CN104575583A - 一种纳米单元结构的涡旋态磁存储单元 - Google Patents

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毕美
王昕�
张丽
陆海鹏
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Abstract

本发明公开了一种纳米单元结构的涡旋态磁存储单元。该涡旋态磁存储单元结构为普通圆盘形磁涡旋结构单元边缘加厚形成凹槽状的圆盘形结构，凹槽外径D的最小值为80nm,其凹槽深4-68nm，凹槽内径d大于8nm，单元整体厚度为16-136nm。本发明的优点是，通过对传统圆盘存储单元的结构设计改造，使其能在更小尺寸下保持稳定的涡旋态，且在场的调控下能完成快速极化反转，从而实现高密度磁存储。

Description

一种纳米单元结构的涡旋态磁存储单元
技术领域
本发明属于磁性材料及磁存储技术领域，具体涉及一种小尺寸的涡旋态磁存储单元。
背景技术
由于计算机和因特网技术的发展,人类已步入飞速发展的数字信息化时代,需要处理和保存大量数据和信息,这使得人们对信息存储的要求向着高密度、大容量、高速度、低成本和微小型化的方向发展。近几年，随着纳米科学研究的不断深入以及纳米技术的进一步提高，微/纳米级图形化薄膜引起了人们的探索兴趣。图形化记录最关键的区别是通过光刻的方法使得记录数据的每个磁性载体彼此分离,这使得每个比特的分界不再是由晶体颗粒结构决定从而降低了信号的噪声。
其中，研究最为广泛之一的是在软磁材料(如Co、Ni、Fe或Ni80Fe20)的圆盘形、三角形、正方形等旋转对称性强的薄膜单元中,通常会形成的一种奇特的磁畴结构，即磁涡旋(magnetic vortex)结构(也称为超磁畴结构)。
磁涡旋态自从被人们预测，并在2000年被T.Shinjo等人在实验中观察到之后，就受到了大量研究者的关注。它的自发磁化状态呈现为磁化强度趋向于沿着薄膜面内成涡旋状闭合排列,而在围绕薄膜单元中心很小的范围内,磁化强度会沿面外取向的稳定状态。相应地，通常可用两个布尔数学参数来描述磁涡旋结构,即手征性和核的极性。手征性由磁矩沿着涡旋核旋转的方向来定义,即顺时针旋转或逆时针旋转；核的极性由涡旋核中心磁化强度的取向来确定,即指向涡旋面外或指向涡旋面内。因此，用作磁存储单元时，根据手征性和极性的排列组合,一个磁涡旋结构就可同时存储两个比特信息。但是，单元尺寸对于涡旋态的形成有一个下限值。“Single-domain circular nanomagnets”单畴结构的纳米圆盘，R.Cowburn,D.Koltsov,A.Adeyeye,M.Welland,and D.Tricker,Phys.Rev.Lett.83,1042(1999)描述了目前所实现的最小纳米圆盘结构的涡旋态磁存贮单元，其厚度为20nm，直径为100nm。如果能够找到方法使这个最小值进一步减小，那么将有助于提高磁随机存贮器的存储密度。
发明内容
本发明的目的在于设计一种纳米单元结构的涡旋态磁存储单元，使其能够降低涡旋态稳定存在的极限。并且，通过场的控制，在能够实现涡旋中心极化的反转的同时，不改变手征性的方向。
该涡旋态磁存储单元结构为普通圆盘形磁涡旋结构单元边缘加厚形成凹槽状的圆盘形结构，凹槽外径D的最小值为80nm,其凹槽深4-68nm，凹槽内径d大于8nm，单元整体厚度为16-136nm。
由于加厚的边缘为环状结构，能在小尺寸的条件下形成一个循环的封闭结构，磁矩之间的交换作用，使得磁矩倾向于平行排列，最终形成磁涡旋结构。另一方面，在面内来看，该单元为对称结构，当应用外加场实现极化反转时，磁涡旋结构的手征性保持不变,从而实现了对涡旋态旋度的调控。
本发明相对普通圆盘形磁涡旋结构单元具有如下优点：1、能够较大幅度的降低涡旋态稳定存在的最小尺寸；2、在此基础上，施加一个面内旋转磁场，可以实现极性的单一调节，且与相同尺寸下的普通圆盘相比较，能更快的回到稳态，即具有更快的响应速度。
附图说明
图1为本发明所述具凹槽状的圆盘纳米结构示意图。
其中H为单元厚度，h为凹槽深度,D为凹槽外径,d为凹槽内径。
图2为本发明所述结构与普通圆盘形单元的磁矩分布图对比。
其中左边为所设计的单元结构，右图为普通的圆盘形纳米单元；图2(a)中D＝100nm，图2(b)中D＝80nm；普通圆盘形单元的厚度为20nm。
图3为在旋转场的作用下，直径是100纳米的单元结构的磁矩分布随时间的变化图。
其中图3(a)为凹槽状单元结构,图3(b)为普通圆盘形纳米单元结构。面内磁矩分布为顺时针方向，为极化方向垂直纸面向里，⊙为极化方向垂直纸面向外。可以看到，原本稳定的涡旋态，在磁场的激励下，形成涡旋和反涡旋对，从而实现涡旋极化的反转。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
本发明采用了目前国际上公认的微磁学模拟软件(美国国家标准局NIST发布)进行磁性单元磁矩分布模拟。在所模拟设计的单元结构(如图1所示)中得到了稳定的涡旋态磁矩分布。
本发明的单元结构所用材料采用的是存储单元中常用的NiFe软磁材料，其饱和磁化强度为Ms＝8.6×105A/m、交换积分为A＝1.3×10-11J/m。凹槽单元结构的整体厚度为20nm,凹槽深4nm,外径尺寸为80nm,内径为60nm。
如图2所示从模拟结果可以看出，当直径大于或等于100nm的时候，两种结构均能形成涡旋态，但当直径小于100nm时，普通的圆盘纳米单元无法形成稳定的涡旋态，磁矩呈现单畴分布。但所设计的凹槽圆盘磁单元仍能维持涡旋态，直至直径减小到80nm.
如图3所示对直径为100nm的纳米单元施加60mT的面内旋转场，得到了相应的动态反转特性。可以看到尽管施加外场对磁矩的分布进行扰动，但涡旋态并未被破坏，而且实现了极化的反转。且当所设计的单元结构的涡旋核已经回到稳定态的时候，普通圆盘的涡旋核还处于偏离中心的位置。

Claims (4)

1.一种纳米单元结构的涡旋态磁存储单元，其特征在于：在普通圆盘形磁涡旋结构单元边缘加厚形成凹槽状的圆盘形结构，凹槽外径D的最小值为80nm,其凹槽深4-68nm，凹槽内径d大于8nm，单元整体厚度为16-136nm。
2.如权利要求1所述纳米单元结构的涡旋态磁存储单元，其特征在于：所述凹槽单元结构的整体厚度为20nm,凹槽深4nm,外径尺寸为80nm,内径为60nm。
3.如权利要求1或2所述纳米单元结构的涡旋态磁存储单元，其特征在于：制备材料为Co、Ni、Fe或Co/Ni/Fe的合金。
4.如权利要求1或2所述纳米单元结构的涡旋态磁存储单元，其特征在于：制备材料为NiFe软磁材料，其饱和磁化强度为Ms＝8.6×105A/m、交换积分分别为A＝1.3×10-11J/m。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111162163A (zh) * 2020-01-03 2020-05-15 大连民族大学 一种一维磁涡旋链的构筑方法
CN111180575A (zh) * 2020-01-03 2020-05-19 大连民族大学 一种二维磁涡旋网络的构筑方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002374019A (ja) * 2001-06-15 2002-12-26 Oki Noboru 双安定メモリ要素及び磁気メモリ
WO2003032336A1 (en) * 2001-10-05 2003-04-17 Universität Regensburg Magnetic elements with magnetic flux closure, production method and memory application
EP1411525A1 (en) * 2002-10-18 2004-04-21 Osaka University Magnetic memory array, its fabrication and write/read methods

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002374019A (ja) * 2001-06-15 2002-12-26 Oki Noboru 双安定メモリ要素及び磁気メモリ
WO2003032336A1 (en) * 2001-10-05 2003-04-17 Universität Regensburg Magnetic elements with magnetic flux closure, production method and memory application
EP1411525A1 (en) * 2002-10-18 2004-04-21 Osaka University Magnetic memory array, its fabrication and write/read methods

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
COWBURN R P, KOLTSOV D K: "Single-Domain Circular Nanomagnets", 《PHYSICAL REVIEW LETTERS》 *
ZHU F Q, CHERN G W: "Magnetic bistability and controllable reversal of asymmetric ferromagnetic nanorings", 《PHYSICAL REVIEW LETTERS》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111162163A (zh) * 2020-01-03 2020-05-15 大连民族大学 一种一维磁涡旋链的构筑方法
CN111180575A (zh) * 2020-01-03 2020-05-19 大连民族大学 一种二维磁涡旋网络的构筑方法
CN111180575B (zh) * 2020-01-03 2023-04-18 大连民族大学 一种二维磁涡旋网络的构筑方法
CN111162163B (zh) * 2020-01-03 2023-04-18 大连民族大学 一种一维磁涡旋链的构筑方法

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