CN110603618A - 磁耦合层、包括磁耦合层的结构及其制造和/或使用它们的方法 - Google Patents

磁耦合层、包括磁耦合层的结构及其制造和/或使用它们的方法 Download PDF

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Abstract

提供一种磁性结构。该磁性结构可以具有带有第一磁化方向的第一磁性层、带有第二磁化10方向的第二磁性层和插置在第一和第二磁性层之间的耦合层。耦合层可包括至少一种非磁性元素和至少一种磁性元素。该至少一种非磁性元素与该至少一种磁性元素的原子比为(100‑x):x，其中x是原子浓度参数。原子浓度参数x可以使得第一磁性层非共线地耦合1到第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，第一磁化方向定向为相对于第二磁化方向成非共线角度。

Description

磁耦合层、包括磁耦合层的结构及其制造和/或使用它们的 方法
相关申请
本申请要求于2017年9月7日提交的美国申请62/555,625和于2017年3月10日提交的美国申请62/470,123的优先权。本段中提到的所有申请都通过引用并入本申请。
技术领域
本发明涉及磁耦合层、包括磁耦合层的结构及其制造和/或使用方法。特定实施例提供包括一个或多个耦合层的结构，所述耦合层用于间隔多个磁性层并用于使多个磁性层中的一个或多个磁性层的磁化方向以相对于彼此成非共线角度或反平行角度对准。
背景技术
包括经由中间耦合层耦合的两个或更多个磁性层的结构可以用于磁存储器装置、磁传感器(例如磁阻传感器)和/或其他应用。通常，这种磁性层的磁矩(或磁方向或磁化方向)相对于彼此以0°耦合(可以称为铁磁耦合)或者相对于彼此以180°耦合(可以称为抗铁磁地耦合和/或反平行耦合)。尽管已经证明铁磁耦合的磁性层和抗铁磁地耦合的层是有用的，但是存在与使磁性层相对于彼此以0°耦合的相关的许多缺点。例如，对于磁阻传感器应用，例如采用隧道磁阻(TMR)或巨磁阻(GMR)的那些实例，这些缺点包括但不限于：对施加场的方向性的阻抗响应的模糊性和对施加场的阻抗响应的非线性。作为另一示例，对于存储器装置应用，稳定状态之间的切换通常依赖于概率热变化，从而导致包括但不限于以下缺点：不期望的长切换时间、不期望的高错误率和不期望的高切换电流或切换功率。
美国专利第7199984号公开了一种PtMn耦合层，其原子浓度为25-75％Pt和25-75％Mn，用于以正交定向的磁化方向耦合CoFe或NiFe磁性层。这种正交定向的磁化方向表示非共线耦合(NCC)磁性层的示例。
由美国专利第7199984号公开的PtMn耦合层厚度小于10nm，优选在1.5和5.0nm之间。美国专利第7199984号公开的那种PtMn耦合层具有弱耦合强度和低饱和场。由于这种弱耦合强度，采用根据美国专利第7199984号的教导构造的耦合层的传感器仅可用于感测小于大约1000Oe的外部磁场。期望能够感测更强的外部磁场的磁传感器。另外，美国专利第7199984号公开的那种PtMn耦合层已经确定要求厚度大于约1.2nm。低于该厚度，来自相邻磁性层的材料的扩散破坏了正交非共线耦合。通常期望制造尽可能小的磁性结构(例如，非共线耦合的磁性结构)。
更进一步地，美国专利第7199984号公开的耦合层趋于在退火后(例如，在高于200℃的温度或甚至在较低温度下)，恢复到0°的耦合。例如，发明人根据美国专利第7199984号的教导制造了一种结构，其中在Co磁性层之间插入厚度为1.4nm的Mn耦合层。图1示出了在没有退火(黑圆圈)和在200℃下退火(空心圆圈)的情况下该结构的作为外部磁场H的函数的归一化磁化强度。从图1中可以看出，具有在200℃下退火的Mn耦合层的磁性结构在磁性结构的Co磁性层之间没有呈现出非共线磁耦合(例如，退火的磁性结构是即使施加非常小的磁场(例如100Oe)也完全饱和)。耦合磁性层的许多应用，例如利用隧道磁阻(TMR)效应的应用，需要退火(例如，在高于200℃的温度下)以增加灵敏度并增加整个磁阻层上的阻抗变化量值。在特定应用中，还可能需要退火来对准抗铁磁层。通常期望包括两个或更多个磁性层的磁性结构，所述磁性层经由中间耦合层耦合，其中磁性结构或其一部分可以退火(例如，在高于200℃的温度下)而不会不期望地影响两个或更多个磁性结构的耦合(例如，非共线耦合)。根据美国专利第7199984号中描述的技术制造的结构仅在90°时呈现非共线耦合。通常期望提供在不同于90°的角度下呈现非共线耦合的结构。
美国专利第6893741号公开了一种RuFe耦合层，其原子浓度小于或等于60％Fe和至少40％Ru，用于抗铁磁地耦合特定Co合金(例如CoPtCrB)磁性层(即，以相对于彼此成180°角度的磁化方向)。相比于纯Ru耦合层的1575Oe交换场，美国专利第6893741号公开了Ru65Fe35的2750Oe的交换场(通常也称为饱和场)。在美国专利第6893741号中的断言是准确的情况下，这种结构仅可用于在小于约1375Oe的范围内感测外部磁场。期望能够感测更强的外部磁场的磁传感器，无论这种传感器是否包括抗铁磁地耦合的磁性层和/或非共线耦合的磁性层。类似地，美国专利第6893741号公开的耦合层不能用于在可能经历大于2750Oe的外部场的应用中钉扎磁性层的目的。此外，美国专利第6893741号公开的耦合层不允许以180°以外的角度进行耦合，因此存在上述抗铁磁地耦合的缺点。
仍然期望以非共线角度(即，大于0°且小于180°的角度)高耦合强度和/或高饱和场地耦合磁性层的耦合层。仍然期望以高耦合强度和/或高饱和场抗铁磁地耦合磁性层(即在180°下)的耦合层。仍然期望以90°以外的非共线角度(即，不是0°、90°和180°的角度)耦合磁性层的耦合层。仍然期望在退火之后以非共线角度(即，除了0°和180°之外的角度)耦合磁性层的耦合层。仍然期望在不需要针对原子成分和原子分布以及耦合层厚度过度严格的公差就能实际制造的耦合层。仍然期望包括这种耦合层的结构以及使用和制造这种耦合层的方法。仍然期望以抗铁磁角度(即180°下)耦合纯或几乎纯Ni磁性层的耦合层。
相关技术的前述示例和与其相关的限制只是说明性的而非排他性的。在阅读本说明书并研究附图后，相关领域的其他限制对于本领域技术人员而言将变得显而易见。
发明内容
结合系统、工具和方法来描述和说明以下实施例及其各方面，这些系统、工具和方法是示例性的和说明性的，而不是限制范围。在各种实施例中，已经减少或消除了一个或多个上述问题，而其他实施例涉及其他改进。
本发明的一个方面提供了一种磁性结构，其具有：第一磁性层，其具有第一磁化方向；第二磁性层，其具有第二磁化方向；以及耦合层，其插置在第一和第二磁性层之间。耦合层可包括至少一种选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组的非磁性元素以及至少一种选自由Ni、Co和Fe组成的组的磁性元素。所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比可以是(100-x):x，其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得第一磁性层非共线地耦合到第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，第一磁化方向定向为相对于第二磁化方向成非共线角度。
本发明的另一方面提供一种磁性结构，其具有：第一磁性层，其具有第一磁化方向；第二磁性层，其具有第二磁化方向；以及耦合层，其插置在第一磁性层和第二磁性层之间。耦合层可包括至少一种选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si的非磁性组分以及至少一种选自Ni、Co、Fe、NiPt、NiPd、CoPt、CoPd、FePt和FePd的磁性组分。所述至少一种非磁性组分与所述至少一种磁性组分的原子比为(100-x):x，其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，第一磁化方向定向为相对于第二磁化方向成非共线角度。
本发明的另一方面提供一种磁性结构，其具有：第一磁性层，其具有第一磁化方向；第二磁性层，其具有第二磁化方向；以及耦合层，其插置在第一和第二磁性层之间。耦合层可以包括：包括Ru的至少一种非磁性元素和包括Fe的至少一种磁性元素。所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比为(100-x):x，其中x是大于60且小于80的原子浓度参数并且使得或被选择成使得第一磁性层反磁耦合到第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，第一磁化方向定向为相对于第二磁化方向成抗铁磁角度。
本发明的另一方面提供了一种制造磁性结构的方法。耦合层层叠在具有第一磁化方向的第一磁性层和具有第二磁化方向的第二磁性层之间。耦合层可包括选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组的至少一种非磁性元素以及选自由Ni、Co和Fe组成的组的至少一种磁性元素。所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比为(100-x):x。选择原子浓度参数x，使得第一磁性层非共线地耦合到第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，第一磁化方向定向为相对于第二磁化方向成非共线角度。
本发明的另一方面提供了一种制造磁性结构的方法。通过在具有第一磁化方向的第一磁性层和具有第二磁化方向的第二磁性层之间层叠耦合层来形成初始磁性结构。耦合层可包括选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组的至少一种非磁性元素。第一和第二磁性层可各自包括选自由Ni、Co和Fe组成的组的至少一种磁性元素。初始磁性结构在超过100℃的温度下退火，以使得第一和第二磁性层的至少一种磁性元素中的至少一些扩散到耦合层中，使得在耦合层中至少一种非磁性元素与至少一种磁性元素的原子比是(100-x):x。初始结构继续退火，直到x使得第一磁性层非共线地耦合到第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，第一磁化方向定向为相对于第二磁化方向成非共线角度。
除了上述示例性的各个方面和实施例之外，通过参考附图并通过研究以下详细描述，其他方面和实施例将变得显而易见。
附图说明
参考附图中的各个视图说明示例性实施例。这里公开的实施例和附图旨在被认为是说明性的而不是限制性的。
图1描绘了一种磁性结构的作为外部磁场H的函数的归一化磁化强度的曲线图，该磁性结构具有在退火之前和之后插置在Co磁性层之间的Mn耦合层。
图2A描绘了根据本发明特定实施例的磁性结构。图2B是图2A的结构的层的分解图。
图3示意性地描绘了可以使用图2A的结构实现的第一磁化方向和无限多个可能的非共线耦合的第二磁化方向中的多个示例性非共线耦合的第二磁化方向。
图4描绘了等式(1)的耦合能量与角度的曲线图，其具有双线性和双二次耦合强度参数J1至J2的量值的多个不同关系。
图5描绘了根据特定实施例的层叠在种子层上的磁性结构。
图6A、6B和6C(统称为图6)描绘了根据特定实施例的制造图2A的结构的方法中的步骤。
图7示意性地描述了退火如何用作将组分从图2A的结构的磁性层引入图2A的结构的耦合层的过程。
图8描绘了各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的双线性耦合强度J1的曲线图。
图9描绘了各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的双二次耦合强度J2的曲线图。
图10描绘了各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的耦合角度的曲线图。
图11描绘了在用包括Ru100-xCox的耦合层制造的磁性结构中作为原子浓度参数x的函数的耦合层厚度tc的曲线图。
图12A描绘了在用包括Ru100-xFex的耦合层制造的多个磁性结构中作为原子浓度参数x的函数的耦合角度的曲线图。
图12B描绘了在用包括Ru100-xCox的耦合层制造的多个磁性结构中作为原子浓度参数x的函数的耦合角度的曲线图。
图13A描绘了用包括Ru和Ni的耦合层制造的各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的双线性耦合强度J1的曲线图。
图13B描绘了用包括Ru和Ni的耦合层制造的各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的双二次耦合强度J2的曲线图。
图13C描绘了用包括Ru和Ni的耦合层制造的各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的耦合角度的曲线图。
图14描绘了用包括Ru和Fe的耦合层制造的各种磁性结构的作为外部磁场H的函数的归一化磁化强度的曲线图。
图15描绘了在用包括Ru100-xFex的耦合层制造的磁性结构中作为原子浓度参数x的函数的双线性耦合强度J1和双二次耦合强度J2的曲线图。
图16描绘了用包括Ru100-xFex的耦合层制造的各种磁性结构以及用包括Ru的耦合层制造的一个磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的双线性耦合强度J1的曲线图。
图17描绘了用包括Ru100-xFex的耦合层制造的各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的双二次耦合强度J2的曲线图。
图18描绘了具有不同耦合层的各种磁性结构的作为原子浓度参数x的函数的耦合角度的曲线图。
图19描绘了用包括Ru100-xFex的耦合层制造的各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的耦合角度的曲线图。
图20描绘了用包括Ru100-xFex的耦合层制造的各种磁性结构和用包括Ru100-xCox的耦合层制造的各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的饱和场的曲线图。
图21描绘了具有不同耦合层的各种磁性结构的作为原子浓度参数x的函数的耦合角度的曲线图。
图22描绘了具有不同耦合层的各种磁性结构的作为耦合层厚度tc的函数的耦合角度的曲线图。
图23描绘了具有不同耦合层的各种磁性结构的作为原子浓度参数x的函数的耦合角度的曲线图。
图24描绘了用包括Ru、Fe和Mn的耦合层制造的各种磁性结构的作为原子浓度参数x的函数的双线性耦合强度J1的曲线图。
图25描绘了用包括Ru、Fe和Mn的耦合层制造的各种磁性结构的作为原子浓度参数x的函数的双二次耦合强度J2的曲线图。
图26描绘了用包括Ru、Fe和Mn的耦合层制造的各种磁性结构的作为原子浓度参数x的函数的饱和场的曲线图。
图27A示意性地描绘了根据本发明的特定实施例的磁传感器。
图27B描绘了根据本发明的特定实施例的温度传感器的作为温度的函数的耦合角度的曲线图。
图28示意性地描绘了根据本发明特定实施例的磁存储器装置。
图29示意性地描绘了根据本发明另一特定实施例的磁存储器装置。
图30A、30B和30C示意性地描绘了根据本发明特定实施例的振荡器装置。
图31A和31B分别示意性地描绘了根据本发明的特定实施例的处于第一状态和第二状态的存储器装置的振荡器装置。
具体实施方式
在整个以下描述中，阐述了具体细节以便为本领域技术人员提供更透彻的理解。然而，可能未详细示出或描述公知的组成部分以避免不必要地模糊本公开。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。
本发明的一个方面提供了一种耦合层，用于耦合两个或更多个间隔开的磁性层的磁化方向(也称为磁矩)。本发明的其他方面提供了一种结构，包括两个间隔开的磁性层和交错耦合层，其中磁性层的磁化方向彼此耦合。本发明的其他方面提供了制造这种结构的方法和/或使用这种结构的方法。
间隔开的磁性层之间的各种形式的耦合都是可能的。磁性层的磁化方向可以铁磁耦合成使得在没有外部所施加磁场的情况下，磁性层的磁化方向(或磁矩)相对于彼此以(或基本上接近)0°对准。磁性层的磁化方向可以抗铁磁地耦合成使得在没有外部所施加磁场的情况下，磁化方向(或磁矩)相对于彼此以(或基本上接近)180°对准。在一些实施例中，当间隔磁性层的磁化方向之间的角度被称为基本上接近基准角度(例如，0°或90°或180°)时，则可以被理解为基本上与基准角度相差±5°。在一些实施例中，基本上可以与基准角度相差±2°。在一些实施例中，基本上可以与基准角度相差±1°。磁性层的磁化方向可以耦合成使得在没有外部所施加磁场的情况下，磁化方向(或磁矩)以相对于彼此成非共线角度对准。例如，非共线角度可以大于0°且小于180°，大于2°且小于178°，大于5°且小于175°或大于10°且小于170°。磁性层的磁化方向可以耦合成使得在没有外部所施加磁场的情况下，磁化方向(或磁矩)相对于彼此以非正交的非共线角度对准。例如，非共线角度可以是：大于0°且小于90°或大于90°且小于180°；大于2°且小于88°或大于92°且小于178°；大于5°且小于85°或大于95°且小于175°；或大于10°且小于80°或大于100°且小于170°。
图2A和2B描绘了根据本发明的一个方面的包括耦合层20的磁性结构10。图2A的耦合层20插置在第一磁性层30和第二磁性层40之间并与之接触，使得第一磁性层30和第二磁性层40在Z方向上彼此间隔开(如图2A和2B所示)。第一磁性层30具有第一磁化方向(或磁矩)32，而第二磁性层40具有第二磁化方向(或磁矩)42。
所示实施例的第一磁性层30包括第一和第二第一磁性层表面36、38，它们包括相对的大致平坦的表面36、38，每个表面沿X和Y方向延伸。第一和第二第一磁性层表面36、38在Z方向上的任何空间变化(例如，由于表面不是完全平坦或平滑而引起)可以比第一磁性层表面36、38的X和Y范围小得多(例如，小一个或多个数量级)。第一大致平坦的第一磁性层表面36可以在Z方向上与第二大致平坦的第一磁性层表面38分开一厚度tm1。在一些实施例中，厚度tm1大于约0.2nm。在一些实施例中，厚度tm1大于约0.3nm。在一些实施例中，厚度tm1大于约0.5nm。在一些实施例中，厚度tm1大于约1.0nm。在一些实施例中，厚度tm1大于约1.5nm。厚度tm1在整个第一磁性层30上不一定是一致的，可能由于例如第一和第二第一磁性层表面36、38中的一个或两个中的缺陷而变化。
所示实施例的第二磁性层40包括第一和第二第二磁性层表面46、48，它们包括相对的大致平坦的表面46、48，每个表面在X和Y方向上延伸。第一和第二第一磁性层表面46、48在Z方向上的任何空间变化(例如，由于表面不是完全平坦或平滑而引起)可以比第二磁性层表面46、48的X和Y范围小得多(例如，小一个或多个数量级)。第一大致平坦的第二磁性层表面46可以在Z方向上与第二大致平坦的第二磁性层表面48分开一厚度tm2。在一些实施例中，厚度tm2大于约0.2nm。在一些实施例中，厚度tm2大于约0.5nm。在一些实施例中，厚度tm2大于约1.0nm。在一些实施例中，厚度tm2大于约1.5nm。厚度tm2在整个第二磁性层40上不一定是一致的，可能由于例如第一和第二第二磁性层表面46、48中的一个或两个中的缺陷而变化。
在一些实施例中，第一磁化方向32和第二磁化方向42位于由X和Y方向限定的平面中。这不是强制性的。第一磁化方向32和第二磁化方向42中的一个或两个可以以X、Y和Z方向的任何组合延伸。
耦合层20插置在第一磁性层30和第二磁性层40之间。耦合层20可以包括第一耦合层表面26和第二耦合层表面28，它们可以包括相对的大致平坦的表面26、28，每个表面在X和Y方向上延伸。第一耦合层表面26和第二耦合层表面28在Z方向上的任何空间变化(例如，由于表面不是完全平坦或平滑而引起)可以比耦合层表面26、28的X和Y范围小得多(例如，小一个或多个数量级)。第一耦合层表面26可以在Z方向上与第二耦合层表面28分开一厚度tc。在一些实施例中，厚度tc可以在0.3nm到8.0nm之间。在一些实施例中，厚度tc可以在0.3nm至2.5nm之间。在一些实施例中，厚度tc可以在0.4nm至2.0nm之间。在一些实施例中，厚度tc可以在0.6nm至2.0nm之间。厚度tc在整个耦合层20上不一定是一致的，可能由于例如第一耦合层表面26和第二耦合层表面28中的一个或两个中的缺陷而变化。
在一些实施例中，第一大致平坦的第一磁性层表面36邻接第二大致平坦的耦合层表面28和/或第一大致平坦的耦合层表面26邻接第一大致平坦的第二磁性层表面46。例如，耦合层20可以直接与第一磁性层30相邻地层叠，而第二磁性层40可以与耦合层20直接相邻地层叠。在一些实施例中，第一磁性层30、第二磁性层40和耦合层20中的一个或多个具有不同的X-Y平面尺寸。这不是强制性的。在一些实施例中，磁性层30、40和/或耦合层20不需要具有严格平坦表面。层30、40和/或20可以顺应非平坦衬底的形状。在一些实施例中，图2A和2B的视图中所示的磁性层30、40和/或耦合层20可以表示未示出的磁性层和/或耦合层的部分，其大于图2A和2B的图示中所示的相应部分。
第一磁性层30可包括任何合适的磁性层。第一磁性层30可以呈现磁化方向(磁矩)32。例如，第一磁性层30可以包括铁磁材料，例如，选自Co、Fe、Ni及其合金的一种或多种元素或合金。第一磁性层30可以另外地或替代地包括Mn(尽管Mn严格来说不是铁磁的)及其合金。值得注意的是，在元素形式下，Co、Ni和Fe具有铁磁自旋排列，而Mn具有抗铁磁自旋排列。第一磁性层30可以另外地或替代地包括例如选自Co、Fe、Ni和Mn及其合金的一种或多种元素或合金以及添加元素，所述添加元素是选自B、C、N、O、F、Mg、Al、Si、P、S、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Cu、Zn、Ga、Ge、As、Se、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Sb、Te、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Tl、Pb、Bi的一种或多种元素和/或其合金。在一些实施例中，第一磁性层30另外地或替代地包括例如RuCo、RuFe、RuNi、RuCoFe、RuFeNi、RuCoNi、RuFeCoNi、FeCoB、FeCoNiSiB、FeCoZr、FeCoRu、CoCr、CoCrB、CoPt、FePt、Gd、Dy、MnAs、MnBi、MnSb、MnBiSi、MnBiSiAl、CrO2、ErO和GdFeCo中的一种。在一些实施例中，第一磁性层30另外地或替代地包括L10化合物，例如，Co、Fe、Ni中的一种或多种与Pt和Pd、FePtAg、FePtCu和FePtCuAg中的一种或多种的组合，或者含有氧化物或碳的L10化合物。在一些实施例中，第一磁性层30另外地或替代地包括有或没有氧化物的CoPt、CoRu、CoRh、CoCr。在一些实施例中，第一磁性层30另外地或替代地包括一种或多种Co2ab形式的Heusler化合物，其中a是选自Mn、Fe和Cr的至少一种元素，而b是选自Si、Ge和Al的至少一种元素。在一些实施例中，第一磁性层30另外地或替代地包括由多个单独的子层构成的复合层，其中每个子层可以具有相同或不同的成分。例如，第一磁性层30可以包括第一子层FeCoB和第二子层CoFe。在一些实施例中，第一磁性层30的材料至少部分地基于耦合层20的材料来选择。例如，可以选择磁性层30以允许磁性层30和耦合层20之间的相互扩散。
第二磁性层40可以包括任何合适的磁性层，并且可以被制造为具有任何性质和/或特性和/或可以包括与本申请针对第一磁性层30所讨论的相同的材料。第二磁性层40可以具有磁化方向(磁矩)42。在一些实施例中，第二磁性层40基本上类似于第一磁性层30。在其他实施例中，第二磁性层40与第一磁性层30不同。例如，第一磁性层30和第二磁性层40的成分可以不同，从而引起不同的结构和/或磁性，例如但不限于结构、饱和磁化、各向异性、固化温度、交换刚度和/或阻尼。第一磁性层30和第二磁性层40的尺寸和/或形状也可以不同。例如，tm1可以与tm2不同，或者第一磁性层30的X和/或Y尺寸可以与耦合层20和/或第二磁性层40的尺寸不同。
耦合层20可包括至少一种第一组元素22和至少一种第二组元素24。第二组元素24在本申请中可称为掺杂剂。第一组元素22可包括非磁性元素，而第二组元素24可包括磁性元素。因此，第一组元素22在本申请中也可称为非磁性组元素22，而第二组元素24在本申请中可称为磁性组元素24。所述至少一种第一(非磁性)组元素22可包括或选自Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si。已知这组非磁性元素中的每种元素在单独(纯或几乎纯)用作一对磁性层之间的耦合层时呈现出至少一些抗铁磁地耦合，因此发明人有充分的理由相信，该组中的每种元素当适当掺杂至少一种如本申请所述的第二(磁性)组元素22时，可以呈现出强抗铁磁地耦合或非共线耦合。
在一些目前优选的实施例中，所述至少一种第一(非磁性)组元素可包括或选自由Cr、Ru、Rh、Re、Ir组成的子组。已知该子组中的每种非磁性元素在单独(纯或几乎纯)用作一对磁性层之间的耦合层时呈现出特别强的抗铁磁地耦合，因此发明人有充分的理由相信，该子组中的每种元素当适当地掺杂有至少一种如本申请所述的第二(磁性)组元素22时，可以呈现出强抗铁磁地耦合或非共线耦合。在一些目前优选的实施例中，所述至少一种第一(非磁性)组元素可包括或选自由Ru、Ir和Rh组成的其他子组。与前一个子组一样，已知该其他子组中的每种非磁性元素在单独(纯或几乎纯)用作一对磁性层之间的耦合层时呈现出甚至更大的抗铁磁地耦合，因此本发明人有充分的理由相信，该其他子组中的每种元素当适当掺杂有至少一种如本申请所述的第二(磁性)组元素22时，可以呈现出强抗铁磁地耦合或非共线耦合。
在一些目前优选的实施例中，至少一种第一(非磁性)组元素包括Ru或由Ru组成。
至少一种第二(磁性)组元素24可包括或选自由铁磁元素Ni、Co和Fe组成的组。所述至少一种第二(磁性)组元素24可以另外地或替代地包括或选自由磁性元素Mn、Ni、Co和Fe组成的组。在一些实施例中，至少一种第二(磁性)组元素24可另外包括选自由Pd和Pt组成的组的可极化元素。在一些实施例中，可以用这种可极化元素取代第二(磁性)组元素24的一部分。在一些实施例中，对于第二(磁性)组元素24的每个原子，可以用Pd或Pt取代一个原子，尽管这不是强制性的。在一些实施例中，高达90％的第二(磁性)组元素24可以被Pd或Pt或Pd和Pt的组合取代。在一些实施例中，可以用Mn取代第二(磁性)元素24的一部分。值得注意的是，在元素形式下，Co、Ni和Fe具有铁磁自旋排列，而Mn具有抗铁磁自旋排列。因此，如本申请所用，Mn在本申请中可称为寻求包括Mn以及铁磁元素Co、Ni和Fe的磁性元素、磁原子或磁性材料，但应认为铁磁元素排除Mn。
耦合层20内的至少一种第一(非磁性)组元素22与至少一种第二(磁性)组元素24的原子浓度比可以是(100-x):x，其中x>0。应当理解，耦合层20内的至少一种第一(非磁性)组元素22与至少一种第二(磁性)组元素24的原子浓度比是解释整个耦合层20的成分的总和原子浓度比。耦合层20可以始终相对均匀，使得原子浓度比在整个耦合层20中大致是一致的，或者耦合层20可以包括原子浓度比高于或低于总和原子浓度比的区域或部分。例如，耦合层20可以制造在子层中，每个子层具有至少一种第一(非磁性)组元素22与至少一种第二(磁性)组元素24的单独原子浓度比，其中单独原子浓度比(在耦合层20上)的总和是(100-x):x，其中x>0。
至少一种第一(非磁性)组元素22和至少一种第二(磁性)组元素24和/或所述至少一种第一(非磁性)组元素22与至少一种第二(磁性)组元素24的原子浓度比((100-x):x，其中x>0)中的原子浓度参数x，可以选择成使得第一磁性层30和第二磁性层40的第一磁化方向32和第二磁化方向42在没有外部所施加磁场的情况下，它们以相对于彼此成非共线角度耦合——在这种情况下，结构10、其磁性层30、40和/或其磁化方向32、42可以称为非共线耦合。至少一种第一(非磁性)组元素22和至少一种第二(磁性)组元素24和/或原子浓度参数x，其中所述至少一种第一(非磁性)组元素22与至少一种第二(磁性)组元素24的原子浓度比((100-x):x，其中x>0)可以选择成使得第一磁性层30和第二磁性层40的第一磁化方向32和第二磁化方向42在没有外部所施加磁场的情况下，它们相对于彼此以非正交和非共线的角度耦合——在这种情况下，结构10、其磁性层30、40和/或其磁化方向32、42可以称为非正交和非共线耦合。如本申请进一步详细讨论的那样，可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24和/或原子浓度参数x，使得耦合层20的双二次磁耦合强度J2大于或等于耦合层20的双线性磁耦合强度J1的绝对值的一半。在一些实施例中，还可以选择耦合层厚度tc，以在结构10的磁性层30、04之间产生非共线和/或非正交/非共线耦合。
至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x可以至少部分地基于第一磁性层30和第二磁性层40的成分进行选择。至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x可以至少部分地基于第一磁性层30和第二磁性层40中的一个或两个的厚度(例如，tm1、tm2)进行选择。可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x，使得结构10的饱和场大于1,000Oe、3,000Oe、20,000Oe或50,000Oe。这种高饱和场结构可以是非共线耦合的、非正交的和非共线耦合的或抗铁磁地耦合的。可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x，使得结构10的双二次耦合强度J2大于0.1mJ/m2、0.2mJ/m2、0.5mJ/m2、1.0mJ/m2、1.5mJ/m2或甚至2.0mJ/m2，J2大于J1的绝对值的一半。这种高耦合强度结构可以是非共线耦合的、非正交的和非共线耦合的或抗铁磁地耦合的。可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x，使得磁性结构10可以在100℃或更高，150℃或更高，或200℃或更高的温度下经受退火，而不会不期望地改变第一磁性层30和第二磁性层40的耦合角度。这种可退火结构可以是非共线耦合的、非正交的和非共线耦合的或抗铁磁地耦合的。在一些实施例中，可能期望第一磁性层30和第二磁性层40的耦合角度随着退火而改变，并且可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x，使得可以通过在100℃或更高、150℃或更高或200℃或更高的温度下退火来根据需要可控地改变耦合角度。
在一些实施例中，耦合层20可包括至少一种第一组元素22和至少两种第二组元素24。第一组元素22可包括非磁性元素，而第二组元素24可包括磁性元素。所述至少一种第一(非磁性)组元素22可包括或选自Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si。在目前优选的实施例中，所述至少一种第一(非磁性)组元素可包括或者选自由Ru、Ir、Re、Rh和Cr组成的组。在一些目前优选的实施例中，所述至少一种第一(非磁性)组元素包括Ru或由Ru组成。在目前优选的实施例中，至少两种第二(磁性)组元素包括Co和Fe。
第一磁性元素(例如Co)与第二磁性元素(例如Fe)的原子浓度比可以是任何合适的比例。随着第一磁性元素与第二磁性元素的比率增加，耦合层20可以表现得更像非磁性元素24(例如Ru)和第一磁性元素(例如Co)的耦合层，而随着第一磁性元素与第二磁性元素的比率减小，耦合层20可以表现得更像非磁性元素24(例如Ru)和第二磁性元素(例如Fe)的耦合层。换句话说，在RuFeCo耦合层20的情况下，随着Co与Fe的比率增加，耦合层20可以表现得更像RuCo耦合层20，而随着Co与Fe的比率减小，耦合层20可以表现为更像RuFe耦合层20。因此，可以通过观察两个耦合层20的特性并且基于第一磁性元素与第二磁性元素的比率来估计或预测包括至少一种第一组元素22和至少两种磁性组元素24的耦合层20的特性，其中两个耦合层20中的每个耦合层20仅具有至少两种磁性组元素24中的一种与至少第一组元素22相结合。
在一些实施例中，耦合层20可包括至少两种第一组元素22和至少一种第二组元素24。至少两种第一组元素22可以包括Ru和至少一种第二非磁性元素，其包括或选自由Ag、Cr、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组。所述至少一种第二组元素24可包括至少一种磁性元素，所述磁性元素包括或选自由Ni、Co和Fe组成的组。所述至少一种第一非磁性元素与所述至少一种第二非磁性元素的原子比为(100-x-y):y:x。在一些实施例中，y小于80。在一些实施例中，所述至少一种第二非磁性元素选自由Ru、Ir、Re、Rh和Cr组成的组。
在一些实施例中，至少一种第一(非磁性)组元素22和至少一种第二(磁性)组元素24和/或至少一种第一(非磁性)组元素22与至少一种第二(磁性)组元素24的原子浓度比((100-x):x，其中x>0)中的原子浓度参数x，可以选择成使得第一磁性层30和第二磁性层40的第一磁化方向32和第二磁化方向42在没有外部所施加磁场的情况下，相对于彼此以抗铁磁角度耦合——在这种情况下，结构10、其磁性层30、40和/或其磁化方向32、42可以称为抗铁磁地耦合。例如，抗铁磁角度可以是：大于170°且小于190°或大于175°且小于185°；大于178°且小于182°；大于179°且小于181°；大于179.5°且小于180.5°；甚至180°。
可以至少部分地基于第一磁性层30和第二磁性层40的成分来选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x。可以至少部分地基于第一磁性层30和第二磁性层40中的一个或两个的厚度(例如，tm1、tm2)来选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x。可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x，使得结构10的饱和场大于1,000Oe、3,000Oe、20,000Oe或50,000Oe。可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x，使得双线性耦合强度J1大于0.3mJ/m2、0.6mJ/m2、0.8mJ/m2和/或结构10的双二次耦合强度J2大于0.1mJ/m2、0.2mJ/m2、0.5mJ/m2、1.0mJ/m2、1.5mJ/m2，或甚至2.0mJ/m2且J2大于J1的绝对值的一半。可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x，使得磁性结构10可以在100℃或更高、150℃或更高或200℃或更高的温度下经受退火，而不会不期望地改变第一磁性层30和第二磁性层40的耦合角度。在一些实施例中，可能期望第一磁性层30和第二磁性层40的耦合角度随着退火而改变，并且可以选择至少一种第一(非磁性)组元素22、至少一种第二(磁性)组元素24、耦合层20的厚度(tc)和/或原子浓度参数x，使得可以通过在100℃或更高、150℃或更高或200℃或更高的温度下退火，来根据需要可控地改变耦合角度。
在一些当前优选的实施例中，至少一种第一(非磁性)组元素22包括Ru或其合金，而至少一种第二(磁性)组元素24包括Fe或其合金。在一些当前优选的实施例中，至少一种第一(非磁性)组元素22包括Cr、Ir、Rh和Re或其合金中的一种或多种，而至少一种第二(磁性)组元素24包括Fe、Ni和Co或其合金中的一种或多种。在一些实施例中，至少一种第一(非磁性)元素22包括Ru和选自由Ag、Cr、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组的至少一种第二非磁性元素，而至少一种磁性元素包括或选自由Ni、Co和Fe组成的组。在一些实施例中，第一磁性层30和第二磁性层40包括Co、Ni或其合金中的至少一种。在一些实施例中，至少一种第二(磁性)组元素24可另外包括选自由Pd和Pt组成的组的可极化元素。在一些实施例中，可以用这种可极化元素取代第二(磁性)组元素24的一部分。在一些实施例中，对于第二(磁性)组元素24的每个原子，可以用Pd或Pt取代一个原子，尽管这不是强制性的。在一些实施例中，高达90％的第二(磁性)组元素24可以被Pd或Pt或Pd和Pt的组合取代。在一些实施例中，可以用Mn取代第二(磁性)元素24的一部分。
通常，第一磁化方向32和第二磁化方向42可以指向空间中的任何方向，并且可以不限于任何特定平面。因此，对于给定的第一磁化方向32，第二磁化方向42可以指向无限数量的方向，而第一磁化方向32和第二磁化方向42彼此非共线地耦合。该说明书可以使用符号来指代第一磁化方向32和第二磁化方向42之间的角度图3示意性地描绘了第一磁化方向32和可以在结构10中实现的无限多个可能的非共线耦合的第二磁化方向42中的多个示例性非共线耦合的第二磁化方向42。
由于耦合层20的存在，第一磁化方向32可以耦合到第二磁化方向42。在磁性结构10中横跨耦合层20的第一磁性层30和第二磁性层40的磁矩32、42之间的耦合的强度或能量可以使用双线性耦合强度参数J1和双二次耦合强度参数J2来表征。磁性结构10可以通过如下形式的双线性耦合强度项来表征或建模：
E1＝±J1n1·n2，
其中J1是以mJ/m2为单位的双线性耦合常数，而n1和n2分别是沿第一磁性层30和第二磁性层40中的磁化方向32、42的单位矢量。E1按照如下形式与第一磁化方向32和第二磁化方向42之间的耦合角度相关联：
其中是第一磁化方向32和第二磁化方向42之间的耦合角度。磁性结构10还可以通过如下形式的双二次耦合强度(双二次能量密度)项来表征或建模：
E2＝+J2(n1·n2)2，
其中J2是以mJ/m2为单位的双二次耦合常数。E2按照如下形式与第一磁化方向32和第二磁化方向42之间的耦合角度相关联：E2＝+J2cos2 其中是第一磁化方向32和第二磁化方向42之间的耦合角度。
J1和J2表示一模型的参数，该模型将结构10的总磁化强度在外部所施加磁场方向上的依存关系与外部所施加磁场的强度相关联。结构10的J1和J2参数可以通过对结构10施加外部磁场来以实验确定，测量磁化强度并选择J1和J2以使模型最适合于实验结果。该模型可以假设第一磁性层30和第二磁性层40中的磁矩32、42平行于膜平面(即，在图2A中所示的X和Y方向的线性组合的方向上)。该模型可以进一步假设第一磁性层30和第二磁性层40都由一个或多个磁性子层组成，所述磁性子层通过像C.Eyrich等人提出的直接交换相互作用(PHYSICAL REVIEW B，90、235408(2014)，其通过引用并入本申请)来相互作用。
不受理论束缚，认为抗铁磁、铁磁和非共线耦合依赖于双线性耦合参数J1、双二次耦合参数J2和更高阶耦合参数之间的关系。例如，如果双线性耦合参数J1比其他耦合参数(例如，J1的绝对值大于其他耦合参数的绝对值之和的一半)支配并且J1小于零，则认为所得耦合是铁磁的。而如果双线性耦合参数J1比其他耦合参数(例如，J1的绝对值大于其他耦合参数的绝对值之和的一半)占优势并且J1大于零，则认为所得耦合是抗铁磁的。进一步认为，如果双二次耦合参数J2占优势(例如，大于其他耦合参数之和的一半)并且J1很小，则第一磁性层30和第二磁性层40的磁矩32、42可以以介于大约80°到100°之间的非共线角度(在一些实施例中，为90°，或者在一些实施例中，为基本上接近90°)对准。此外，认为双线性参数J1和双二次参数J2的混合可导致非共线耦合，使得第一磁性层30和第二磁性层40的磁矩32、42以这样一个非共线角度对准，该非共线角度在一些实施例中可以大于0°且小于180°，在一些实施例中可以介于1°和179°之间，在一些实施例中可以介于5°和175°之间，或在一些实施例中可以介于20°和160°之间。
不受理论束缚，认为非共线耦合角度由双线性耦合参数J1和双二次耦合参数J2控制，并且非共线耦合角度可以通过根据以下等式最小化Ecoupling来确定：
双线性耦合参数J1可以是正的，也可以是负的，而双二次耦合参数J2具有正值。两个参数的量值/强度都不同。图4以J1与J2的四个不同量值关系描绘了等式(1)的耦合能量与角度的关系图。粗实线表示J1＝1，J2＝0的情形，细实线表示J2刚刚大于J2＝|J1|/2的情形，点线表示J1＝0，J2＝1的情形，而划线表示J2＝2|J1|/3的情形。
从图4中可以看出，对于表示J1＝1，J2＝0的粗实线，因为没有J2分量会导致非共线耦合，所以耦合能量最小值处于约处(即磁化方向32、42之间的抗铁磁地耦合)。如果J2增加到大于J1的一半(如图4中的细实线所示)，非共线耦合可能在大约或基本接近 和的耦合角度下出现。然而，耦合(即抗铁磁地耦合)仍然可能在J2＝|J1|/2下出现。因此J2＝|J1|/2可被视为抗铁磁地耦合和非共线耦合之间的近似阈值。如果J2增加超过该阈值J2＝|J1|/2，使得J2>|J1|/2，那么将出现非共线耦合，而抗铁磁地耦合不出现。
如果J2进一步增加而使得J2＝2|J1|/3(如图4中的划线所示)，则非共线耦合可以在大约或基本上接近于和的耦合角度下出现。对于其中J1＝0，J2＝1的耦合层(如图4中的点线所示)，非共线耦合角度仅由J2确定，因此能量最小值处于基本上接近于 且处。如果J1是负的(未示出)，则能量最小值可以出现在大约或基本上接近和处，并且当J1从零下方接近零，能量最小值可以朝向移动。
在一些实施例中，可以通过在种子层(在本申请中也称为底层)的顶部上层叠来制造磁性结构(诸如磁性结构10)。例如，图5描绘了基本类似于磁性结构10的磁性结构10'，其层叠在种子层50上。种子层50可包括本领域已知的任何合适的种子层。在一些实施例中，种子层50可包括选自包括B、C、Si、Ge、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt和Au或由其组成的组中的至少一种元素。在一些实施例中，种子层50可以包括：第一子层，该第一子层包括至少一种元素，该元素包括或选自由B、Si、Ge、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt和Au组成的组；以及第二层，该第二层包括至少一种元素，所述元素包括或选自由N和O组成的组。
由于以下原因中的一个或多个，种子层50可用于制造磁性结构10'：易于制造或保护第一磁性层30，使磁性层30沿优选的晶体定向生长，用作电接触，用作保护层，最大化种子层50和第一磁性层30之间的界面处的表面各向异性，和/或控制导热率。
在一些实施例中，保护层可以层叠在第二磁性层40上。在图5的实施例中，保护层55层叠在第二磁性层40上，以保护第二磁性层40免受例如氧化、腐蚀、物理磨损等。保护层55可以用作电接触或电接触的一部分。保护层55可包括任何合适的材料。例如，保护层55可包括至少一种元素，该元素包括或选自由Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Hf、Ta、W、Re、Ir、Pt和Au组成的组。在一些实施例中，保护层55可以另外地或替代地包括诸如Si-N、Ti-N之类的氮化物或诸如Ti-O、Al-O、Si-O之类的氧化物。
但是对于种子层50和保护层55，磁性结构10'的磁性层30、40和耦合层20可以基本上类似于磁性结构10，并且可以包括本申请所述的磁性结构10的任何特征。同样地，磁性结构10可以被制造为包括种子层50和/或保护层55。
可以使用任何合适的技术制造磁性结构10。在一些实施例中，结构10通过例如物理气相沉积(例如溅射)、原子层沉积或化学气相沉积来制造。在一些实施例中，可以使用溅射来制造磁性结构10，其中如本领域中已知的那样，由于诸如气体离子之类的高能粒子轰击靶而从固体靶材料喷射粒子。
本发明的一个方面提供了一种制造磁性结构(例如磁性结构10)的方法。图6A描绘了在种子层(也称为底层或衬底)50上层叠第一磁性层30的第一步骤。该第一步骤可以通过溅射完成，如图6A所示。例如，可以通过已激励粒子(未示出)轰击与第一磁性层30所需的相同材料的靶39，使得靶材料39的粒子39A沉积在种子层50上以产生第一磁性层30。在一些实施例中，第一磁性层30可包括从单个靶39沉积的多种元素(例如，其中靶39可预制成具有磁性层30所需的所需组成元素)或可包括从多个靶39沉积的多种材料(例如元素)，每个靶任选地包括不同的材料。当靶材料39的粒子39A沉积在种子层50上时，第一磁性层30的厚度tm1增加，直到达到所需的厚度tm1。从图6A中可以看出，由于粒子39A的分布，第一磁性层30的表面36可能不是完全平坦的。
一旦达到所需的厚度tm1，就可以在第一磁性层30上层叠耦合层20。图6B描绘了在第一磁性层30上层叠耦合层20的第二步骤。该第二步可以通过溅射完成。例如，可以通过已激励粒子(未示出)轰击与耦合层20所需的相同组成材料的靶29，使得靶材料29的粒子29A沉积在第一磁性层30上以产生耦合层20。在一些实施例中，耦合层20可包括从单个靶29沉积的多种元素(例如，其中靶29可预制成具有用于耦合层20的所需组成元素)。可以预制成靶29的这种组成元素可以包括至少一种第一(非磁性)组元素22和至少一种第二(磁性)组元素24。在一些实施例中，耦合层20可以由从多个靶29沉积的多种材料(例如元素)制造，每个靶29任选地包括不同的材料。这样的多个靶29中的一个可以包括至少一种第一(非磁性)组元素22，并且这样的多个靶29中的另一个可以包括至少一种第二(磁性)组元素24。在这样的实施例中，例如，可以通过控制用于轰击各种靶29的已激励粒子的相对功率，控制原子浓度参数x。当靶材料29的粒子29A沉积在第一磁性层30上时，耦合层20的厚度tc增长直到达到所需的厚度tc。从图6B可以看出，由于粒子29A和39A的分布，耦合层20的表面28和第一磁性层30的表面36之间的界面可能不是完全平坦的。此外，由于粒子29A的分布，耦合层20的表面26可能不是完全平坦的。
一旦达到所需的厚度tc，就可以在耦合层20上层叠第二磁性层40。图6C描绘了在耦合层20上层叠第二磁性层40的第三步骤。该第三步骤可以通过溅射完成，如图6C所示。例如，与第二磁性层40所需的相同材料的靶49可被已激励粒子轰击，使得靶材料49的粒子49A沉积在耦合层20上以产生第二磁性层40。在一些实施例中，靶49与靶39相同，并且磁性层30、40由相同材料制成。在其他实施例中，靶39和49可包括不同的材料，使得第一磁性层30和第二磁性层40可包括不同的材料。在一些实施例中，第二磁性层40可包括从单个靶49沉积的多种元素(例如，其中靶49可预制成具有用于磁性层40的所需组成元素)或者可包括从多个靶49沉积的多种材料(例如元素)，每个靶49任选地包括不同的材料。当靶材料49的粒子49A沉积在耦合层20上时，第二磁性层40的厚度tm2增长直到达到所需的厚度tm2。从图6C可以看出，由于粒子29A和39A的分布，耦合层20的表面26和第二磁性层40的表面46之间的界面可能不是完全平坦的。此外，由于粒子49A的分布，第二磁性层40的表面48可能不是完全平坦的。
在一些实施例中，保护层55可以层叠在第二磁性层40的顶部上以保护磁性结构。例如，可以使用溅射或任何其他合适的技术将Ru层层叠在第二磁性层40的顶部上。
在一些实施例中，溅射过程出现在包含靶29、39、49的单个腔室中。在其他实施例中，采用单独的腔室来溅射靶29、39、49中的一个或多个。
在一些实施例中，耦合层20可以制造成包括通过退火整体或部分地由至少一种第一(非磁性)组元素22和至少一种第二(磁性)组元素24制成的化合物。例如，包括第一(非磁性)组元素22的耦合层20可以层叠在第一磁性层30和第二磁性层40之间，其中第一磁性层30和第二磁性层40中的每一个包括来自第二(磁性)组24的至少一种元素，以形成初始结构。该初始结构可以使用例如溅射制造，如上面结合图6所解释的。然后可以对初始结构10进行退火。在退火过程期间，来自磁性层30、40的第二(磁性)组元素22原子可以从第一磁性层30和第二磁性层40扩散到耦合层20中，使得耦合层20的成分将从包括至少一种第一(非磁性)组元素22，改变成包括至少一种第一(非磁性)组22的元素和至少一种来自第二(磁性)组24的元素。类似地，可以采用退火来修改已经包括来自第一(非磁性)组22和第二(磁性)组24的元素的耦合层20内的第二(磁性)组元素24的浓度。
图7示意性地描绘了这种基于退火的过程以制造磁性结构10。在图7左侧的初始结构中，第一磁性层30和第二磁性层40由第二(磁性)组元素(例如Co)(例如通过溅射)制造，而初始耦合层20'由第一(非磁性)组元素(例如Ru)(例如通过溅射)制造。然后对初始结构进行退火，以在图7的右手侧提供所得结构10。在退火过程中，原子扩散穿过磁性层30、40和初始耦合层20'之间的界面，以形成包括第一(非磁性)和第二(磁性)组元素的最终耦合层20。除了磁原子从磁性层30、40扩散到初始耦合层20'之外，来自初始耦合层20'的一些非磁原子也可以扩散到磁性层30、40中。因此，最终耦合层20可能比初始耦合层20'厚。
在一些实施例中，在退火过程期间，初始结构包括初始耦合层20'，其包括原子比为(100-y):y的第一(非磁性)组元素22和第二(磁性)组元素24。在退火之后，最终耦合层包括第一组元素22与第二组元素24的原子比(100-x):x。在一些实施例中，如上所述，y等于0。在其他实施例中，y大于0。在一些实施例中，y小于x。如上所述，由于第二组元素24从磁性层30、40扩散到耦合层20中，所以原子浓度参数x可能大于y。因此，可以采用退火来在制造期间提高第二组元素24在耦合层20中的浓度，以获得第一组元素22与第二组元素24的所需原子浓度比。
在一些实施例中，退火包括在至少一部分制造过程期间将至少一部分磁性结构加热到超过50℃。在一些实施例中，退火包括在至少一部分制造过程期间将至少一部分磁性结构加热到超过100℃。在一些实施例中，退火包括在至少一部分制造过程期间将至少一部分磁性结构加热到超过150℃。在一些实施例中，退火包括在至少一部分制造过程期间将至少一部分磁性结构加热到超过200℃。在一些实施例中，退火包括在至少一部分制造过程期间将至少一部分磁性结构加热到超过300℃。
在一些实施例中，磁性结构10在至少一部分制造过程期间(例如，在第一磁性层30、耦合层20和第二磁性层40中的一个或多个的物理气相沉积、原子层沉积或化学气相沉积期间)被加热。在一些实施例中，在至少一部分制造过程期间将磁性结构加热到超过100℃。在一些实施例中，在至少一部分制造过程期间将磁性结构加热到超过150℃。在一些实施例中，在至少一部分制造过程期间将磁性结构加热到超过200℃。在一些实施例中，在至少一部分制造过程期间将磁性结构加热到超过300℃。制造期间的加热可以促进第一磁性层30和第二磁性层40中的一个或多个与耦合层20之间的扩散，并且可以具有与退火类似的效果。可以采用加热来获得用于耦合层20的所需原子浓度参数。
示例实施例和实验结果
在本发明的一个特定的非限制性实施例中(以下称为RuCo实施例)，耦合层20包括Ru作为第一(非磁性)组元素22和Co作为第二(磁性)组元素，而第一磁性层30和第二磁性层40各自包括Co。种子层50可以包括Ta和Ru，保护层55可以包括Ru。第一磁性层30和第二磁性层40可各自具有约2.0nm的厚度。耦合层20可以在不实质上影响磁性结构10的操作的情况下包括附加元素。第一磁性层30和第二磁性层40还可以在不实质上影响磁性结构10的操作的情况下包括附加元素。为了说明的目的和简化，可以忽略磁性层30、40和耦合层20中的附加元素。耦合层20中Ru与Co的原子浓度之比为(100-x):x，其中x>0。
为方便起见，RuCo实施例耦合层可以称为Ru100-xCox。本申请中可以使用类似的命名惯例用于其他组合物。例如，其具有Ru与Fe的原子浓度之比(100-x):x的耦合层可以称为Ru100-xFex，其中x>0。同样为了方便起见，可以使用以下简写Co(tm1)/Ru100-xCox(tc)/Co(tm2)来描述RuCo实施例磁性结构10。该简写符号也可以用于本申请所述的其他磁性结构10。例如、Ni(tm1)/Ru100-xFex(0.75nm)/Ni(tm2)是指具有Ni的第一磁性层30和第二磁性层40以及具有0.75nm的厚度tc的Ru100-xFex的耦合层20的磁性结构。
图8是描绘对于在0和61.2之间(例如，Ru与Co的原子浓度比在100：0和38：61.2之间)的各种值x，根据RuCo实施例制造的多个示例性磁性结构10的第一磁性层30和第二磁性层40之间的双线性耦合强度J1作为耦合层20的厚度tc的函数的依存关系的曲线图。从图8中可以看出，这些磁性结构的双线性耦合强度J1依赖于耦合层20中Co与Ru的原子浓度比以及耦合层20的厚度tc。
图9是描绘对于在0和61.2之间的各种值x，在图8中描绘的相同示例性磁性结构的第一磁性层30和第二磁性层40之间的双二次耦合强度J2作为耦合层20的厚度tc的函数的依存关系的曲线图。从图9中可以看出，RuCo实施例的双二次耦合强度J2依赖于耦合层20中Co与Ru的原子浓度比以及耦合层20的厚度tc。
已知对于纯(或相对纯)Ru耦合层20(即x＝0)，对于介于约0.4nm和1.1nm之间的tc值出现抗铁磁地耦合。关于该抗铁磁区域内的纯(或相对纯)Ru耦合层20的J1可以描述为振荡，因为它具有两个最大值(例如，在约0.4和0.85nm处)和一个最小值(例如在约0.6nm处)。相反，对于x≥36.8，对于tc＝0.6nm的厚度，不会出现这样的最小值。反而在tc＝0.6nm处对于Ru63.2Co36.8(空心三角形)和Ru55.8Co44.2(空心正方形)耦合层20，J1相对较大(例如，与x＝0时相比，大两到三倍)。因此，对于x≥36.8，与具有约0.6nm厚度的纯Ru耦合层20相比，具有约0.6nm厚度的耦合层20可以呈现出强抗铁磁地耦合。
图8示出了双线性耦合强度J1的斜率在其随厚度tc减小而趋于从正到负(例如从抗铁磁地耦合转变到铁磁耦合)时，变得关于耦合层20中的x≥44.2不那么急剧(如由关于耦合层20中的x≥44.2的渐变光滑曲线所示)。对于Ru的耦合层(即x＝0)，已知在其上J1随着厚度tc减小而趋于零的区域(图8中未示出)出现在0.32和0.38nm之间。随着Ru中Co的浓度增加，在其上J1趋于零的区域(在图8中具有正斜率)出现在更宽的厚度范围内。对于Ru63.2Co36.8(例如，x＝36.8，由空心三角形表示)，在其上J1随厚度tc减小而趋于向下的区域(在图8中具有正斜率)出现在约0.4和0.5nm之间，使得该区域宽约0.1nm。对于Ru55.8Co44.2(例如，x＝44.2，由空心正方形表示)，在其上J1随厚度tc减小而趋于向下的区域(在图8中具有正斜率)出现在约0.4和0.55nm之间，使得转变区的宽度约为0.15nm。对于Ru49.6Co50.4(例如x＝50.4，由空心圆圈表示)，仅收集了少量数据，但是从图8中可以看出，在其上J1随着厚度tc减小趋于向下的区域(在图8中具有正斜率)出现在约0.4和0.7nm之间，使得该区域宽约0.3nm。随着Co浓度进一步增加，该区域急剧增加。例如，对于Ru44.7Co55.3(例如，x＝55.3，由实心三角形表示)，在其上J1随厚度tc减小而趋于向下的区域(在图8中具有正斜率)出现在大约0.45与1.0nm之间，使得该区域宽约0.55nm。对于Ru40.2Co59.8(例如x＝59.8，由实心圆圈表示)和Ru38.8Co61.2(例如x＝61.2，由实心正方形表示)，在其上J1随厚度tc减小而趋于向下的区域(在图8中具有正斜率)出现在约0.6和1.4nm之间，使得该区域宽约为0.8nm。随着在其上J1随着厚度tc减小趋于向下的tc值的区域增大，非共线耦合的tc值区域也增大，并且更容易实现非共线耦合。
从图9中可以看出，向Ru添加Co可能导致双二次耦合强度J2对于耦合层20的某些厚度tc值的增加。对于纯(或相对纯)Ru(例如x＝0，由空心菱形表示)的耦合层20，观察到小双二次耦合强度J2。如从图9所见，对于具有x≥36.8的耦合层20，在一定厚度下的双二次耦合强度J2相对大于纯(或相对纯)Ru(例如x＝0)的双二次耦合强度J2。与纯Ru的双二次耦合强度J2相比，双二次耦合强度J2的这个相对大小通常显示为随x增加并且也随着tc的减小而增加。
对于Ru63.2Co36.8(即x＝36.8，由空心三角形表示)，双二次耦合强度J2的急剧增加对于在大约0.45和0.5nm之间的tc出现。对于Ru55.8Co44.2(即x＝44.2，由空心正方形表示)，双二次耦合强度J2的急剧增加对于在大约0.55和0.6nm之间的tc出现。对于Ru44.7Co55.3(即x＝55.3，由实心三角形表示)，双二次耦合强度J2的急剧增加对于在大约0.8和0.9nm之间的tc出现。对于Ru40.2Co59.8(即x＝59.8，由实心圆圈表示)，双二次耦合强度J2的急剧增加出现在约1.1和1.2nm之间。
双二次耦合强度J2的这些急剧增加允许如上所述那样，当双二次耦合强度J2与双线性耦合强度J1相比很大时，出现非共线耦合。例如，非共线耦合可能当J2≥1/2|J1|时出现。
图10是描绘关于在0到63.6之间的各种值x，根据RuCo实施例制造的多个示例性磁性结构中的第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合角度作为耦合层20的厚度tc的函数的依存关系的曲线图。
从图10中可以看出，在耦合层20的各种厚度tc处，x≥36.8可以实现非共线耦合。
对于x＝36.8，在耦合层20厚度tc约为0.4nm处观察到约140°角度下的非共线耦合。返回参考图9，关于x＝36.8的双二次耦合强度J2对于耦合层20的厚度tc在约0.4nm和0.45nm之间的值是很大的。然而，如图8所示，双线性耦合强度J1(x＝36.8)在tc＝0.45nm处足够大，而J2仍然小于J1绝对值的一半并且对于tc＝0.45nm观察到非共线耦合。随着耦合层20的厚度tc增加到0.5nm，J2急剧减小并且没有观察到非共线耦合。
如果x增加到44.2，则在耦合层20厚度tc在约0.4nm和0.55nm之间时观察到非共线角度下的非共线耦合。如果x增加到50.4，则在耦合层20的厚度tc在约0.5nm和0.65nm之间时观察到在100°和180°之间的角度下的非共线耦合。如果x增加到55.3，则在耦合层20的厚度tc在约0.45nm和0.9nm之间时观察到在约30°和180°之间的角度下的非共线耦合。
从图10中可以看出，对于x＝36.8、44.2、50.4和55.3，随着Co(即x)的浓度增加，非共线耦合角度相对于耦合层20的厚度tc的变化率减小。因此，随着x增加，可以在更大的厚度tc范围上实现非共线耦合。此外，对于x＝36.8、44.2、50.4和55.3，非共线耦合角度相对于耦合层20的厚度tc的关系至少在0.4nm以上是近似线性的。如图所示8和9，这种线性关系可能是由于对于x＝36.8、44.2、50.4和55.3的相对较大的双二次强度J2与对于x＝36.8、44.2、50.4和55.3的平滑的不断变化的双线性耦合强度J1的结合的缘故。
如果x增加到59.8，则在耦合层20的厚度tc在约0.5nm和1.1nm之间时观察到在0°和180°之间的角度下的非共线耦合。然而，与x＝36.8、44.2、50.4和55.3相反，对于x＝59.8，非共线耦合角度相对于耦合层20的厚度tc的关系不是线性的。取而代之的是，对于在约0.75nm至0.85nm之间的耦合层20的厚度值tc，耦合角度在85°至95°附近的角度范围内相对恒定(低斜率)。因此，可以相对容易地实现接近85°至95°的耦合角度当x＝59.8时，关于耦合层20的厚度值tc在0.75nm至0.85nm之间的这个相对恒定的耦合角度可能是由于当x＝59.8时，与相对恒定的双线性耦合强度J1相结合的大双二次耦合强度J2出现在耦合层20的厚度值tc在0.75nm至0.85nm之间的缘故，如图8和9所示。
如果x增加到61.2，则在耦合层20的厚度tc在约0.6nm和1.6nm之间时处观察到在15°和155°之间的角度下的非共线耦合。与x＝36.8、44.2、50.4、55.3和59.8相反，对于耦合层20的厚度tc在约0.6nm和1.6nm之间的值，对于x＝61.2没有抗铁磁地耦合。对于在大约00.6nm和0.9nm之间的耦合层20厚度tc的值，对于x＝61.2，非共线耦合角度相对于耦合层20的厚度tc的关系近似是线性的。然而，类似于x＝59.8的情况并且由于类似的原因，对于耦合层20的厚度tc在0.9nm到1.0nm之间的值，耦合角度在85°到95°附近的角度范围内相对恒定(低斜率)。对于耦合层20厚度tc在1.1nm至1.2nm之间的值，耦合角度在130°附近也相对恒定。因此，实现130°附近的耦合角度可能相对容易。然而，耦合角度从在耦合层20的厚度tc(1.3nm)处的大约150°减小到在耦合层20厚度tc(1.6nm)处的大约55°。耦合角度的这种减小可能是由于关于耦合层20的厚度tc在x＝61.2时的这种值的弱双二次耦合强度J2的缘故。
如果x增加到63，则在耦合层20的厚度tc在大约1.2nm和1.8nm之间时观察到在110°和140°之间的角度下的非共线耦合。如果x增加到63.6，则在耦合层20的厚度tc在大约1.0nm和1.4nm之间时观察到在45°和60°之间的角度下的非共线耦合。
从图10中还可以看出，对于大于0且小于60的x值，可以实现根据RuCo实施例制造的磁性结构的第一磁性层30和第二磁性层40之间的抗铁磁地耦合。对于根据RuCo实施例制造的磁性结构，图10示出了在36.8≤x≤63.6的范围内选择原子浓度参数x并且在～0.38nm≤tc≤～1.8nm的范围内选择耦合层厚度tc的非共线耦合角度。本领域技术人员将理解，根据图8、9和10中提供的实验数据，可以通过在这些范围内适当选择参数x和/或tc来制造非共线耦合结构。
图11描绘了关于根据RuCo实施例制造的磁性结构，作为原子浓度参数x的函数的耦合层厚度tc的曲线图。图11还示出了什么样的原子浓度参数x和耦合层厚度值tc导致根据RuCo实施例制造的结构呈现出铁磁耦合、抗铁磁地耦合和非共线耦合。区域B表示第一磁性层30和第二磁性层40的抗铁磁地耦合，区域C表示第一磁性层30和第二磁性层40的非共线耦合，而图11的区域D表示第一磁性层30和第二磁性层40的铁磁耦合。区域A和B由边界E分开，区域B和C由边界F分开，区域C和D由边界G分开。在区域C内的线H表示大约90°的非共线耦合角度。边界E代表铁磁耦合。
对于图11中所示的RuCo实施例的结构和对于约20-55的任何原子浓度参数x，在其上出现抗铁磁地耦合或非共线耦合的厚度tc的范围(即，边界E和边界G之间的tc的范围)随x增加。类似地，在相同的浓度参数范围(20≤x≤55)至少，在其上出现非共线耦合的厚度tc的范围(即，边界F和边界G之间的tc的范围，或者等效地，tc在区域C中的范围)随x增加。在其上出现非共线耦合的更大范围的厚度tc的情况下，因为耦合层厚度tc的公差更大，所以制造提供非共线耦合的耦合层20变得更容易。在x低于约36.8的情况下，对于其而出现非共线耦合的耦合层20的厚度值tc的范围相对小于关于高于约36.8的x的耦合层20的厚度值tc的范围。例如，在x＝20时，对于大于约0.35nm且小于约0.4nm的tc值，可以观察到非共线耦合。另一方面，在x＝44.2时，观察到对于大于约0.35nm且小于约0.5nm的tc值出现非共线耦合，而在x＝55.3时，观察到对于大于约0.45nm且小于约0.9nm的tc值出现非共线耦合。
对于以下x值和tc的相应值，在根据RuCo实施例制造的结构中可能出现非共线耦合：
·对于37<x<44，(0.0014x+0.3)<tc[nm]<(0.017x-0.17)；
·对于44<x<50，(0.0072x+0.064)<tc[nm]<(0.017x-0.18)；
·对于50<x<55，(0.0072x+0.044)<tc[nm]<(0.044x-1.52)；
·对于55<x<60，(0.03x-1.2)<tc[nm]<(0.044x-1.54)；和
·对于60<x<63，(0.14x-7.8)<tc[nm]<(0.07x-2.61)。
在x＝37以下，可能出现非共线，但仅限于非常小的厚度范围tc。对于大于64的x目前没有实验结果可用。然而，预期当x大于64时，对于某些tc值可能出现非共线耦合。
随着耦合层厚度值tc增加，磁性层30、40之间的耦合强度可能由于磁性层30、40之间的距离增加而减弱。
对于如磁性结构10那样的磁性结构的制造，如果在对其出现非共线耦合的给定x值下的tc值范围相对较大，则结构可靠性、制造的容易性和/或制造的一致性可能是有益的。类似地，如果对其出现特定非共线耦合角度(或非共线耦合角度的特定范围)的tc值范围较大，则制造的容易性和/或制造的一致性可能是有益的。这可以允许减小制造公差，同时仍然实现具有特定耦合角度(或角度范围)的非共线耦合或非共线耦合。
图12A是描绘对于Co(tm1)/Ru100-xFex(0.75nm)/Co(tm2)的磁性结构10的磁性层30、40的两个不同厚度tm1、tm2，耦合角度对原子浓度参数x的依存关系的曲线图，其中tm1近似等于tm2。从图12A可以看出，所描绘的两种结构都呈现出对于x≥～79的非共线耦合。然而，通常，图12A示出了耦合角度依赖于磁性层30、40的原子浓度参数x和厚度tm1、tm2，其中tm1近似等于tm2。从图12A还可以看出，在Co(tm1)/Ru100-xFex(0.75nm)/Co(tm2)的磁性结构10的情况下，对于较低厚度值tm1、tm2，非共线耦合出现在原子浓度参数值(和较低值)x的较宽范围，而对于较大的厚度值tm1、tm2，耦合角度相对于参数x的变化率更大。图12A示出了磁性层厚度tm1、tm2与正交或接近正交非共线耦合无关可以在原子浓度参数x的相对相似值处出现。然而，当正交或接近正交非共线耦合出现时，耦合角度相对于原子浓度参数x的变化率可能不同，如图12A中当曲线穿过正交的非共线耦合线时通过曲线的变化陡度可以看出的那样。虽然图12A示出了耦合角度对原子浓度参数x的依存关系对于等于2nm或8nm的tm1和tm2是不同的，但是预期tm1和tm2的较小实质差异将对耦合角度对原子浓度参数x的依存关系产生很小的实质性影响。例如，预期如果tm1和tm2大于1.5nm且小于3nm，则耦合角度对原子浓度参数x的依存关系将相对相似(例如在10％、5％或2％内)。
图12B是描绘对于Co(tm1)/Ru100-xCox(tc)/Co(tm2)的磁性结构的耦合层20的三个不同值的厚度tc，耦合角度对原子浓度参数x的依存关系的曲线图。从图12B可以看出，耦合角度依赖于耦合层20的原子浓度参数x和厚度tc。还可以看出，当耦合层20较薄(即，对于较低的tc值)时，对于较低的原子浓度参数值x出现非共线耦合，并且对于较大的耦合层厚度值tc，耦合角度相对于非共线耦合区域中的原子浓度参数值x的变化率较大。当耦合层20较薄(即，对于较低的tc值)时，由于磁性材料从磁性层30、40扩散到耦合层20的相对较大的影响(在较小的tc值时)的缘故，对于原子浓度参数x的较低值可能出现非共线耦合。
图13A和13B分别作为Co(tm1)/Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)的磁性结构10的耦合层20的厚度tc的函数，描绘了第一磁性层30和第二磁性层40之间的磁耦合的双线性耦合强度J1和双二次耦合强度J2的依存关系。图13C示出了第一磁化方向32和第二磁化方向42的耦合角度对于Co(tm1)Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)的磁性结构10的厚度tc的依存关系。图13A、13B和13C的这些曲线图类似于关于根据RuCo实施例制造的磁性结构10的图8、9和10的曲线图。
对于原子浓度参数x＝51，双线性耦合强度J1为负，双线性耦合强度J1对于低值的耦合层20厚度tc急剧增加。当双线性耦合强度J1越过正值时，J1在tc值从约0.58nm增加到约1.1nm时保持相对恒定。对于在原子浓度参数x为51的Co(tm1)/Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)的磁性结构10的双二次耦合强度J2当耦合层20的厚度tc近似为0.5nm时最大，并且双二次耦合强度J2随着耦合层20的厚度tc增加而减小。
图13C示出了第一磁化方向32和第二磁化方向42的耦合角度对于具有原子浓度参数x的不同值的Co(tm1)/Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)的一对磁性结构10的厚度tc的依存关系。从图13C可以看出，当对于x＝51厚度tc大于约0.5nm且小于约0.8nm，而对于x＝57厚度tc大于约0.7且小于约0.85nm时，可以对Co(tm1)/Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)的磁性结构10实现非共线耦合。当厚度tc高于0.85nm时，对于51≤x≤57，Co(tm1)/Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)的磁性结构10在第一磁性层30和第二磁性层40之间呈现出抗铁磁地耦合。图13A、13B、13C中呈现的关于Co(tm1)/Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)的磁性结构10的结果类似于图8、9和10的关于根据RuCo实施例制造的磁性结构10的曲线图中所示的结果。因此，尽管关于Co(tm1)/Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)实施例的实验结果有限，但本领域技术人员可以基于所示的实验数据选择参数x和/或tc来实现呈现出非共线耦合的Co(tm1)/Ru100-xNix(tc)/Co(tm2)的磁性结构。
图14示出了对于具有不同x值的Co(2.0nm)/Ru100-xFex(0.75nm)/Co(2.0nm)的多个磁性结构10，作为外部磁场H的函数的归一化磁化强度，其中49≤x≤68.5。如本申请所讨论的饱和场被定义为沿施加的场方向完全饱和第一磁性层30和第二磁性层40所需的最小外部磁场(例如，沿着所施加的外场方向对准磁矩32、42)。在饱和场或其以上，归一化磁化强度M/Ms等于1。M是在给定外部磁场H下测得的磁化强度，Ms是饱和磁化强度。在图14中，垂直实线用于为每个x值(例如，对于x＝49、55.4、61和68.5中的每一个)标识磁性结构10的饱和场。
从图14中可以看出，如果Fe浓度x大于60，则图14的结构中的饱和场显著增加。抗铁磁地耦合的饱和场随J1和J2增大而增加，使得J2≤1/2J1。因此，图14中所示的饱和场的增加是由于当x高于60时双线性耦合强度J1的增加以及当x高于60时出现的大J2值。对于小于60的x，看到J2明显更小，这导致x的较小饱和场低于60。如果x高于60且x低于观察到非共线耦合的值，则预期对于具有磁性层30、40(具有宽范围的材料(例如，除纯Co之外))的Ru100- xFex耦合层的结构，抗铁磁地耦合强度会增加。
图15是关于Ni(tm1)/Ru100-xFex(0.75nm)/Ni(tm2)的磁性结构10的作为x的函数的J1和J2的曲线图。对于Ni(tm1)/Ru100-xFex(0.75nm)/Ni(tm2)的磁性结构10，对于大于约60且小于约74的x值，实现Ni磁性层之间的抗铁磁地耦合。如果x低于60，则Ni磁性层30、40之间的抗铁磁地耦合迅速减小(J1和J2均近似为零)。
如果磁性结构10具有结构Co(tm1)/Ru(tc)/Co(tm2)，则在Co磁性层30、40之间横跨Ru耦合层20的抗铁磁地耦合强度，对于大于约0.35nm且小于约1.1nm的耦合层20的厚度tc，相对较大(例如对于Co(tm1)/Ru(0.75nm)/Co(tm2)，双线性耦合强度J1约为0.65mJ/m2，而双二次耦合强度J2大约接近零)。相反，如果磁性结构10具有Ni(tm1)/Ru(tc)/Ni(tm2)结构，则Ni磁性层30、40之间横跨Ru耦合层20的抗铁磁地耦合强度和饱和场很弱(例如，为零或接近于零)。然而，如果磁性结构10具有Ni(tm1)/Ru100-xFex(tc)/Ni(tm2)，其中x大于约60且小于约74，则第一磁性层30和第二磁性层40之间的抗铁磁地耦合强度和饱和场与具有结构Co(tm1)/Ru(tc)/Co(tm2)的磁性结构10的抗铁磁地耦合强度和饱和场相当。这可以在图15中看到，其中对于Ni(tm1)/Ru(0.75)/Ni(tm2)，J1和J2的量值从x＝60增加到x＝74。
对于如图15所示的Ni(tm1)/Ru29.5Fe70.5(0.75nm)/Ni(tm2)的结构10，该抗铁磁地耦合强度和饱和场与Co(tm1)/Ru(0.75nm)/Co(tm2)的抗铁磁地耦合强度和饱和场的相当。在Ni(tm1)/Ru22.2Fe77.8(1.6nm)/Ni(tm2)的磁性结构中Ni的第一磁性层30和第二磁性层40之间也可能出现抗铁磁地耦合。存在许多结构，其中第一磁性层30和第二磁性层40可以优选包括Ni。以前，Ni磁性层之间的抗铁磁地耦合是通过使用具有第一层Co(或Fe或Co或Fe合金)、第二层Ru和第三层Co(或Fe或Co或Fe合金)的膜分离Ni磁性层来实现。通过使用Ru100-xFex耦合层20，可以避免添加Co界面层。
Fe和Ru之间存在很大的价格差异。Ru是铂族的成员，使其成为一种昂贵的材料。因此，在其他条件相同的情况下，耦合层20包括相对高浓度的Fe和相对低浓度的Ru(与相对低浓度的(或没有)Fe和相对较高浓度的Ru相比)因为用于耦合层的材料的价格急剧降低，所以对于商业应用而言是理想的。
图16和17分别示出了关于Co(2.0nm)/Ru100-xFex(tc)/Co(2.0nm)的多个磁性结构10的J1和J2，，其中x＝0(图17中未示出)、22.6、70.55、72.15、75、77.8和79，而tc大于0.4且小于1.35nm。图16表明J1对于x＝0和22.6以及在0.4和0.5nm之间的tc是最大的。对于x＝70.55、72.15和75，J1随着tc的增加而减少。对于大于0.55且小于0.75nm的tc，关于x＝70.55、72.15和75的J1大于关于x＝0和22.6的J1。对于x＝77.8，J1对于Co(2.0nm)/Ru100-xFex(tc)/Co(2.0nm)中的0.45和1.3nm之间的tc而言几乎为零。对于x＝79，J1对于Co(2.0nm)/Ru100-xFex(tc)/Co(2.0nm)中大于0.55且小于1.35nm的tc而言是负值。因此，图16示出了J1对于x的依存关系。
图17示出了J2随着x的增加而增加。对于x＝22.6，对于大于小于0.4且小于1.1nm的tc而言J2几乎为零。对于x＝0、22.6、70.55、72.15、75、77.8和79，J2随着大于约0.47且小于0.9nm的tc的增加而增加。对于x＝77.8和79，J2相对较大(例如，量值与关于Co(tm1)/Ru(0.4nm)/Co(tm1)的磁性结构10的J1相当)。
图18描绘了对于具有不同耦合层20的各种磁性结构10，耦合角度作为原子浓度参数x的函数的曲线图。在图18所示的磁性结构10中，第一磁性层30和第二磁性层40的磁矩32、42之间的耦合，随着x增加而从抗铁磁到非共线性到铁磁。对于较低的x值，第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合是抗铁磁的。随着x进一步增加(即，视具体情况，Co、Ni或Fe的原子浓度相对于第一组元素24——Ru或Cr的原子浓度进一步增加)，耦合转变到非共线耦合，其中第一磁性层30和第二磁性层40的磁矩32、42之间的角度是非共线角度。x的进一步增加导致铁磁耦合，其中第一磁性层30和第二磁性层40的磁矩32、42之间的角度是0°。
可能需要x在耦合层20中的范围(对于该范围，磁性层30、40之间的耦合是非共线的)尽可能大，该范围在本申请中称为Δx。增加的Δx能够更好地控制第一磁性层30和第二磁性层40在磁性结构10中的磁矩32、42之间的角度相对大的Δx通过减少对x的严格制造公差和第二组元素24在第一组元素22中的分布的必要性而有助于制造耦合层20。在一些实施例中，因为第一磁性层30和第二磁性层40的原子以及耦合层20的原子可以彼此相互作用(例如，来自第一磁性层30和第二磁性层40的原子可以扩散到耦合层20中)，所以Δx可依赖于第一磁性层30和第二磁性层40的成分以及耦合层20的成分和/或厚度tc。
已经采用纯(或几乎纯)Ru耦合层来建立磁性层之间的抗铁磁地耦合。本发明的一个方面提供这样的方案：通过将第二组元素24(例如，磁原子)添加到Ru(例如第一组元素22)，可以根据需要控制第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合角度图18示出了磁矩32、42之间的角度如何依赖于x，其中第一磁性层30和第二磁性层40包括Co、Fe、Ni、NiFe、CoNi和CoFeB。从图18可以看出：
·对于Ni(tm1)/Ru100-xFex(0.75nm)/Ni(tm2)的磁性结构10，如果x小于或等于约70.5，则观察到第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合是抗铁磁的。如果x大于约70.5且小于约89.5(或甚至94)，则第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合角度是非共线的。
·对于Co(tm1)/Ru100-xFex(0.75nm)/Co(tm2)的磁性结构10，如果x小于或等于约68.2，则观察到第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合是抗铁磁的。如果x大于约68.2且小于约80.4(或甚至82)，则第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合角度是非共线的。
·对于Co(tm1)/Ru100-xCox(0.75nm)/Co(tm2)的磁性结构10，如果x小于或等于约50.3，则观察到第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合是抗铁磁的。如果x大于约50.3且小于约61.2(或甚至64)，则第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合角度是非共线的。
·对于Co(tm1)/Ru100-x(Co100-yFey)x(0.55nm)/Co(tm2)的磁性结构，其中y＝50，如果x小于或等于约59.0，则第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合是抗铁磁的。如果x大于约59.0且小于约76.5(或甚至80)，则观察到第一磁性层30和第二磁性层40之间的耦合角度是非共线的。观察到在Co(tm1)/Ru100-x(Co100-yFey)x(0.55nm)/Co(tm2)的结构中从抗铁磁到铁磁耦合的转变，对于比关于Co/Ru100-xCox(7.5A)/Co更大的原子浓度参数x，以比关于Co/Ru100-xFex(7.5A)/Co更低的磁原子浓度出现，这将关于图23更详细地讨论。
·在200℃下对Co(tm1)/Ru100-xFex(0.75nm)/Co(tm2)的磁性结构10(即，由图18中的实心菱形实线表示)进行退火之后，在更大范围的x值上观察到非共线耦合。在更大范围的x值(包括退火之前的较低x值)上出现非共线耦合可能是由于磁性材料从磁耦合层30、40扩散到耦合层20中。还可以看出，第一Co层30和第二Co层40的磁矩之间的角度从关于x＝60.9的140°变化到关于x＝76的57.6°。第一磁化方向32和第二磁化方向42之间的角度的变化可能是由于原子在第一磁性层30和第二磁性层40与耦合层20之间的界面处的相互扩散。
从图18中可以看出，用于RuCo耦合层20的磁性层30、40的材料成分的变化可以增加或减小对于其观察到非共线耦合的x值。还应该理解，用于除RuCo之外的耦合层20的磁性层30、40的材料成分的变化将具有类似的效果。例如，预期用CoNi代替用于RuFe耦合层20的Co磁性层30、40将降低原子浓度参数x值，对于该原子浓度参数x值，将以类似于观察到用CoNi代替用于RuCo耦合层20的Co磁性层30、40(形成图18中的数据)会减少对于其观察到非共线耦合的原子浓度参数x值的方式，观察到非共线耦合。
图19示出了对于具有不同值的原子浓度参数x的Co(tm1)/Ru100-xFex(tc)/Co(tm2)的多个磁性结构10，第一磁化方向32和第二磁化方向42的耦合角度对厚度tc的依存关系。从图19中可以看出，对于给定的Ru100-xFex耦合层20的成分(例如原子浓度参数x)，耦合角度在很宽范围的厚度值tc上相对恒定。例如，图19示出了对于Ru22.2Fe77.8的耦合层20，磁矩32、42之间的耦合角度对于大于0.47nm且小于0.94nm的tc而言大于90°。对于Ru25Fe75的耦合层20，磁矩32、42之间的耦合角度对于大于0.5nm且小于0.875nm的tc而言是相对恒定的(例如，)，并且对于大于1.0nm且小于1.25nm的tc而言也是相对恒定(例如，)。对于Ru27.85Fe72.15的耦合层20，磁矩32、42之间的耦合角度对于大于0.55nm且小于0.82nm的tc而言是相对恒定(例如， )。对于Ru29.45Fe70.55的耦合层20，磁矩32、42之间的耦合角度对于大于0.63nm且小于0.81nm的tc而言是相对恒定(例如 )。从图19中可以理解，为了在Co(tm1)/Ru100-xFex(tc)/Co(tm2)的磁性结构中获得磁矩32、42之间的所需耦合角度精确控制Ru100-xFex耦合层20的成分(例如原子浓度参数x)比精确控制耦合层20的厚度tc更重要。尽管图19仅描绘了关于x值为70.55、72.15、75、77.8和79的数据，但应该理解，可以从图19的数据推断出70.55和79之间的值。例如，应该预期，表示x为71的线将介于关于x为70.55和72.15的数据之间。还应该理解，图19中呈现的数据可以外推到0.4nm的tc。
图20示出了Co(2nm)/Ru100-xCox(tc)/Co(2nm)和Co(2nm)/Ru22.2Fe77.8(tc)/Co(2nm)的多个磁性结构10的关于作为tc的函数的饱和场。对于tc大于0.4nm且小于0.55nm的Ru56.8Co44.2的耦合层20，饱和场相对恒定。对于tc大于0.55nm且小于0.9nm的Ru44.7Co55.3的耦合层20，饱和场相对恒定。对于x大于59.8且小于61.2并且tc大于0.7nm且小于1.2nm的Ru100-xCox的耦合层20，饱和场相对恒定。当tc大于约0.9nm且小于约1.3nm时，Ru22.2Fe77.8的耦合层20的饱和场相对恒定。饱和场相对恒定的这种tc值可以便于以相对低的成本和相对高的可靠性进行制造(当与具有饱和场相对恒定的较低tc值的结构相比时)，由此可以提高制造技术和所得磁性结构10的可预测性和可靠性。对于x＝77.8(以及未示出的其他值)的Ru1-xFex的耦合层20，可以实现比Ru1-xCox的耦合层20高得多的饱和场(如图20中关于约0.45nm的tc所见)。
对于Co(tm1)/Ru(tc)/Co(tm2)的磁性结构，在Co-Ru界面处可能存在Co和Ru的混合或相互扩散。鉴于Ru耦合层20可能仅是几个单层的厚度(例如，从小于2到约10个单层)，Co浓度可以在Co-Ru界面(例如，耦合层20与第一磁性层30和第二磁性层40之间的界面)处较大，而在Ru耦合层20的中心附近较小。当纯(或几乎纯)Ru层小于约5个单层厚时，可以观察到Co呈现在整个Ru耦合层20上。尽管如此，扩散到Ru中的Co的量可能太低而不能引起非共线耦合，而仅观察到抗铁磁地耦合。
本发明的一个方面提供了诸如Pt和Pd之类的磁极化或可极化材料可以代替至少一个第二(磁性)组元素24的一部分，使得耦合层20包括来自第一组元素22中的至少一种元素，来自第二组元素24中的至少一种元素和至少一种可极化元素(例如Pt或Pd)。对于图21中所示的Co/Ru1-x(CoPt)x(0.8nm)/Co的结构可以看出这一点。尽管对于纯Ru1-xPdx或Ru1- xPtx的耦合层(例如，没有第二组元素24)可能观察不到非共线耦合，但是如果耦合层20足够薄以使得Co(或一些其他磁性元素)从外磁性层30、40相互扩散到耦合层20，则可以实现非共线耦合。这种现象被描绘在图21中。在耦合层20相对较厚的情况下(例如，对于图21中所示的Co(tm1)/Ru1-xPdx(1.2nm)/Co(tm2)的结构)，观察到从抗铁磁地耦合到铁磁耦合的急剧转变，而几乎没有非共线耦合。另一方面，在耦合层20相对较薄的情况下(例如，对于图21中所示的Co(tm1)/Ru1-xPdx(0.8nm)/Co(tm2)的结构)，Ru1-xPdx耦合层20足够薄以使得Co在其整个厚度上相互扩散，使得耦合层20实际上包括Ru1-y(CoPd)y，其中y>x并且观察到非共线耦合角度因此，在薄Ru耦合层20中添加Pd或Pt可有助于在Co磁性层30、40之间出现非共线耦合。在薄Ru耦合层20中添加Pd或Pt也可以有助于在非Co磁性层30、40之间出现非共线耦合。对于耦合层20较薄的磁性结构10，可以将Pd和Pt添加到耦合层20以实现非共线耦合。
图22描绘了对于x值为73.5、77.6、79.8和100的Co/Ru1-xMnx(0.8nm)/Co的多个磁性结构10，耦合角度对耦合层厚度tc的依存关系。对于小于或等于1.2nm的tc，纯(或相对纯)Mn显示铁磁耦合，而对于大于1.4nm，纯(或相对纯)Mn显示正交非共线耦合。对于tc小于或等于1.2nm和tc等于或大于1.4nm的行为差异的一种解释可以是，对于较低的tc值，存在Co从磁性层30、40到耦合层20的扩散，而对于较高的tc值，这种扩散几乎没有影响。
对于x大于73.5且小于79.8的Co/Ru1-xMnx(tc)/Co的磁性结构10，对于大于0.6nm且小于2.0nm的tc观察到非共线耦合。对于x是73.5或79.8的Co/Ru1-xMnx(tc)/Co的磁性结构10，非正交非共线耦合可以对低于1.6nm的tc实现(可能是由于磁性材料从磁性层30、40扩散到相对薄的耦合层20中)，而对于高于1.6nm的tc，观察到正交非共线耦合(可能是由于从磁性层30、40扩散到Mn耦合层20中的磁性材料的低“有效”浓度——由于相对大的耦合层20厚度tc而引起的低“有效”浓度)。类似地，对于x是77.6的Co/Ru1-xMnx(tc)/Co的磁性结构10，非正交非共线耦合可以对低于1.4nm的tc实现(可能是由于磁性材料从磁性层30、40扩散到相对薄的耦合层20中)，而对于高于1.4nm的tc，观察到正交非共线耦合(可能是由于从磁性层30、40扩散到Mn耦合层20中的磁性材料的低“有效”浓度)。
虽然纯(或相对纯)Mn的耦合层20可以实现正交非共线耦合，但是当将少量磁性元素添加到纯(或相对纯)Mn耦合层20时，不再观察到非共线耦合。由于Co的扩散，这可以在图22中低于tc＝0.12nm时观察到。这也针对Co/Mn96Fe4(1.4nm)/Co的磁性结构10实验地观察到，而对于这种磁性结构10不能观察到非共线耦合。此外，不可能退火具有纯(或相对纯)Mn的耦合层20的结构，同时因为退火促使磁性材料从第一磁性层30和第二磁性层40扩散到耦合层20中而保持非共线耦合。例如，形成Co/Mn(1.6nm)/Co的磁性结构10，并且发现其呈现出正交非共线耦合。然而，在Co/Mn(1.6nm)/Co的磁性结构10在200℃下退火之后，不再观察到非共线耦合(参见图1)。
在一些实施例中，可能期望在耦合层20中包括两种或更多种第二组元素24(例如，两种磁性元素)。例如，可能期望在耦合层20中包括Fe和Co、Fe和Ni或Co和Ni。此外，可能期望包括Fe和Mn、Co和Mn或Ni和Mn。
图23描绘了对于诸如Co/Ru1-x(Fe50Co50)x(0.55nm)/Co之类的各种磁性结构10而言，耦合角度对原子浓度参数x的依存关系。值得注意的是，关于Co/Ru1-x(Fe50Co50)x(0.55nm)/Co的绘制值落在关于Co/Ru1-xFex(0.75nm)/Co和Co/Ru1-xCox(0.75nm)/Co的绘制值之间。预期这种关系将对于具有两种第二组元素24(例如两种磁性元素)的其他磁性结构成立。例如，预期关于Co/Ru1-x(FeyNi100-y)x(tc)/Co的值将落在关于Co/Ru1-xFex(tc)/Co和Co/Ru1-xNix(tc)/Co的绘制值之间，关于Co/Ru1-x(CoyNi100-y)x(tc)/Co的值将落在关于Co/Ru1-xCox(tc)/Co和Co/Ru1-xNix(tc)/Co的绘制值之间，关于Co/Ru1-x(FeyMn100-y)x(tc)/Co的值将落在关于Co/Ru1-xFex(tc)/Co和Co/Ru1-xMnx(tc)/Co的绘制值之间，等等。还期望随着y对于这些结构中的每一个增加，耦合层20和所得磁性结构10将表现得(关于耦合层20的厚度tc和耦合角度其中对于该厚度tc关于x的每个值实现非共线耦合，并且该耦合角度将对于x的每个值实现)更接近于仅具有增加浓度的元素的耦合层。例如，对于Co/Ru1-x(CoyNi100-y)x(tc)/Co，y的增加将使结构表现得更接近Co/Ru1-x(Co)x(tc)/Co，相应地，y的减小将使结构表现得更接近Co/Ru1-x(Ni)x(tc)/Co。此外，预期第一组元素22(例如，上述示例中的Ru)可以用具有类似效果的其他第一组元素22替代。
例如，在Co/Ru1-x(FeyMn100-y)x(tc)/Co的情况下，随着y增加，耦合层20将表现得更像Co/Ru1-xFex(tc)/Co，而如果y减小，耦合层20将表现得(关于耦合层20的厚度tc和耦合角度其中对于该厚度tc关于x的每个值实现非共线耦合，并且该耦合角度将对于x的每个值实现)更像Co/Ru1-xMnx(tc)/Co。这将在下面结合图24、25和26更详细地讨论。
图24和25描绘了对于Co/Ru22(Fe100-yMny)78/Co，Co/Ru23(Fe100-yMny)77/Co，Co/Ru27(Fe100-yMny)73/Co和Co/Ru31(Fe100-yMny)69/Co的磁性结构，双线性耦合强度J1和双二次耦合强度J2对原子浓度参数y的依存关系。从图24和25中可以看出，随着原子浓度参数y的增加(例如，当耦合层20变得更像RuMn而更不像RuFe时)，双线性耦合强度J1和双二次耦合强度J2的量值减小。虽然仍然可以关于大于68且小于80的原子浓度参数y的值来实现在各种角度下的非共线耦合(例如通过在图22中将Co/RuMn(tc)/Co的磁性结构10与Co/RuFe(tc)/Co的磁性结构10进行比较可以看出)，但耦合强度随着原子浓度参数y的增加(即随着Mn的量增加)而降低。Co/RuMn(tc)/Co的磁性结构10的非共线非正交耦合可能由于当耦合层20可以足够在耦合层20的整个(或接近整个)厚度tc内发生扩散(例如tc足够低)时Co从磁性层30、40扩散到耦合层20中而实现。
图26描绘了对于Co/Ru22(Fe100-yMny)78/Co、Co/Ru23(Fe100-yMny)77/Co、Co/Ru27(Fe100-yMny)73/Co和Co/Ru31(Fe100-yMny)69/Co的磁性结构10，饱和场对原子浓度参数y的依存关系。从图26中可以看出，随着原子浓度参数y的增加(即随着Mn的量增加)，磁性结构的饱和场的量值减小。
虽然不是强制性的，但除非另有说明，在该部分中讨论的示例性实施例和实验结果的第一磁化方向32和第二磁化方向42是“面内”磁化方向——即第一磁化方向32和第二磁化方向42在XY平面中延伸并且基本上不在Z方向上延伸。应当理解，第一磁化方向32和第二磁化方向42(或其某个分量)可以在Z方向上延伸，然而，由于第一磁性层32和第二磁性层42的各向异性，所得耦合角度可能发生变化。大多数磁性材料具有磁各向异性。磁各向异性有几种来源，例如：由于材料形状引起的形状各向异性，由于两种材料之间的对称性变化引起的表面各向异性，由于自旋轨道耦合和晶体结构的对称性引起的磁晶各向异性，以及由磁性材料的膨胀或收缩引起的磁弹性各向异性。磁各向异性可以改变第一磁化方向32和第二磁化方向42之间的耦合角度。因此，可以考虑磁各向异性以获得磁性层30、40的磁矩32、42之间的期望耦合角度。另外，由其他磁性材料或外部磁场产生的磁场也可能改变磁性层30、40的磁矩32、42之间的耦合角度。
应用
磁性结构10和/或耦合层20可以结合到许多不同的应用(例如传感器、磁存储器装置、振荡器、二极管、微波检测器、温度传感器、能量采集器或两种或更多种上述应用的组合)中。结合磁性结构10和/或耦合层20的装置，与现有技术的装置相比可以减小尺寸，与本申请所描述的现有技术的装置相比可能需要更少的能量，与现有技术的装置相比可以更可靠和/或者可能比现有技术的装置更快。
在一些实施例中，如本申请所述的磁性结构10和/或耦合层20被结合到传感器中。通过将磁性结构10结合到传感器中，磁性结构10可以用于代替传统上在磁性传感器中使用的抗铁磁钉扎层，从而可以减小这种传感器的尺寸。磁性结构10可以允许传感器的磁性层之间更强的磁耦合，这又增加了可以由这种传感器感测的所施加磁场的范围。磁性结构10还可以允许更容易地制造传感器，并且可以减少或消除对通常在现有技术传感器的制造中涉及的退火步骤的需要。
图27A是根据本发明的一个方面的传感器100的示意图。传感器100包括磁性结构110，其可以与本申请所述的任何磁性结构10基本相似。磁性结构110包括第一磁性层130、耦合层120和第二磁性层140。传感器100的第一磁性层130具有第一磁化方向132，第二磁性层140具有第二磁化方向142。第一磁性层130和第二磁性层140横跨耦合层120彼此耦合，使得它们各自的磁化方向132、142在没有外部所施加磁场的情况下定向为相对于彼此成非共线角度传感器100还可以可选地包括分隔第二磁性层140和第三磁性层170的磁阻层160。第一磁性层130、耦合层120、第二磁性层140、磁阻层160和第三磁性层170可以一起称为传感器主体112。在实践中，传感器100可用于通过测量由于所施加磁场对传感器100的影响而导致的传感器主体112两端的阻抗变化来检测外部所施加磁场。
第三磁性层170可以基本上类似于第一磁性层130和第二磁性层140中的一个或两个，但这不是强制性的。第三磁性层170具有第三磁化方向172。
可任选地采用磁阻层160来放大传感器100两端的阻抗变化。磁阻层160不是强制性的，因为磁性结构10本身可以响应于外部所施加磁场而呈现出阻抗的变化。然而，磁性结构10的这种阻抗变化可能相对较小，并且采用磁阻层160可能是有益的。磁阻层160可包括任何合适的磁阻材料，只要其响应于磁化方向142和磁化方向172的相对角度变化而放大传感器主体112上的阻抗变化即可。
与可能被描述为“自由”的第二磁化方向142相比，第一磁化方向132可被描述为“固定的”。换句话说，第二磁化方向142可以响应于具有第一量值a的外部所施加磁场而改变方向，而第一磁化方向132将响应于具有第一量值a的外部所施加磁场而保持恒定。第一磁化方向132将仅响应于大于或等于第二量值b的外部所施加磁场而改变方向，其中b大于a。在一些实施例中，b基本上大于a。例如，b可以是a双倍或b可以是大于a的数量级。
与第一磁化方向132类似，与第二磁化方向142相比，第三磁化方向172也可以是固定的。与第一磁化方向132一样，第三磁化方向172将响应于具有第一量值a的外部所施加磁场而保持恒定，并且仅响应于大于或等于第三量值c的外部所施加磁场而改变，其中c大于a。第三量值c可以大于、小于或等于第二量值b。
在实践中，优选地，在存在具有小于第二和第三量值b和c中的每一个的量值的外部磁场的情况下使用传感器100。因此，当磁化方向在本申请中被讨论为固定时，磁化方向在存在量值小于装置的操作极限的所施加磁场的情况下将不会改变。另一方面，当磁化方向在本申请中被讨论为自由时，磁化方向在存在量值小于装置的操作极限的所施加磁场的情况下可以是可变的。
可以采用任何合适的设备或方法来固定第一磁化方向132和第三磁化方向172。例如，可以选择第一磁性层130和第三磁性层170的材料，使得磁化方向132、172是固定的，而第二磁化方向142是自由的。替代地，附加磁性层可以耦合到第一磁性层130和第三磁性层170中的一个或两个，从而固定第一磁化方向132和第三磁化方向172。在一些实施例中，可施加辅助施加场以固定第一磁化方向132和第三磁化方向172中的一个或多个。
第一磁化方向132和第二磁化方向142之间的角度差可以被描述为第一角度α，并且第一磁化方向132和第三磁化方向172之间的角度差可以被描述为第二角度β。
在一些实施例中，在没有施加场或热的情况下，第一角度α约为90°，而第二角度β约为180°。因为当第二磁化方向142和第三磁化方向172相对于彼此成90°时，传感器100的阻抗变化相对更线性，所以这样的实施例可以提高传感器100的灵敏度。在其他实施例中，第一角度α和第二角度β分别不等于90°和180°，但是可以选择使得第二磁化方向142和第三磁化方向172相对于彼此成90°。
尽管图27A的传感器100的实施例描绘了第一磁化方向132、第二磁化方向142和第三磁化方向172在X-Y平面内延伸，但这不是强制性的。第一磁化方向132、第二磁化方向142和第三磁化方向172可以具有X、Y和Z分量的任何组合。
电路195可以连接到第一磁性层130和第三磁性层170，以如本领域中已知那样测量传感器主体112上的阻抗。电路195可包括任何合适的阻抗测量部件以测量传感器100的阻抗。
当第二磁化方向142与第三磁化方向172之间的角度响应于具有第一量值a(小于第二量值b和第三量值c)的任何所施加磁场而改变时，发生传感器主体112的阻抗的合成变化。由于位于第二磁性层140和第三磁性层170之间的磁阻层160的缘故，可以可选地放大传感器主体112的阻抗的合成变化。传感器100可用于通过测量传感器主体112两端的阻抗来确定所施加磁场的存在和/或量值。在一些实施例中，尽管阻抗的变化可能较小，但不采用磁阻层160并且仍然可以测量传感器主体112两端的阻抗。
在一些实施例中，传感器100可以用作温度传感器。图27B是描绘第一磁性层130和第二磁性层140之间的非共线耦合角度α与温度的关系的曲线图。从图27B可以看出，第一磁性层130和第二磁性层140之间的非共线耦合角度α可以是依赖于温度的。带有菱形的实线表示配置为检测低于300K的温度的第一样本。第一样本包括Ru100-xCox耦合层120。带圆圈的实线表示配置为检测接近300K的温度的第二样本。第二样本包括Ru100-xCox耦合层120，其中x与第一样本不同。带有三角形的实线表示基于第一样本数据的第二样本数据的外推，其针对比关于第二样本测量到的温度更高的温度。由于第一磁性层130和第二磁性层140之间的非共线耦合角度α随温度变化而变化并且传感器100的阻抗随着第一磁性层130和第二磁性层140之间的非共线耦合角度α的变化而变化，所以可以基于传感器100的阻抗变化来确定传感器100的温度。温度传感器100可以通过改变如本申请所讨论的耦合层120的原子浓度参数x、耦合层120的厚度tc、耦合层120的成分、磁性层30、40的厚度tm1、tm2或者磁性层30、40的成分而配置用于不同的温度范围，使得耦合角度α对温度的依存关系的线性或大致线性区域在期望的温度范围上居中或接近居中。
在一些实施例中，本申请公开的磁性结构10和/或耦合层20可以被结合到磁存储器装置中。合并磁性结构10的磁存储器装置可以以减小的电流起作用以在状态之间切换，并且可以具有更高的切换可靠性。此外，与现有技术的磁存储器装置相比，由于状态之间所需的角度变化较小，状态之间的切换可能需要较少的时间和/或电流。
本申请公开的磁性结构10和/或耦合层20可以用在存储器装置中，以将存储器装置的自由磁化方向设置为相对于存储器装置内的其他磁化方向成非共线角度，以设置存储器装置的固定磁化方向相对于存储器装置内的其他磁化方向成固定非共线角度，或者将存储器装置的自由磁化方向设定为相对于存储器装置的固定磁化方向成非共线角度。通过采用如本申请所述的磁性结构10和/或耦合层20，可以在不可能的角度(例如在本申请中进一步描述的图29中的角度)下实现稳定状态。
图28是根据本发明的一个实施例的磁存储器装置200的示意图。除了如下所述之外，磁存储器装置200基本上类似于传感器100。例如，磁存储器装置200包括：磁性结构210，其类似于磁性结构110；第一磁性层230、第二磁性层240和第三磁性层270，其分别具有第一磁化方向232、第二磁化方向242和第三磁化方向272，该第一磁性层230、第二磁性层240和第三磁性层270分别类似于分别具有第一磁化方向132、第二磁化方向142和第三磁化方向172的第一磁性层130、第二磁性层140和第三磁性层170；第一耦合层220，其类似于耦合层120；磁阻层260，其类似于磁阻层160；以及电路295，其类似于电路195。磁存储器装置200与传感器100的不同之处在于，它还包括可选的第二耦合层280和可选的第四磁性层290(第二耦合层280和第四磁性层290用于固定第一磁化方向232并且可以由用于固定第一磁化方向232的任何其他合适机构替代)。第一磁性层230、第二磁性层240、第三磁性层270和第四磁性层290，第一耦合层220和第二耦合层280以及磁阻层260可以一起称为存储器装置主体212。
第四磁性层290可以与本申请公开的任何磁性层(例如，磁性层30、40、70、130、140、170、230、240、270等)基本相似，但这不是强制性的。
耦合层220可以基本上类似于本申请公开的任何耦合层(例如耦合层20、120等)，但这不是强制性的。
第一磁性层230和第二磁性层240可以在一第一状态或一第二状态下非共线地耦合，在该第一状态下第一磁化方向232相对于第二磁化方向定向成θ°(例如，沿顺时针方向)，而在该第二状态下第一磁化方向232相对于第二磁化方向定向在-θ°(例如，沿逆时针方向)。
与可以被描述为自由的第二磁化方向242相比，第一磁化方向232可以是固定的。与第一磁化方向232类似，与第二磁化方向242相比，第三磁化方向272也可以是固定的。
可以采用任何合适的设备或方法来固定第一磁化方向232和第三磁化方向272。例如，可以选择第一磁性层230和第三磁性层270的材料，使得磁化方向232、272是固定的。替代地，诸如第四磁性层290之类的附加磁性层可以通过诸如第二耦合层280之类的耦合层耦合到第一磁性层230和第三磁性层270中的一个或两个，从而固定第一磁化方向232和第三磁化方向272。
在图28中，第一磁化方向232和第二磁化方向242被描绘为在平面内(例如，在由X和Y方向限定的XY平面中)。这不是强制性的。第一磁化方向232和/或第二磁化方向242可以部分地或完全在Z方向上延伸，或者第一磁化方向232和第二磁化方向242中的一个或多个可以在X、Y和Z方向的某种组合中延伸。例如，图30A描绘了延伸出XY平面的第一磁化方向432和第二磁化方向442。
通过自旋扭矩传递(例如，通过电路295施加电流)，可以使第二磁性层240的第二磁化方向242在其第一和第二状态之间变化。通过使电流通过第三磁性层270，来极化电流。通过使极化电流通过第二磁性层240，极化电流使第二磁性层240从其第一稳定状态改变为其第二稳定状态(反之亦然)。用于改变第二磁性层240的状态的电荷量可以依赖于第二磁性层240的第一状态和第二状态之间的角度差。可以通过减小第二磁性层240的第一和第二状态之间的角度差来减少电荷。减小第二磁性层240的第一和第二状态之间的角度差可以利用非共线耦合(例如通过采用磁性结构10和/或耦合层20，如本申请所述)来实现。
通过以非共线角度耦合第一磁化方向232和第二磁化方向242，与铁磁耦合和/或抗铁磁地耦合相比，在其第一和第二状态之间改变第二磁性层240的电流量急剧减小。此外，可以减少在稳定状态之间切换的时间，并且磁存储器装置200的切换的可靠性可以比先前的装置相对更大。
当第二磁性层240处于其第一状态时，存储器装置主体212两端的阻抗(可由电路295测量)具有第一值。当第二磁性层240处于其第二状态时，存储器装置主体212两端的阻抗(可由电路295测量)具有不同于第一值的第二值。因此，通过确定存储体112两端的阻抗(可由电路295测量)，可以确定第二磁性层240的状态。因此，诸如比特之类的信息可以存储在磁存储器装置200上。例如，第二磁性层240的第一状态(及其相关的第一阻抗值)可以对应于“0”位，而第二磁性层240的第二状态(及其相关的第二阻抗值)可以对应于“1”位。
可以将附加层添加到磁存储器装置200以允许将附加信息存储在磁存储器装置200中。例如，图29是根据本发明另一实施例的磁存储器装置300的示意图。磁存储器装置300基本上类似于磁存储器装置200，除了它包括堆叠在彼此顶上的两个磁存储器装置200-1、200-2，其中第一磁存储器装置200-1的第三磁性层270-1还用作第二磁存储器装置200-2的第四磁性层290-2。
通过将两个磁存储器装置200-1、200-2堆叠在彼此顶上，磁存储器装置300可以具有四个单独的状态，其可以表示存储在磁存储器装置300上的信息。特别地，磁存储器装置300可以具有：
·状态A，其中第一磁存储器装置200的第二磁性层240-1处于第一状态，而第二磁存储器装置200的第二磁性层240-2处于第一状态；
·状态B，其中第一磁存储器装置200的第二磁性层240-1处于第一状态，而第二磁存储器装置200的第二磁性层240-2处于第二状态；
·状态C，其中第一磁存储器装置200的第二磁性层240-1处于第二状态，而第二磁存储器装置200的第二磁性层240-2处于第一状态；以及
·状态D，其中第一磁存储器装置200的第二磁性层240-1处于第二状态，而第二磁存储器装置200的第二磁性层240-2处于第二状态。
与第二磁性层240-2相比，第一磁性层240-1可能需要将不同的切换电流施加到磁存储器装置300以在其第一和第二状态之间切换。因此，第二磁性层240-1的状态可以独立于第二磁性层240-2的状态而改变。第一磁性层240-1的切换电流可能与第二磁性层240-1的切换电流的不同之处在于，极化可以是不同的，施加电流的时间量可以是不同的，等等。在一些实施例中，切换电流依赖于第一和第二状态之间的角度变化的量值(例如，可能需要更多电流以在具有更大角度差的状态之间进行改变)。通过采用非共线耦合(例如，通过采用磁性结构10和/或耦合层20)，可以减小第一和第二状态之间的角度变化量值。
虽然图29描绘了具有两层磁存储器装置200的磁存储器装置300，但是应该理解，可以堆叠多于两层的磁存储器装置200以形成更复杂的存储器状态。例如，在三个磁存储器装置200堆叠在彼此顶上的情况下，将存在八种可能的存储器状态。随着更多层的添加，潜在的存储器状态数按照2的幂来增加。
磁性结构10和/或耦合层20可以用在振荡器装置、二极管、微波检测器和/或能量采集器中。通过采用磁性结构10和/或耦合层20，可以使自由磁化方向与磁性层的进动角度对准，以允许自由磁化方向的进动。在一些实施例中，采用非正交非共线耦合来将自由磁化方向与磁性层的进动角度对准，以允许自由磁化方向的进动。在没有非正交非共线耦合的情况下，很难实现自由磁化方向的进动。
图30A是描绘根据本发明的非限制性实施例的振荡器装置400的示意图。除了以下方面外，振荡器装置400基本上类似于传感器100。振荡器装置400包括：类似于磁性结构110的磁性结构410；具有第一、第二和第三磁化方向432、442、472的第一、第二和第三磁性层430、440、470，其类似于第一、第二和第三磁性层130、140、170；类似于耦合层120的第一耦合层420；类似于磁阻层160的磁阻层460；类似于传感器主体112的振荡器主体412；以及类似于电路195的电路495。振荡器400与传感器100的不同之处在于，如本申请进一步讨论的，第一、第二和第三磁化方向432、442、472可以与第一、第二磁化方向132、142和第三磁化方向172不同。
在图30A的实施例中，第一磁化方向432和第三磁化方向472是固定的，而第二磁化方向442是自由的。
第一磁化方向432和第二磁化方向442横跨耦合层420彼此耦合，使得它们各自的磁化方向432、442在没有外部所施加磁场的情况下以相对于彼此成非共线角度定向，其中非共线角度使得第二磁化方向442与第二磁性层430的进动角度对准或大致对准。为了将第二磁化方向442与第二磁性层440的进动角度对准，可以基于第二磁性层440的材料、第二磁性层440的厚度或期望的工作电流来选择第二磁化方向442。
在一些实施例中，在没有施加磁场、热等的情况下，第三磁化方向472与第一磁化角432不平行。在一些实施例中，第三磁化方向472与第一磁化方向432正交。在一些实施例中，第一磁化方向432和第二磁化方向442之间的差即使当第二磁化方向442发生改变也保持相对恒定。另一方面，第三磁化方向472和第二磁化方向442之间的差随着第二磁化方向442改变而改变。
当由电路495将电流施加到振荡器装置400时，电流的自旋扭矩使得第二磁化方向442围绕进动轴进动。在一些实施例中，进动轴与Z方向平行或几乎平行，但这不是强制性的。当第二磁化方向442进动时，其与第三磁化方向472的关系改变。在沿其进动的一些位置中，第二磁化方向442的分量指向与第三磁化方向472相同的方向，而在沿其进动的其他位置，第二磁化方向442的分量不指向与第三磁化方向472相同的方向。随着第二磁化方向442进动，振荡器主体412两端的阻抗改变。该变化可任选地由磁阻层460放大。在磁化方向442的一次进动期间，阻抗远离最大值(当第二磁化方向442的分量指向与第三磁化方向472相同的方向时)和最小值(当第二磁化方向442的分量不指向与第三磁化方向472相同的方向时)。当磁化方向442进动时，阻抗循环通过该最小值和最大值。振荡器主体412两端的这种周期性阻抗变化产生振荡信号。通过采用磁性结构410，可以减少用于诱导进动的电流和/或所施加外场的量。
图30B是描绘根据本发明的非限制性实施例的振荡器装置500的示意图。除了以下方面外，振荡器装置500基本上类似于振荡器400。振荡器装置500包括：类似于磁性结构410的磁性结构510；具有第一、第二和第三磁化方向532、542、572的第一、第二和第三磁性层530、540、570，其类似于第一、第二和第三磁性层430、440、470；类似于耦合层420的第一耦合层520；类似于磁阻层460的磁阻层560；类似于振荡器主体412的振荡器主体512；以及类似于电路495的电路595。
振荡器500与振荡器400的不同之处在于，第一磁化方向532是自由的，而第一磁化方向432是固定的。尽管图30B示出了第一磁化方向532和第二磁化方向542以相似(但相反)的角度进动，但这不是必需的，第一和第二磁化方向532、542可以以不同的角度进动。在一些实施例中，电流可以以相反的方向通过振荡器装置500，或者不同的电流可以通过振荡器装置500以使第一和第二磁化方向532、542以不同的频率进动。
图30C是描绘根据本发明的非限制性实施例的振荡器装置600的示意图。除了以下方面外，振荡器装置600基本上类似于振荡器500。振荡器装置600包括：类似于磁性结构510的磁性结构610；具有第一、第二和第三磁化方向632、642、672的第一、第二和第三磁性层630、640、670，其类似于第一、第二和第三磁性层530、540、570；类似于耦合层520的第一耦合层620；类似于磁阻层560的磁阻层660；类似于振荡器主体512的振荡器主体612；以及类似于电路595的电路695。
振荡器600与振荡器500的不同之处在于，第二磁化方向642限制在X-Y平面中，而第二磁化方向542延伸到X-Y平面之外。由于第三磁化方向672也固定在X-Y平面中，因此第二磁化方向642和第三磁化方向672可以相对于彼此定向成0°和180°，从而与振荡器主体412、512相比，在振荡器主体612两端导致更大的阻抗变化，并且与振荡器400、500相比，导致更大振荡的信号振幅。
虽然上述实施例讨论了将直流电施加到振荡器400、500、600，但在一些实施例中，施加到振荡器400、500、600的电流是振荡的。在这样的实施例中，当振荡频率处于振荡器400、500、600的频率范围内时，由振荡器400、500、600产生的信号可以是直流电。
在另一个应用中，可以将磁场施加到振荡器400(或振荡器500、600中的任何一个)以引起或帮助磁化方向442振荡。当磁化方向442由于所施加磁场而振荡或者通过所施加磁场帮助振荡时，磁阻层460的磁阻效应可以用于为电路495供电或增加功率，从而由振荡器400(或者由振荡器500、600中的任何一个)获得能量。在一些实施例中，所施加磁场可以是地球的磁场。
在一些实施例中，振荡器400、500、600可各自用于感测一个或多个外部磁场。
在另一个应用中，可以采用热波动来引起或帮助振荡器400的磁化方向442(或振荡器500、600各自的磁化方向542、642之一)振荡。当磁化方向442由于热波动而振荡或由热波动帮助振荡时，磁阻层460的磁阻效应可用于为电路495供电或增加功率，从而由振荡器400(或振荡器500、600之一)获得能量。在一些实施例中，热波动可以与所施加磁场或/和所施加的电流组合以引起磁化方向442振荡。
在一些实施例中，传感器100、存储器装置200(和/或300)、振荡器400(和/或500、600)中的一个或多个可以通过以类似于存储器装置300包括堆叠在彼此顶上的两个存储器装置200的方式，将两个或更多个堆叠在彼此顶上而组合以形成单个装置。在一些这样的实施例中，两个或更多个堆叠装置可以共享一个或多个磁性层、耦合层和/或磁阻层，但这不是强制性的。
图31A和31B是根据本发明的一个实施例的组合以形成单个装置700的振荡器装置702和存储器装置704的示意图。振荡器装置702基本上类似于振荡器500。振荡器装置700包括：类似于磁性结构510的磁性结构710；具有第一、第二和第三磁化方向732、742、772的第一、第二和第三磁性层730、740、770，其类似于第一、第二和第三磁性层530、540、570；类似于耦合层520的第一耦合层720；类似于磁阻层560的磁阻层760；以及类似于电路595的电路795。存储器装置704基本上类似于存储器装置200。例如，磁存储器装置704包括：类似于磁性结构210的磁性结构710；具有第一、第二和第四磁化方向732、742、792的第一、第二和第四磁性层730、740、790，其类似于具有第一、第二和第三磁化方向232、242、272的第一、第二和第三磁性层230、240、270；类似于耦合层220的第一耦合层720；类似于磁阻层260的磁阻层780；以及类似于电路295的电路795。磁存储器装置704与磁存储器装置200的不同之处在于，第一磁化方向732可以进动。
图31A描绘了第一存储状态，其中第一磁化方向732以第一角度进动，而图31B描绘了第二存储状态，其中磁化方向732以第二角度进动。第一和第二状态之间的角度差也对应于第四磁化方向732和第一磁化方向732之间的角度差，其引起可以由电路795检测的阻抗变化。在任一状态下，尽管第一磁化方向732进动，但第四磁化方向792与第一磁化方向732之间的关系是恒定的，这允许第一磁性层732被振荡器702和磁存储器装置704共享。
尽管磁性结构10、110、210等和传感器100、存储器装置200、300、振荡器400、500、600和装置700被描绘为具有矩形或正方形XY平面横截面，但这不是必需的。磁性结构10、110、210等和传感器100、存储器装置200、300振荡器400、500、600和装置700可以具有任何合适的XY横截面。在一些实施例中，通过改变XY横截面，磁化方向(例如，磁化方向32、42、132、142等)可以表现出不同。在一些实施例中，可以选择结构或装置(例如，10、110、100、200等)的XY平面横截面形状以实现对磁化方向(例如，磁化方向32、42、132、142等)的期望效果。例如，可能需要构造具有椭圆XY平面横截面形状的存储器装置以加强稳定状态。作为另一示例，可能期望振荡器具有圆形XY平面横截面形状以帮助磁化方向442、542等的进动，或具有椭圆XY平面横截面形状以减缓磁化方向442、542等的进动。
虽然上面已经讨论了许多示例性方面和实施例，但是本领域技术人员将想得到其某些修改、置换、添加和部分组合。因此，以下所附权利要求和此后引入的权利要求旨在被解释为包括所有这些修改、置换、添加和部分组合，这与整个说明书的最广泛解释一致。

Claims (101)

1.一种磁性结构，包括：
第一磁性层，其具有第一磁化方向；
第二磁性层，其具有第二磁化方向；
耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：
至少一种非磁性元素，其选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组；以及
至少一种磁性元素，其选自由Ni、Co和Fe组成的组；
其中所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比为(100-x):x；并且
其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成非共线角度。
2.根据权利要求1或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述耦合层具有厚度tc，并且其中所述原子浓度参数x和所述耦合层厚度tc的组合使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。
3.根据权利要求1和2中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，并且所述第二磁性层具有厚度tm2，而tm1和tm2各自被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。
4.根据权利要求1至3中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中在没有外部磁场的情况下，所述非共线角度介于约5°和175°之间。
5.根据权利要求1至3中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述非共线角度在没有外部磁场的情况下是介于大约5°和85°之间或95°和175°之间的非正交非共线角度。
6.根据权利要求1至5中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Co。
7.根据权利要求1至5中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Ni。
8.根据权利要求1至5中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括选自由NiFe、CoFeB和CoNi组成的组的材料。
9.根据权利要求1至8中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素选自由Ru、Ir、Re、Rh和Cr组成的组。
10.根据权利要求1至8中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素选自由Ru、Ir和Rh组成的组。
11.根据权利要求1至8中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素包括Ru。
12.根据权利要求1至8中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素包括Ru和以下元素中的一种或多种：Ag、Cr、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si。
13.根据权利要求1至5中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种非磁性元素是Cr，而所述至少一种磁性元素选自由Co和Fe组成的组。
14.根据权利要求1至13中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2大于0.3nm。
15.根据权利要求1至13中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2介于2nm至8nm之间。
16.根据权利要求1至13中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2各自约为2nm。
17.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Co；
X介于32到64之间；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。
18.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Fe；
x介于70.5和94之间；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。
19.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Fe；
x介于66和82之间；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。
20.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Ni；
x在30到62之间；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。
21.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Co和Fe；
X介于32和94之间且依赖于比例Co:Fe；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。
22.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Ni和Fe；
X介于30和94之间并且依赖于比例Ni:Fe；并且
tc大于0.4nm且小于1.8nm。
23.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Co；并且
其中：
对于37<x<44，(0.0014x+0.3)<tc[nm]<(0.017x-0.17)；
对于44<x<50，(0.0072x+0.064)<tc[nm]<(0.017x-0.18)；
对于50<x<55，(0.0072x+0.044)<tc[nm]<(0.044x-1.52)；
对于55<x<60，(0.03x-1.2)<tc[nm]<(0.044x-1.54)；并且
对于60<x<63，(0.14x-7.8)<tc[nm]<(0.07x-2.61)。
24.根据权利要求1至10中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中：
所述至少一种非磁性元素包括Ru；
所述至少一种磁性元素包括Co；并且
其中x和tc选自图11中的区域“C”内。
25.根据权利要求24或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中x和tc选自图11中的区域“C”内，且x介于37和59之间。
26.根据权利要求1至25中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构在至少100℃的温度下退火，并且在退火之后，所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。
27.根据权利要求1至25中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构在至少200℃的温度下退火，并且在退火之后，所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。
28.根据权利要求1至27中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构能够由模型表征，该模型包括双线性耦合强度参数J1和双二次耦合强度参数J2，并且其中对于所述磁性结构，J2>1/2|J1|。
29.根据权利要求28或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中J2大于0.1mJ/m2。
30.根据权利要求28或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中J2大于0.5mJ/m2。
31.根据权利要求1至30中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中选自由Pt和Pd组成的组的至少一种可极化元素代替所述至少一种磁性元素的一部分，使得所述原子浓度参数x反映所述至少一种磁性元素和所述至少一种可极化元素的组合原子浓度。
32.根据权利要求31或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种磁性元素的所述部分包括小于所述至少一种磁性元素的90％。
33.根据权利要求1至32中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中Mn代替所述至少一种磁性元素的至少一部分，使得所述原子浓度参数x反映Mn和所述至少一种磁性元素的组合原子浓度。
34.根据权利要求33或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述原子浓度参数x使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地且非正交地耦合到所述第二磁性层。
35.根据权利要求33-34中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种磁性元素与Mn的原子浓度比为(100-y):y。
36.一种磁性结构，包括：
第一磁性层，其具有第一磁化方向；
第二磁性层，其具有第二磁化方向；
耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：
至少一种非磁性组分，其选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组；以及
至少一种磁性组分，其选自由Ni、Co、Fe、NiPt、NiPd、CoPt、CoPd、FePt和FePd组成的组；
其中所述至少一种非磁性组分与所述至少一种磁性组分的原子比为(100-x):x；并且
其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成非共线角度。
37.根据权利要求36所述的磁性结构，包括其他权利要求中的任意一项所述的任何特征。
38.一种磁性结构，包括：
第一磁性层，其具有第一磁化方向；
第二磁性层，其具有第二磁化方向；
耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：包括Ru的至少一种非磁性元素和包括Fe的至少一种磁性元素，其中所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比是(100-x):x；并且
其中x是大于60且小于80的原子浓度参数，并且使得或被选择成使得所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成抗铁磁角度。
39.根据权利要求38或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述耦合层具有厚度tc，并且其中所述原子浓度参数x和所述耦合层厚度tc的组合使得或被选择成使得所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层。
40.根据权利要求38至39中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2各自被选择成使得所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层。
41.根据权利要求38-40中任一项或任一权利要求所述的磁性结构，其中所述抗铁磁角度为180°±2°。
42.根据权利要求38至41中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层中的至少一个包括Co。
43.根据权利要求42或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层中的至少一个包括Co，并且x大于60且小于74。
44.根据权利要求43或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Co，并且x大于60且小于74。
45.根据权利要求38至41中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Ni。
46.根据权利要求45或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述第一和第二磁性层包括Ni并且x大于60且小于80。
47.根据权利要求38至46中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种磁性元素包括至少一种磁性合金，其中所述至少一种磁性合金包括Fe合金。
48.根据权利要求38至47中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构能够由模型表征，该模型包括双线性耦合强度参数J1和双二次耦合强度参数J2，并且其中对于所述磁性结构，J2≤1/2|J1|。
49.根据权利要求48或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中J1大于0.3mJ/m2，而J2大于0.1mJ/m2。
50.根据权利要求48或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中J1大于0.6mJ/m2，而J2大于0.2mJ/m2。
51.根据权利要求38-50或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构在至少100℃的温度下退火，并且在退火之后，所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层。
52.根据权利要求38-50或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构在至少200℃的温度下退火，并且在退火之后，所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层。
53.根据权利要求38-52中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中选自由Pt和Pd组成的组的至少一种可极化元素代替所述至少一种磁性元素的一部分，使得所述原子浓度参数x反映所述至少一种磁性元素和所述至少一种可极化元素的组合原子浓度。
54.根据权利要求53或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种磁性元素的所述部分包括小于90％的所述至少一种磁性元素。
55.根据权利要求38-52中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中Mn代替所述磁性元素的至少一部分，使得所述原子浓度参数x反映Mn和所述至少一种可极化元素的组合原子浓度。
56.根据权利要求38至55中任一项所述的磁性结构，包括其他权利要求中的任意一项所述的任何特征。
57.一种磁性结构，包括：
第一磁性层，其具有第一磁化方向；
第二磁性层，其具有第二磁化方向；
耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：
包括Ru的至少一种非磁性元素和至少一种第二非磁性元素，该第二非磁性元素选自由Ag、Cr、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组；以及
选自由Ni、Co和Fe组成的组的至少一种磁性元素；
其中所述至少一种非磁性元素和所述至少一种第二非磁性元素的组合与所述至少一种磁性元素的原子比为(100-x):x，并且所述至少一种非磁性元素与所述至少一种第二非磁性元素的原子比为(1-y):y，其中y小于80；并且
其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成抗铁磁角度。
58.根据权利要求57或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述至少一种第二非磁性元素选自由Ru、Ir、Re、Rh和Cr组成的组。
59.根据权利要求57至58中任一项所述的磁性结构，包括其他权利要求中的任意一项所述的任何特征。
60.一种磁性结构，包括：
第一磁性层，其具有第一磁化方向；
第二磁性层，其具有第二磁化方向；
耦合层，其插置在所述第一和第二磁性层之间，该耦合层包括：
至少一种非磁性元素，其选自由Cr、Ir，Rh和Re组成的组；以及
磁性元素，其选自由Fe、Ni和Co组成的组；
其中所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比为(100-x):x；并且
其中x是原子浓度参数，其使得或被选择成使得所述第一磁性层抗铁磁地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成抗铁磁角度。
61.根据权利要求60的磁性结构，包括本申请所述任一其他权利要求的任何特征。
62.根据权利要求1至61中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构通过一种制造方法制造，所述制造方法包括：
将所述耦合层沉积在所述第一磁性层上，并且其中将所述耦合层沉积在所述第一磁性层上包括使用化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或物理气相沉积(PVD)过程；以及
将所述第二磁性层沉积在所述耦合层上。
63.根据权利要求62或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中使用化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或物理气相沉积(PVD)过程将所述第一磁性层沉积在衬底上。
64.根据权利要求62至63中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中将所述耦合层沉积在所述第一磁性层上包括重复沉积过程，该沉积过程包括沉积所述至少一种非磁性元素的子层，随后沉积所述至少一种磁性元素的子层。
65.根据权利要求62到64或任一其他权利要求中任一项所述的磁性结构，其中将所述第二磁性层沉积在所述耦合层上包括使用化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或物理气相沉积(PVD)过程。
66.根据权利要求62至65中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中该制造方法包括在将所述耦合层沉积在所述第一磁性层上并将所述第二磁性层沉积在所述耦合层上之后对所述磁性结构进行退火。
67.根据权利要求62至65中任何一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中该制造方法包括加热所述耦合层和所述第一磁性层，同时在所述第一磁性层上沉积所述耦合层。
68.根据权利要求67或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中该制造方法包括加热所述第一磁性层、所述耦合层和所述第二磁性层，同时将所述第二磁性层沉积在所述耦合层上。
69.根据权利要求67和68中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中加热包括加热至高于150℃。
70.根据权利要求1至61中任一项或任一其他权利要求所述的磁性结构，其中所述磁性结构通过一种制造方法制造，所述制造方法包括：
在所述第一磁性层上沉积包括所述至少一种非磁性元素的中间层；
在所述中间层上沉积所述第二磁性层；以及
对包括所述第一磁性层、所述中间层和所述第二磁性层的所得结构进行退火，从而将所述至少一种磁性元素从所述第一和第二磁性层扩散到所述中间层中，以形成所述耦合层。
71.根据权利要求62至70中任一项所述的磁性结构，包括其他权利要求中的任意一项所述的任何特征。
72.一种制造磁性结构的方法，该方法包括：
在具有第一磁化方向的第一磁性层和具有第二磁化方向的第二磁性层之间层叠耦合层，该耦合层包括：
至少一种非磁性元素，其选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组；以及
至少一种磁性元素，其选自由Ni、Co和Fe组成的组；
其中所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比为(100-x):x；并且
选择x使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成非共线角度。
73.根据权利要求72或任一其他权利要求所述的方法，其中所述耦合层具有厚度tc，并且所述方法包括选择tc使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层。
74.根据权利要求73或任一其他权利要求所述的方法，包括选择x和tc，使得所述第一磁性层以期望的非共线角度或接近期望的非共线角度非共线地耦合到所述第二磁性层。
75.根据权利要求72至74中任一项所述的方法，其中在所述第一磁性层和所述第二磁性层之间层叠所述耦合层包括：
在所述第一磁性层上沉积所述耦合层，并且其中在所述第一磁性层上沉积所述耦合层包括使用化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或物理气相沉积(PVD)过程；以及
将所述第二磁性层沉积在所述耦合层上。
76.根据权利要求75或任一其他权利要求所述的磁性结构，包括使用化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或物理气相沉积(PVD)过程在衬底上沉积所述第一磁性层。
77.根据权利要求75和76中任一项或任一其他权利要求所述的方法，其中在所述第一磁性层上沉积耦合层包括重复沉积过程，该沉积过程包括沉积所述至少一种非磁性元素的子层，随后沉积所述至少一种磁性元素的子层。
78.根据权利要求75至77中任一项或任一其他权利要求所述的方法，其中将所述第二磁性层沉积在所述耦合层上包括使用化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)或物理气相沉积(PVD)过程。
79.根据权利要求75至78中任一项或任一其他权利要求所述的方法，其中该制造方法包括在将所述耦合层沉积在所述第一磁性层上并将所述第二磁性层沉积在所述耦合层上之后对所述磁性结构进行退火。
80.根据权利要求72至74中任一项或任一其他权利要求所述的方法，其中在所述第一磁性层和所述第二磁性层之间层叠耦合层包括：
在所述第一磁性层上沉积包括所述至少一种非磁性元素的中间层；
在所述中间层上沉积所述第二磁性层；以及
对包括所述第一磁性层、所述中间层和所述第二磁性层的所得结构进行退火，从而使所述至少一种磁性元素从所述第一和第二磁性层扩散到所述中间层中，以形成所述耦合层。
81.根据权利要求72至80中任一项所述的方法，包括其他权利要求中的任意一项所述的任何特征。
82.一种制造磁性结构的方法，该方法包括：
通过在具有第一磁化方向的第一磁性层和具有第二磁化方向的第二磁性层之间层叠耦合层而形成初始磁性结构，该耦合层包括：
至少一种非磁性元素，其选自由Ag、Cr、Ru、Mo、Ir、Rh、Cu、V、Nb、W、Ta、Ti、Re、Os、Au、Al和Si组成的组；
所述第一和第二磁性层各自包括至少一种磁性元素，其选自由Ni、Co和Fe组成的组；
在超过100℃的温度下对所述初始磁性结构进行退火，以使得所述第一和第二磁性层中的所述至少一种磁性元素中的至少一些扩散到所述耦合层中，使得在所述耦合层中所述至少一种非磁性元素与所述至少一种磁性元素的原子比是(100-x):x；以及
继续对所述初始结构进行退火，直到x使得所述第一磁性层非共线地耦合到所述第二磁性层，从而在没有外部磁场的情况下，所述第一磁化方向定向为相对于所述第二磁化方向成非共线角度。
83.根据权利要求82或任一其他权利要求所述的方法，包括在超过200℃的温度下对所述初始磁性结构进行退火。
84.根据权利要求82和83中任一项或任一其他权利要求所述的方法，其中在退火之前，所述耦合层中的所述至少一种非磁性元素与所述耦合层中包含的任何磁性元素的原子比为(100-y):y，其中y小于x。
85.根据权利要求84或任一其他权利要求所述的方法，其中y等于0。
86.一种磁传感器，包括：
根据权利要求1至85中任一项所述的磁性结构；
第三磁性层，其具有第三磁化方向；
磁阻层，其插置在所述第三磁性层和所述第二磁性层之间；以及
电路，其连接到所述第三磁性层和所述第一磁性层，以确定横跨所述第三磁性层、所述磁性结构和所述磁阻层的阻抗变化，所述阻抗变化至少部分地基于由外部磁场引起的所述第三磁化方向和所述第二磁化方向之间的角度关系的变化。
87.一种磁传感器，包括：
根据权利要求1至85中任一项所述的磁性结构；以及
电路，其连接到所述第二磁性层和所述第一磁性层，以确定横跨所述第三磁性层、所述磁性结构和所述磁阻层的阻抗变化，所述阻抗变化至少部分地基于由外部磁场引起的所述第三磁化方向和所述第二磁化方向之间的角度关系的变化。
88.一种磁性温度传感器，包括：
根据权利要求1至85中任一项所述的磁性结构；
第三磁性层，其具有第三磁化方向；
磁阻层，其插置在所述第三磁性层和所述第二磁性层之间；以及
电路，其连接到所述第三磁性层和所述第一磁性层，以确定横跨所述第三磁性层、所述磁性结构和所述磁阻层的阻抗变化，所述阻抗变化至少部分地基于由温度变化引起的所述第三磁化方向和所述第二磁化方向之间的角度关系的变化。
89.一种磁性温度传感器，包括：
根据权利要求1至85中任一项所述的磁性结构；以及
电路，其连接到所述第二磁性层和所述第一磁性层，以确定横跨所述第三磁性层、所述磁性结构和所述磁阻层的阻抗变化，所述阻抗变化至少部分地基于由外部磁场引起的所述第三磁化方向和所述第二磁化方向之间的角度关系的变化。
90.一种磁存储器装置，包括：
根据权利要求1至85中任一项所述的磁性结构，其中所述第一磁化方向是固定的，而所述第二磁化方向是自由的，以响应于施加到存储器装置的电流而在第一状态角和第二状态角之间移动；
第三磁性层，其具有第三磁化方向；
磁阻层，其插置在所述第三磁性层和所述第二磁性层之间；以及
电路，其连接到所述第二磁性层和所述第一磁性层，以确定横跨所述第三磁性层、所述磁性结构和所述磁阻层的阻抗，该阻抗至少部分地基于所述第三磁化方向和第二磁化方向之间的角度关系，使得所述阻抗响应于所述第二磁化方向从所述第一状态角到所述第二状态角的变化而变化。
91.根据权利要求90或任一其他权利要求所述的磁存储器装置，其中所述第一磁化方向由通过第二耦合层耦合到所述第一磁性层的第四磁性层固定，所述第二耦合层包括根据权利要求1至85中任何一项所述的耦合层的任何特征。
92.一种振荡器装置，包括：
根据权利要求1至85中任一项所述的磁性结构，其中所述第二磁化方向是自由的，以响应于施加到所述振荡器装置的电流而相对于所述第一磁化方向以第一角度进动；
第三磁性层，其具有第三磁化方向；
磁阻层，其插置在所述第三磁性层和所述第二磁性层之间；以及
电路，其连接到所述第二磁性层和所述第一磁性层，以横跨所述第三磁性层、所述磁性结构和所述磁阻层施加直流电，以产生振荡信号，该振荡信号至少部分地基于所述第三磁化方向和所述第二磁化方向之间的角度关系。
93.根据权利要求92或任一其他权利要求所述的振荡器装置，其中所述原子浓度比x被选择成使得所述非共线角度与所述第二磁性层的进动角度对准。
94.根据权利要求92和93中任一项或任一其他权利要求所述的振荡器装置，其中所述耦合层具有厚度tc，并且所述耦合层厚度tc被选择成使得所述非共线角度与所述第二磁性层的进动角度对准。
95.根据权利要求92和94中任一项或任一其他权利要求所述的振荡器装置，其中所述第一磁性层具有厚度tm1，所述第二磁性层具有厚度tm2，并且tm1和tm2各自被选择成使得所述非共线角度与所述第二磁性层的进动角度对准。
96.根据权利要求92和95中任一项或任一其他权利要求所述的振荡器装置，其中所述第一磁化方向是固定的。
97.根据权利要求92和95中任一项或任一其他权利要求所述的振荡器装置，其中所述第一磁化方向是自由的。
98.一种装置，包括两个或多个根据权利要求86至97所述的装置的组合。
99.一种用于磁性结构的制造方法，所述磁性结构具有其他权利要求中的任意一项所述的特征。
100.一种设备，其具有本申请所述的任何新的和创造性的特征、特征的组合或特征的部分组合。
101.一种方法，其具有本申请所述的任何新的和创造性的步骤、动作，步骤和/或动作的组合或步骤和/或动作的部分组合。
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