的面积大小。所述电流以垂直于磁性薄膜表面的方向通入时，所述磁性薄膜为磁性隧道结结构的自由翻转层或自旋阀结构的自由翻转层，在这两种结构的自由翻转层中，钉扎住的磁性薄膜层能够导致施加到自由翻转层的电流为自旋极化的电流。
上述方案中，所述外磁场是通过在磁性薄膜附近生长铁磁层或放置永磁体来实现的，或者是通过与磁性薄膜相邻材料中的电流产生的奥斯特场或传统硬盘中的移动磁头来实现的。
上述方案中，所述外磁场方向与电流方向在空间范围内呈任意角度。当所述外磁场方向与电流方向不垂直时，多畴态是通过电流的极性和外磁场同时来调控。
上述方案中，当在磁性薄膜中通入的电流密度小于约1×104A/cm2时，外磁场和电流调控具有一定的磁滞效应，当电流密度大于约1×104A/cm2时，磁滞现象消失，将给出确定的多畴态。
上述方案中，所述磁性薄膜是单一铁磁材料，或是铁磁合金，或是多层铁磁薄膜构成的超晶格结构。
上述方案中，当电流控制磁畴的状态时，磁畴是通入的电流产生的，或者是磁性薄膜本身固有缺陷导致的，或者是通过特殊几何结构设计产生的，或者是通过另外施加的外磁场引入的。
上述方案中，所述通过特殊几何结构设计产生磁畴，是将铁磁层做成含有T字形状的，则在拐角处形成磁畴；或者是将在需要磁畴的位置的铁磁层厚度加大，或在需要磁畴的位置镀上其他铁磁层，则在需要磁畴的位置形成磁畴。
上述方案中，该方法还包括在被调控磁性薄膜的一侧或两侧生长一层重金属层来改善磁化状态的调控效率。所述重金属层是Pt、Au、Ta或W中的一种。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，无论初始的磁化状态如何，磁多畴态或单畴态可以通过一个小的外磁场和电流可靠调节。此多畴态不会被更高或更低的电流所影响，并能在撤去电流后保持稳定。
2、利用本发明，一旦多畴态达到稳定状态将不再随电流的增加而变化，避免了实际应用中电流波动导致的误操作。
3、利用本发明，通过电流驱动电流形成的磁畴或缺陷形成的固有磁畴，使其扩展至整个磁性样品，从而实现磁化强度的翻转，解决了高密度磁存储中写入过程较为困难的问题。
4、利用本发明，与目前的硬盘以及磁随机存储器结构兼容，既可以改善目前磁存储的写入方式，也可以在目前存储器的基础上实现多值存储，节约了经济成本。
5、利用本发明，可用于构建非易失性的多值磁动态随机存储器(DRAM)，无论在容量和速度上都超过目前广泛应用的DRAM。
6、利用本发明，可用于构建基于磁畴移动的逻辑运算器和Racetrack存储器中创建操作磁畴。
7、利用本发明，可用于目前的磁存储器和未来自旋逻辑器件中的磁化状态操纵，实现非易失性的多值存储和多位逻辑运算。
附图说明
图1是本发明提供的两种典型的基于电流和外磁场调控磁多畴态的示意图；
图2是本发明提供的基于电流和外磁场调控磁多畴态的原理图；
图3A至图3D是当外磁场垂直于薄膜面时，样品Co／Ni／Co的调控结果；其中图3A是磁场沿着z轴时，RH和外磁场的关系；插图为测试示意图；图3B是RH和电流脉冲幅度的关系，磁化状态先被外磁场设定到沿着+z方向，电流脉冲先增大后减小；插图为外磁场和电流脉冲的时序图；图3C和图3D是有外磁场作用下，RH和电流脉冲幅度的关系；磁化状态先被设定为沿着+z(图3C)和-z(图3D)方向。
图4A至图4B是当外磁场平行于电流方向时，样品Pt／Co／A1Ox的调控结果；图4A是磁场沿着z轴时，RH和外磁场的关系；图4B是不同外磁场下，在7.74mA和8.72mA的电流脉冲作用后，RH和外磁场的关系。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的对磁多畴态进行调控的方法，其核心思想是利用自旋极化的电流通过铁磁层产生磁畴或驱动磁畴移动，然后通过调节外磁场的方向和大小以及电流的极性来调节磁畴两侧畴壁移动的相对速度，从而使磁畴在移动的过程中发生扩张或压缩，来控制整个磁性薄膜中的多畴态，成功的实现了磁多畴态的精确控制，不仅解决了磁多值存储和多位逻辑运算中磁化强度操作的不可控性，同时也为目前的磁存储器提供了一种更有效的写入方式。
基于上述核心思想，本发明提供了一种对磁多畴态进行调控的方法，该方法是在磁性薄膜中通入电流的同时，施加一个磁场强度为0至4×105A/m的外磁场来调控磁性薄膜的磁化状态，其中电流用于推动磁性薄膜中磁畴的移动，外磁场用于调控磁性薄膜中磁畴在产生和移动过程中的状态，从而使磁性薄膜处于一个稳定的磁多畴态。磁性薄膜是单一铁磁材料，或是铁磁合金，或是多层铁磁薄膜构成的超晶格结构等。
如图1所示，图1是本发明提供的两种典型的基于电流和外磁场调控磁多畴态的示意图，磁场可以沿着任意方向，电流可以在薄膜面内和垂直于薄膜面通入。
其中，所述在磁性薄膜中通入的电流是以平行于磁性薄膜表面的方向向磁性薄膜中通入，或者是以垂直于磁性薄膜表面的方向向磁性薄膜中通入。当电流以平行于磁性薄膜表面的方向通入时，磁性薄膜是依附在由任意材料构成的薄膜层上，且不需要与其依附的薄膜层具有同样的面积大小。当电流以垂直于磁性薄膜表面的方向通入时，磁性薄膜为磁性隧道结结构的自由翻转层或自旋阀结构的自由翻转层，在这两种结构的自由翻转层中，钉扎住的磁性薄膜层能够导致施加到自由翻转层的电流为自旋极化的电流。
外磁场是通过在磁性薄膜附近生长铁磁层或放置永磁体来实现的，或者是通过与磁性薄膜相邻材料中的电流产生的奥斯特场或传统硬盘中的移动磁头来实现的。外磁场方向与电流方向在空间范围内呈任意角度。当所述外磁场方向与电流方向不垂直时，多畴态是通过电流的极性和外磁场同时来调控。
另外，当在磁性薄膜中通入的电流密度小于约1×104A/cm2时，外磁场和电流调控具有一定的磁滞效应，当电流密度大于约1×104A/cm2时，磁滞现象消失，将给出确定的多畴态。
当电流控制磁畴的状态时，磁畴是通入的电流产生的，或者是磁性薄膜本身固有缺陷导致的，或者是通过特殊几何结构设计产生的，或者是通过另外施加的外磁场引入的。其中，通过特殊几何结构设计产生磁畴，是将铁磁层做成含有T字形状的，则在拐角处形成磁畴；或者是将在需要磁畴的位置的铁磁层厚度加大，或在需要磁畴的位置镀上其他铁磁层，则在需要磁畴的位置形成磁畴。
本发明提供的对磁多畴态进行调控的方法，还包括在被调控磁性薄膜的一侧或两侧生长一层重金属层来改善磁化状态的调控效率，该重金属层可以是Pt、Au、Ta或W中的一种。
图1中，当电流在磁性薄膜面内通入时，自旋极化的电流可以由电流通过磁性薄膜本身来实现，也可以通过邻近金属层中的自旋霍尔效应导致的自旋极化的电流来实现。当电流垂直膜面通入时，自旋极化的电流可以通过磁性隧道结或自旋阀结构中钉扎铁磁层的自旋过滤效应来实现。由于磁畴的形成和移动会受到邻近层的影响，因此，通过改变邻近层的成分，如邻近层为Pt、Ta或W时，可以明显改善这种调控的效率。当磁场方向和电流方向不共线时，靠电流极性来调控最终多畴态的作用较弱，反之则较为明显。图2给出了在一维纳米线结构中，这种调控的原理示意图。
图2是本发明提供的基于电流和外磁场调控磁多畴态的原理图；电流沿着+x方向，外磁场分别施加在x，y，z方向；右侧给出了外磁场和所测得RH(正比于向上和向下磁畴抵消后的总磁矩)的时间关系图；t时刻之前，未加任何磁场，向上(点)向下(叉)的磁畴各为50％，并在电流的驱动下沿着电流方向高速运动。施加磁场后，磁畴两侧的畴壁运动速度将不相同，从而导致某个方向的磁畴发生扩展或压缩。
在实际应用中，电流可以通过外围供电电路来供电，外磁场可通过附近导线中的奥斯特场来实现，也可以在整个样品处放置一个很小的永磁体或特定位置生长一层永磁薄膜来实现。
下面以Co／Ni／Co和超薄Co样品为例，来证实本发明的调控结果。本发明通过磁控溅射制备了Pt1.5／Co0.3／Ni0.6／Co0.3／Pt1.5(nm)和Pt2.5／Co0.6／A1Ox1.5(nm)样品，并把所制备的样品通过微加工手段制备成2.5微米宽的霍尔测试结构。
图3A至图3D是当外磁场垂直于薄膜面时，样品Co／Ni／Co的调控结果；其中图3A是磁场沿着z轴时，RH和外磁场的关系；插图为测试示意图；图3B是RH和电流脉冲幅度的关系，磁化状态先被外磁场设定到沿着+z方向，电流脉冲先增大后减小；插图为外磁场和电流脉冲的时序图；图3C和图3D是有外磁场作用下，RH和电流脉冲幅度的关系；磁化状态先被设定为沿着+z(图3C)和-z(图3D)方向。
图3A中的插图是进行磁多畴态调控所用样品和电路的示意图。I+和I-为施加电流的方向，V+和V-用于外接电压表来探测调控后的磁多畴状态。整个样品固定在一个可以任意角度旋转的样品台上，然后放入一个0-5000奥斯特(Oe)连续可调的外磁场中。外磁场由电磁铁产生。调控的过程为：1)首先旋转样品台，使磁场沿z方向施加到样品上。2)在通入一个20μs的电流脉冲后，再通入一个50μA的恒定电流。在通入50μA电流的同时，通过外接电压表来检测V+和V-处电压，并根据电压判断磁性薄膜的磁化状态。3)从0Oe到5000Oe以1Oe的步长逐渐增加磁场的大小，在每个磁场状态下重复步骤2，记录通入电流脉冲后，磁化状态和外磁场的变化关系。4)旋转样品台，使磁场沿任意方向，如x，y方向，重复步骤3，记录不同磁场方向下的调控结果。5)改变电流脉冲幅度，重复步骤4，测量不同电流强度下的调控结果。
图3A首先确认了制备的样品具有垂直各项异性，测试方法为反常霍尔效应测试，即通入一个50μA的恒定电流，测量V+和V-的电压差，算出电压差与50μA电流的比值，RH。RH的值反应了沿着z方向的磁化强度的大小。正值最大时代表所有的磁矩都指向+z方向的单畴态，负值最大时代表所有的磁矩都指向-z的单畴态，其他值表示磁化强度处于不同的多畴态。图3B显示了在没有任何磁场的情况下，逐渐增加通入的电流脉冲的幅度，测得的RH和电流脉冲幅度的关系。再进行测试之前，先通过一个正向10mT的磁场，把磁化强度设置到沿着+z方向的单畴态。图3B内的插图给出了外磁场和电流脉冲幅度的时序图。其中可以看出，随着电流的增加RH逐渐减小，直至最后达到接近0的平衡状态，然后这个平衡状态无论在增大还是减小电流的情况下都不会再被改变。从图3B还可以看出，当施加的电流方向为负值时，RH最终也是平衡在0附近，这表明最终状态和电流方向无关。图3B表明，施加一个大的电流，磁化强度会从开始的单畴态变成一个稳定的多畴态，且指向上和下的磁畴的数目相同。
图3C，图3D显示了在测试的过程中施加一个垂直膜面方向的磁场时的测试结果。其中图3C的初始磁化状态为沿着+z方向的单畴态，图3D的初始磁化状态为沿着-z方向的单畴态。从图3C，图3D可以看出，外加的微小磁场可以改变最终的磁化平衡状态，即把无磁场时的上下磁畴比例1∶1，根据磁场的大小和方向调制成任意比例。图3C，图3D还有两个明显的特征：1)由微小的磁场导致的最终平衡状态中，上下磁畴的比例不会被更大的电流或更小的电流所改变，这表明最终的平衡状态仅和施加的外磁场有关；2)正负电流所导致的最终平衡状态相同，即最终的平衡状态和电流的极性无关。
图3A至图3D给出了外磁场垂直于膜面时，电流和外磁场对Co／Ni／Co样品的调控结果，对于Pt／Co／A1Ox样品，本发明可以得到完全一样的结果。当外磁场与电流方向不垂直时，最终的磁化状态除了和外磁场的大小和方向相关，同时也和电流的极性相关。下面本发明将给出当外磁场与电流方向不垂直时的特殊情况，当外磁场和电流方向共线时的测试结果。这种情况下，Co／Ni／Co和Pt／Co／A1Ox样品结果仍然相同，本发明仅给出Pt／Co／A1Ox样品的测试结果，如图4B。当外磁场和电流共线时，测试方式仍然同图3A至图3D，但图4B本发明给出了在施加7.74mA和8.72mA的电流脉冲后，最终的平衡状态和外磁场的关系。图4A为磁场垂直情况下测得的RH和外磁场的关系，用于确定图4B中不同磁场下的多畴状态。图4B表明：(1)相同的外磁场下，电流的极性可以改变磁化强度的最终状态，并且正负电流导致向上和向下磁畴的比例正好相反。(2)外磁场较小时，电流不会导致某一个方向的磁畴完全消失，即仅能改变上下磁畴的比例。但当外磁场较大时，正负电流将会导致向上或者向下的磁畴完全消失，出现电流方向控制磁化状态从向上单畴到向下单畴翻转的现象。(3)最终的磁畴稳定状态同样不和外加电流的大小有关，如图所示，7.74mA和8.72mA的电流导致相同的多畴态，并且平衡后的多畴态同样也不会被更小的电流影响，并能在撤去电流后保持稳定。
从上面的实验结果可以看出，这种调控多畴态的方式可靠稳定，不会被电流的波动影响，可用于构建非易失性的多态磁随机存储器、动态随机存储器，多态磁逻辑运算器等，也可以用于高密度硬盘中，数据信息的写入。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，该方法是在磁性薄膜中通入电流的同时，施加一个磁场强度为0至4×105A/m的外磁场来调控磁性薄膜的磁化状态，其中电流用于推动磁性薄膜磁多畴态中磁畴的移动，外磁场用于调控磁性薄膜中新磁畴的产生和已有磁畴在移动过程中的状态，从而使磁性薄膜处于一个稳定的磁多畴态。
2.根据权利要求1所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述磁多畴态至少包括两个磁畴，对磁多畴态进行调控是指同时对两个或两个以上的磁畴进行调控。
3.根据权利要求1所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述在磁性薄膜中通入的电流是以平行于磁性薄膜表面的方向向磁性薄膜中通入，或者是以垂直于磁性薄膜表面的方向向磁性薄膜中通入。
4.根据权利要求3所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述电流以平行于磁性薄膜表面的方向通入时，所述磁性薄膜是依附在由任意材料构成的薄膜层上，且不需要与其依附的薄膜层具有同样的面积大小。
5.根据权利要求3所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述电流以垂直于磁性薄膜表面的方向通入时，所述磁性薄膜为磁性隧道结结构的自由翻转层或自旋阀结构的自由翻转层，在这两种结构的自由翻转层中，钉扎住的磁性薄膜层能够导致施加到自由翻转层的电流为自旋极化的电流。
6.根据权利要求1所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述外磁场是通过在磁性薄膜附近生长铁磁层或放置永磁体来实现的，或者是通过与磁性薄膜相邻材料中的电流产生的奥斯特场或传统硬盘中的移动磁头来实现的。
7.根据权利要求6所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述外磁场方向与电流方向在空间范围内呈任意角度。
8.根据权利要求7所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，当所述外磁场方向与电流方向不垂直时，多畴态是通过电流的极性和外磁场同时来调控。
9.根据权利要求1所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，当在磁性薄膜中通入的电流密度小于1×104A/cm2时，外磁场和电流调控具有一定的磁滞效应，当电流密度大于1×104A/cm2时，磁滞现象消失，将给出确定的多畴态。
10.根据权利要求1所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述磁性薄膜是单一铁磁材料，或是铁磁合金，或是多层铁磁薄膜构成的超晶格结构。
11.根据权利要求1所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，当电流控制磁畴的状态时，磁畴是通入的电流产生的，或者是磁性薄膜本身固有缺陷导致的，或者是通过特殊几何结构设计产生的，或者是通过另外施加的外磁场引入的。
12.根据权利要求1所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述通过特殊几何结构设计产生磁畴，是将铁磁层做成含有T字形状的，则在拐角处形成磁畴；或者是将在需要磁畴的位置的铁磁层厚度加大，或在需要磁畴的位置镀上其他铁磁层，则在需要磁畴的位置形成磁畴。
13.根据权利要求1所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，该方法还包括在被调控磁性薄膜的一侧或两侧生长一层重金属层来改善磁化状态的调控效率。
14.根据权利要求13所述的对磁多畴态进行调控的方法，其特征在于，所述重金属层是Pt、Au、Ta或W中的一种。
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