CN115035919A - 一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法，包括以下步骤S1、提供反铁磁薄膜；S2、基于方波脉冲电流诱导出边界磁畴和若干个磁斯格明子；S3、基于多个方波脉冲电流，所述若干个磁斯格明子在马格努斯力作用下靠向所述边界磁畴方向运动，所述边界磁畴对所述若干个磁斯格明子产生排斥力；S4、所述马格努斯力与所述排斥力处于平衡状态，所述若干个磁斯格明子沿着电流方向运动。本发明采用边界磁畴来保护磁斯格明子所携带的信息。
Description
技术领域
本发明涉及磁性存储器件技术领域，尤其涉及一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法。
背景技术
磁性斯格明子是一种在微纳米尺度上的具有拓扑不变性的空间自旋结构，并且可以稳定存在于具有极强自旋轨道耦合作用的块磁体或者是与重金属耦合的纳米磁性薄膜中，由于其尺寸小，功耗低且基于该结构的存贮设备具有非易失性的诸多优点，被视作是下一代信息存储单元的选择之一。
磁斯格明子霍尔效应是指在电流的驱动下磁斯格明子会受到马格努斯力的作用，其运动轨迹会偏离电流的方向撞向器件的边界，一旦运动到器件的边界就会湮灭掉，所携带的信息也随之丢失。这是磁斯格明子信息器件走向商用的最大障碍，见图1。
发明内容
根据现有技术中存在的问题，本发明提供一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法，用以解决磁斯格明子运动到器件的边界就会湮灭掉，其所携带的信息也随之丢失的问题。
第一方面，本说明书实施例提供了一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法，包括：
S1、提供反铁磁薄膜；
S2、基于方波脉冲电流诱导出边界磁畴和若干个磁斯格明子；
S3、基于多个方波脉冲电流，若干个磁斯格明子在马格努斯力作用下靠向边界磁畴方向运动，边界磁畴对若干个磁斯格明子产生排斥力；
S4、马格努斯力与排斥力处于平衡状态，若干个磁斯格明子沿着电流方向运动。
作为优选的技术方案，反铁磁薄膜结构包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，第一磁性层和第二磁性层处于铁磁交换耦合状态。
作为优选的技术方案，第一磁性层和第二磁性层均包括Co/Pt多层膜结构；非磁性金属层为非磁性Ru金属层。
作为优选的技术方案，向反铁磁薄膜施加垂直于反铁磁薄膜方向的磁场。
作为优选的技术方案，磁场强度为0.4mT。
作为优选的技术方案，施加一个方波电流脉冲诱导出若干个磁斯格明子，磁斯格明子在马格努斯力作用下运动；施加两个方波电流脉冲诱导出边界磁畴。
作为优选的技术方案，边界磁畴为边界条状磁畴。
作为优选的技术方案，方波脉冲电流的幅值均为84mA，脉冲宽度均为10微秒。
作为优选的技术方案，基于方波脉冲电流作用下产生的马格努斯力的方向与方波脉冲电流方向具有夹角。
第二方面，本说明书实施例提供了一种磁性存储器，包括：
反铁磁薄膜，
驱动模组，驱动模组与反铁磁薄膜电连接，驱动模组用以控制反铁磁薄膜执行如上任一所述的方法。
本发明采用的技术方案达到的有益效果：该方法通过方波脉冲电流诱导出磁斯格明子、边界磁畴，当磁斯格明子在马格努斯力作用下发生偏移时会逐渐靠近条状磁畴，随着两者之间的距离减小，磁斯格明子受到的排斥力和马格努斯力可以处于平衡状态，磁斯格明子的运动轨迹就会完全沿着电流方向。此方法很好的防止磁斯格明子运动到边界后湮灭，确保确保携带的信息不会丢失。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术磁斯格明子在器件中的运动和湮灭示意图；
图2为本发明一个实施例提供的用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法流程图；
图3为本发明一个实施例提供的有边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子运动示意图；
图4为本发明一个实施例提供的反铁磁薄膜结构示意图；
图5为本发明一个实施例提供的霍尔巴器件形状示意图；
图6为本发明一个实施例提供的有边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子运动示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的示范性实施例做出说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域普通技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。
磁性斯格明子是一种具有手性自旋的纳米磁畴结构，具有拓扑保护性、低驱动电流密度，及磁、电场和温度等多物理调控的特性，是未来高密度、高速度、低能耗信息存储器件的核心理想存储单元。
磁斯格明子霍尔效应是指在电流的驱动下磁斯格明子会受到马格努斯力的作用，其运动轨迹会偏离电流的方向撞向器件的边界，一旦运动到器件的边界就会湮灭掉，所携带的信息也随之丢失，见图1。
鉴于此，根据图2，本发明提供一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法，包括：
S1、提供反铁磁薄膜；
S2、基于方波脉冲电流诱导出边界磁畴和若干个磁斯格明子；
S3、基于多个方波脉冲电流，若干个磁斯格明子在马格努斯力作用下靠向边界磁畴方向运动，边界磁畴对若干个磁斯格明子产生排斥力；
S4、马格努斯力与排斥力处于平衡状态，若干个磁斯格明子沿着电流方向运动。
针对于现有的磁斯格明子在器件中的运动和湮灭，其所携带的信息也随之丢失的问题。本发明提出一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法，该方法通过方波脉冲电流诱导出磁斯格明子、边界磁畴，当磁斯格明子在马格努斯力作用下发生偏移时会逐渐靠近条状磁畴，随着两者之间的距离减小，磁斯格明子受到的排斥力和马格努斯力可以处于平衡状态，磁斯格明子的运动轨迹就会完全沿着电流方向，见图3。此方法很好的防止磁斯格明子运动到边界后湮灭，确保确保携带的信息不会丢失。
在本发明的一个实施例中，步骤S1包括：
反铁磁薄膜结构包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，第一磁性层和第二磁性层处于铁磁交换耦合状态。
根据图3，反铁磁薄膜结构具体结构如下：
Ta(5nm)/[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]3/Ru(1.8nm)/[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]3/Ta(5nm),
其中，第一磁性层为[Pt(0.5nm)/Co(0.5nm)]3，第二磁性层为[Co(0.5nm)/Pt(0.5nm)]3，并且为第一磁性层和第二磁性层两个垂直磁化层，两个磁性层是处于铁磁交换耦合的状态，非磁性金属层为非磁性Ru金属层。在本实施例中我们将其作为一个整体的磁性层来考虑。
器件的制备
根据图4，反铁磁薄膜具体结构为：
Ta(5)/[Pt(0.5)/Co(0.5)]3/Ru(1.3)/[Co(0.5)/Pt(0.5)]3/Ta(5)，单位为纳米，Ta是用来做打底层和保护层，其中，第一磁性层为[Pt(0.5)/Co(0.5)]3，第二磁性层为[Co(0.5)/Pt(0.5)]3，并且第一磁性层和第二磁化层均为垂直磁化层。
薄膜生长在已经光刻好的霍尔巴器件图5所示的硅片上面，采用AJA的超高真空磁控溅射仪先镀5纳米的Ta作为缓冲层，然后是Pt/Co周期结构，最后镀5nm的Ta作为保护层。
生长完毕后，使用丙酮超声波清洗硅片表面的光刻胶，使硅片只留下如图5形状的器件。这里需要强调的是该器件的功能对于非磁性金属材料Ru的厚度要求非常严格，厚度变化范围必须控制在1.25-1.35nm之间。
器件特性的表征
磁光克尔是一种可用于探测磁性薄膜的磁畴成像的技术，有精确、实时的优点。此样品使用磁光克尔显微镜来表征其磁畴分布状况。
在本发明的一个实施例中，步骤S2–S3包括：
以下操作的整个过程中，均需要向反铁磁薄膜施加垂直于反铁磁薄膜方向的磁场，其磁场强度为0.4mT，执行以下操作：
施加一个方波电流脉冲诱导出若干个磁斯格明子，若干个磁斯格明子均在马格努斯力作用下发生运动；
施加两个方波电流脉冲诱导出边界磁畴，在本实施例中边界磁畴优选为条形边界磁畴；
继续施加更多的方波电流脉冲；
其中，方波电流脉冲均为幅值均为84mA，脉冲宽度均为10微秒。
由于电流作用，磁斯格明子在马格努斯力作用下发生偏移时会逐渐靠近条形边界磁畴，两者之间开始产生排斥力。其中，马格努斯力是指当一个磁斯格明子在电流作用下产生的旋转角速度矢量与磁斯格明子飞行速度矢量不重合时，在与旋转角速度矢量和平动速度矢量组成的平面相垂直的方向上将产生一个横向力，在这个横向力的作用下磁斯格明子运动轨迹发生偏转的现象。
随着磁斯格明子与边界磁畴之间的距离减小，二者之间的排斥力逐渐增大，磁斯格明子受到的排斥力和马格努斯力可以处于平衡状态，这样在y方向合力为0，磁斯格明子的运动轨迹就会完全沿着电流方向，确保携带的信息不会丢失，见图6。
在实际场景中，磁光克尔显微镜观测图6中的磁斯格明子的运动轨迹，其轨迹见图6中(a)-(g)，磁斯格明子距离边界条状磁畴比较远时其运动轨迹和电流方向是有一定角度，角度范围为-45度到45度，当磁斯格明子运动到接近边界条状磁畴时，见(f)-(g)箭头标注可以看出磁斯格明子运动轨迹趋于与电流方向平行，最终与电流方向完全平行。在边界条状磁畴的保护下，磁斯格明子的运动距离可长达40微米并确保所携带信息不丢失。
本发明提供一种磁性存储器，包括：
反铁磁薄膜，
驱动模组，驱动模组与反铁磁薄膜电连接，驱动模组用以控制反铁磁薄膜执行如上任一所述的方法。
以上对本申请实施例一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种用边界磁畴保护反铁磁薄膜中磁斯格明子的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、提供反铁磁薄膜；
S2、基于方波脉冲电流诱导出边界磁畴和若干个磁斯格明子；
S3、基于多个方波脉冲电流，所述若干个磁斯格明子在马格努斯力作用下靠向所述边界磁畴方向运动，所述边界磁畴对所述若干个磁斯格明子产生排斥力；
S4、所述马格努斯力与所述排斥力处于平衡状态，所述若干个磁斯格明子沿着电流方向运动。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述反铁磁薄膜结构包括依次层叠设置的第一磁性层、非磁性金属层和第二磁性层，所述第一磁性层和所述第二磁性层处于铁磁交换耦合状态。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一磁性层和第二磁性层均包括Co/Pt多层膜结构；所述非磁性金属层为非磁性Ru金属层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2-步骤S4中均包括：向所述反铁磁薄膜施加垂直于所述反铁磁薄膜方向的磁场。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述磁场强度为0.4mT。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于方波脉冲电流诱导出边界磁畴和若干个磁斯格明子，具体包括：
施加一个方波电流脉冲诱导出若干个磁斯格明子，所述磁斯格明子在马格努斯力作用下运动；
施加两个方波电流脉冲诱导出边界磁畴。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述边界磁畴为边界条状磁畴。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2-步骤S3中包括：所述方波脉冲电流的幅值均为84 mA，脉冲宽度均为10微秒。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于多个方波脉冲电流，所述若干个磁斯格明子在马格努斯力作用下靠向所述边界磁畴方向运动，所述边界磁畴对所述若干个磁斯格明子产生排斥力，包括：
基于方波脉冲电流作用下产生的马格努斯力的方向与所述方波脉冲电流方向具有夹角。
10.一种磁性存储器，其特征在于，包括：
反铁磁薄膜，
驱动模组，所述驱动模组与所述反铁磁薄膜电连接，所述驱动模组用以控制反铁磁薄膜执行权利要求1-9中任一项所述的方法。
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