DE102011005452A1 - Magnetoelektronisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein magnetoelektronisches Bauelement, wie es beispielsweise als digitaler Speicher zum Einsatz kommen kann. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines magnetoelektronischen Bauelementes, welches als Racetrack-Speicher eingesetzt werden kann. Gelöst wird die Aufgabe durch ein magnetoelektronisches Bauelement, bestehend aus einer isolierenden Dünnschicht auf der sich ein längliches Element aus einem magnetischen Material und elektrisch leitfähige Kontakte befinden, und einer weiteren isolierenden Dünnschicht, wobei diese Anordnung gemeinsam aufgerollt ist. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, bei dem auf eine isolierende Dünnschicht mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material aufgebracht wird, weiterhin elektrische Kontakte aufgebracht werden, darauf eine weitere isolierende Dünnschicht aufgebracht wird, wobei der Schichtstapel so angeordnet wird, dass er einen Verspannungsgradienten aufweist.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft ein magnetoelektronisches Bauelement, wie es beispielsweise als digitaler Speicher zum Einsatz kommen kann, und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Magnetische Schieberegister, auch bekannt als „racetrack memory devices”, sind magnetische Speicher, die die Robustheit von Flash-Speichern, die Geschwindigkeit von DRAM-Speichern sowie die Reversibilität und Nichtflüssigkeit von Festplatten miteinander kombinieren. Derartige Racetrack-Speicher sind wissenschaftlich untersucht und bekannt durch S. S. P. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas, „Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory", Science 320, 190–194 (2008). Längliche ferromagnetische Speicherstrukturen sind in magnetische Domänen mit unterschiedlicher Orientierung des magnetischen Momentes geteilt. Diese magnetischen Domänen sind durch Domänenwände getrennt, welche in die Datenträger übertragen werden können. Dabei wird ein Effekt ausgenutzt, der als Spin-Transfer-Torque-Effekt bekannt ist und der zur Folge hat, dass magnetische Domänenwände in dünnen Speicherstrukturen durch das Anlegen elektrischer Ströme kontrolliert entlang dieser Speicherstrukturen verschoben werden können. Digitale Daten sind in den Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Domänenwänden einkodiert.
  • Derartige Racetrack-Speicher können in zweidimensionaler Ausrichtung – liegende Nanodrähte auf einem Substrat – oder auch in dreidimensionaler Ausrichtung – U-förmige, stehende Nanodrähte, die im unteren U-Bereich mit einem Substrat und/oder Elektroden verbunden sind – aufgebaut sein (S. S. P. Parkin et al., Science 320, 190–194 (2008)).
  • Grundvoraussetzung für die Funktion der Racetrack-Speicher ist die schnelle und kontrollierte Bewegung von Domänenwänden entlang dünner magnetischer Streifen. Dabei ist von besonderer Bedeutung, dass die Geschwindigkeit der Bewegung der Domänenwände möglichst hoch ist Dazu ist nach DE 10 2009 021 400 A1 ein magnetoelektronisches Bauelement bekannt, welches aus einem länglichen ferromagnetischen Material besteht, entlang dessen magnetische Domänenwände wandern, wobei die transversale Magnetisierungsrichtung der Domänenwände in ihrer Mitte keine Vorzugsrichtung in der Ebene senkrecht zu ihrer Wanderungsrichtung entlang dem länglichen ferromagnetischen Material aufweist Ebenfalls bekannt sind magnetische Racetrack-Speicher, die aus einem länglichen magnetischen Material, einer Stromquelle, einer Schreib- und Lesevorrichtung und einer write-back-Schleife bestehen, wobei das längliche magnetische Material eine Vielzahl an magnetischen Domänen aufweist ( KR 10 2009 0127705 A ).
  • Weiterhin ist aus der US 2010/0085793 A1 ein längliches Material bekannt, bei dem mindestens zwei Bereiche mit einer Vielzahl an magnetischen Domänen vorhanden sind, die durch ein nichtmagnetisches Material voneinander getrennt sind und die eine Wanderung der Domänenwände von einem Bereich in den anderen verhindern. Bei Anlegen eines elektrischen Stromes wandern die Bereiche, in denen Daten gespeichert sind, in Richtung des Stromflusses.
  • Aus der US 7,551,469 B1 ist ein unidirektionaler Racetrack-Speicher bekannt. Bei diesem Speicher wandern die Domänenwände nur in einer Richtung entlang der Stromflussrichtung. Dadurch kann an einem Ende des länglichen Speichers das Schreibelement und an dem anderen Ende das Leseelement angeordnet sein.
  • Nachteilig bei den bekannten Lösungen für Racetrack-Speicher ist die praktische Umsetzung insbesondere für dreidimensionale Lösungen. Die Anordnung von einzelnen liegenden Nanodrähten auf einem Substrat ist technisch realisierbar. Jedoch kann durch eine solche Anordnung gerade der besondere Vorteil eines solchen Speichers, die hohe Speicherdichte, nicht erreicht werden. Die nach dem Stand der Technik vorgeschlagene Anordnung für dreidimensionale Lösungen für Racetrack-Speicher in Form von U-förmigen Nanodrähten, die im unteren Bereich des U mit elektrischen Kontakten versehen und gegebenenfalls auf einem Substrat angeordnet sind, ist auch deshalb schon technisch praktisch nicht machbar, da die Vielzahl solcher U-förmigen Nanodrähte nicht miteinander in Berührung treten darf und weiterhin jeder Nanodraht einzeln mit einer elektrischen Stormquelle verbunden werden muss.
  • Dementsprechend gibt es für dreidimensionale Racetrack-Speicher außer diesem Vorschlag von S. S. P. Parkin derzeit keine anderen Vorschläge und erst recht keine technische Lösung.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines magnetoelektronischen Bauelementes, welches als Racetrack-Speicher eingesetzt werden kann, und welches dreidimensional ausgebildet eine hohe Speicherdichte pro Volumeneinheit besitzt, und ein Verfahren zu seiner Herstellung, welches einfach und kostengünstig ist.
  • Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das erfindungsgemäße magnetoelektronische Bauelement besteht aus mindestens einer isolierenden Dünnschicht auf der sich mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material und elektrisch leitfähige Kontakte befinden, und einer weiteren isolierenden Dünnschicht, die mindestens das längliche Element und teilweise die elektrisch leitfähigen Kontakte bedeckt, und diese Anordnung gemeinsam aufgerollt ist, wobei mindestens die elektrisch leitfähigen Kontakte sich teilweise außerhalb des aufgerollten Bereiches der Anordnung befinden.
  • Vorteilhafterweise besteht das längliche Element aus einem weichmagnetischen oder hartmagnetischen Material, noch vorteilhafterweise aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material, wie beispielsweise aus Ni-Fe- oder Co-Fe-Legierungen, oder Co/Pt(Pd) oder aus Tb-Fe-Co-basierten oder Gd-Fe-Co-basierten Legierungen.
  • Weiterhin vorteilhafterweise ist die isolierende Dünnschicht magnetisch und elektrisch isolierend, und besteht vorteilhafterweise aus Cr/Ta Ti/Ta oder Cr oder Ti, oder ist mit nichtleitenden Schichten, wie Al-O oder Si-O oder Si-N oder Mg-O, kombiniert.
  • Ebenfalls vorteilhafterweise ist das magnetoelektrische Bauelement auf einem Substrat angeordnet, welches vorteilhafterweise aus Glass, Si-O oder Al2O3 oder MgO oder Cu oder Si besteht.
  • Und auch vorteilhafterweise weisen die aufgerollten Schichten eine Dicke von 10 nm bis 200 nm und Längen von 0,2 μm bis 5 mm auf.
  • Es ist auch vorteilhaft, wenn mehrere isolierende Dünnschichten und mehrere längliche Elemente aus einem magnetischen Material gemeinsam aufgerollt eine Dicke von 10 nm bis 100 μm und Längen von 0.2 μm bis 5 mm aufweisen.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die aufgerollte Anordnung eine vollständige Windung bis 20 Windungen aufweist.
  • Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn auf einem Substrat sich viele aufgerollte Anordnungen befinden, die nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sind, wobei eine oder mehrere der aufgerollten Anordnungen jeweils eine unterschiedliche oder gleiche Anzahl an Dünnschichten und/oder länglichen Elementen aufweist.
  • Von Vorteil ist es auch, wenn die aufgerollten Dünnschichten weiteren Funktions- und Hilfsschichten beinhalten, wobei noch vorteilhafterweise als weitere Funktions- und Hilfsschichten Isolatorschichten, Rollhilfsschichten, Abdeckschichten vorhanden sind.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines magnetoelektronischen Bauelementes wird auf eine isolierende Dünnschicht mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material aufgebracht, weiterhin werden elektrische Kontakte aufgebracht, wobei mindestens das längliche Element mit elektrischen Kontakten verbunden ist, und darauf eine weitere isolierende Dünnschicht aufgebracht wird, die mindestens das eine längliche Element und nur teilweise die elektrischen Kontakte bedeckt, wobei der Schichtstapel so angeordnet wird, dass er einen Verspannungsgradienten aufweist, der zum automatischen Aufrollen des Schichtstapels führt, wobei das Aufrollen nur soweit realisiert wird, dass nach dem Aufrollen mindestens teilweise die elektrische Kontakte außerhalb der aufgerollten Anordnung zugänglich sind.
  • Vorteilhafterweise wird die untere isolierende Dünnschicht auf einem Substrat angeordnet.
  • Ebenfalls vorteilhafterweise wird zwischen einem Substrat und der unteren isolierenden Dünnschicht eine Opferschicht angeordnet, die einen Verspannungsgradienten im Schichtstapel realisiert, der zum automatischen Aufrollen des Schichtstapels führt, nachdem die Opferschicht mindestens teilweise entfernt worden ist.
  • Noch vorteilhafterweise wird die Opferschicht vollständig entfernt.
  • Weiterhin vorteilhafterweise wird ein Mehrschichtaufbau realisiert, wobei immer eine isolierende Dünnschicht unter- und oberhalb des mindestens einen länglichen Elementes aufgebracht wird.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird es erstmals möglich, ein magnetoelektronisches Bauelement zu realisieren, das als Racetrack-Speicher eingesetzt werden kann, das dreidimensional ausgebildet ist und eine hohe Speicherdichte pro Volumeneinheit besitzt. Weiterhin ist es einfach und kostengünstig herstellbar.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung kann anstelle der bekannten Speicher, die zweidimensional auf einem Substrat angeordnet sind, nunmehr ein aufgerolltes Schichtsystem hergestellt werden, das anstelle eines einzelnen Nanodrahtes nach dem Stand der Technik, nun eine Vielzahl an Speicherelementen beinhalten kann. Dabei kann das erfindungsgemäße magnetoelektronische Bauelement sowohl innerhalb eines aufgrollten Schichtsystems ein oder mehrere längliche Elemente aus einem magnetischen Material enthalten, es können aber auch mehrere erfindungsgemäße Bauelemente neben- und/oder übereinander angeordnet und elektrisch miteinander verbunden sein. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird insbesondere eine kompakte Anordnung realisiert, die zu der hohen Speicherdichte pro Volumeneinheit führt. Gleichzeitig ist das erfindungsgemäße magnetoelektronische Bauelement deutlich einfacher und kostengünstiger herstellbar.
  • Dabei besteht das erfindungsgemäße mag netoelektronisches Bauelement aus mindestens einer isolierenden Dünnschicht. Diese isolierende Dünnschicht ist elektrisch und magnetisch isolierend, und im Falle des Vorhandenseins eines Substrates auch gut haftend. Sie kann auch als untere Schicht auf einem Substrat angeordnet werden. Auf diese untere isolierende Dünnschicht wird mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material aufgebracht. Dieses längliche Element oder auch mehrere längliche Elemente bestehen vorteilhafterweise aus einem weich- oder hartmagnetischen Material und insbesondere aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material. Sie sind quer oder in einem Winkel zwischen 0 und 90° zur Aufrollrichtung auf der unteren isolierenden Dünnschicht angeordnet, vorteilhafterweise quer, also in einem Winkel von 90°, und mindestens mit elektrischen Kontakten für die Zu- und Ableitung von elektrischem Strom und für das Schreiben und Lesen von Daten versehen. Diese elektrisch leitfähigen Kontakte befinden sich auch auf der unteren isolierenden Schicht. Diese gesamte Anordnung wird dann von einer weiteren isolierenden Dünnschicht bedeckt. Sie bedeckt mindestens das mindestens eine längliche Element und nur teilweise die elektrisch leitfähigen Kontakte, wobei die unbedeckten Kontakte die elektrischen Anschlüsse des gesamten Bauelementes darstellen. Der Schichtstapel aus den mindestens zwei isolierende Dünnschichten und dem mindestens einen länglichen Element ist so aufgebracht, dass ein mechanischer Verspannungsgradient in dem Schichtstapel entsteht. Die mechanische Verspannung wird durch Ablösung des Schichtstapels relaxiert und führt dazu, dass sich die Dünnschichtanordnung aufrollt.
  • Nach dem Aufrollen der Anordnung befinden sich mindestens die elektrisch leitfähigen Kontakte teilweise außerhalb des aufgerollten Bereiches. Auch im Falle, dass mehrere Dünnschichten und/oder mehrere längliche Elemente aufgebracht werden, muss immer ein Teil für die elektrische Kontaktierung zugänglich bleiben.
  • Es können gleichzeitig mehrere erfindungsgemäße Bauelemente hergestellt werden, indem auf ein Substrat mehrere Schichten angeordnet werden, die jeweils aufgerollt werden. Die aufgerollten Schichten können vom Substrat entfernt und auf andere Substrate transferiert werden, oder auch auf dem Substrat verbleiben, so dass weitere Bauelemente auch anderer Art hinzugefügt und integriert werden können.
  • Die erfindungsgemäßen magnetoelektronischen Bauelemente können einzeln oder auch in einer Vielzahl zusammengeschaltet und als Racetrack-Speicherelemente eingesetzt werden.
  • Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Dabei zeigt
  • 1 ein erfindungsgemäßes aufgerolltes Bauelement im Querschnitt mit einer und mehreren Funktionsschichten vor und nach dem Aufrollen,
  • 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes in zweidimensionaler Anordnung vor dem Aufrollen,
  • 3 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes mit zwei oder mehreren länglichen Elementen.
  • Beispiel 1
  • Auf ein Glassubstrat mit den Abmessungen 76 mm × 76 mm und einer Dicke von 0,5 mm wird eine isolierende Dünnschicht aus Al-O mit den Abmessungen 500 μm Länge (in Rollrichtung) 100 μm Breite und 10 nm Dicke aufgebracht Auf diese Dünnschicht wird als längliches Element aus Ni-Fe-Legierung mit den Abmessungen 60 μm Länge, 100 nm Breite und 20 nm Höhe so auf die Dünnschicht aufgebracht, dass das längliche Element mit seiner Länge quer, also in einem Winkel von 90° zur Rollrichtung angeordnet ist Nachfolgend werden sechs elektrisch leitfähige Kontakte aus Cu aufgebracht, wobei alle mit dem länglichen Element elektrisch leitend verbunden angeordnet werden (siehe 3). Nachdem die elektrisch leitfähigen Kontakte aufgebracht sind, wird über das längliche Element und die elektrisch leitfähigen Kontakte eine weitere Dünnschicht aus Al-O mit den gleichen Abmessungen wie die untere Schicht aufgebracht. Dabei reichen die elektrisch leitfähigen Kontakte an der dem länglichen Element abgewandten Seite bis außerhalb der oberen und unteren Al-O-Schicht. Nachfolgend wird der Schichtstapel in Aceton getaucht und aufgerollt
  • Beispiel 2
  • Auf ein Glassubstrat mit den Abmessungen 76 mm × 76 mm und einer Dicke von 0,5 mm wird eine Opferschicht aus einem Photolack mit den Abmessungen 500 μm Länge (in Rollrichtung) 100 μm Breite und 10 nm Dicke aufgebracht. Auf diese Opferschicht wird eine isolierende Dünnschicht aus Al-O mit den gleichen Abmessungen aufgebracht. Auf diese Dünnschicht werden zwei längliche Elemente aus Ni-Fe-Legierung mit jeweils den Abmessungen 60 μm Länge, 100 nm Breite und 20 nm Höhe so auf die Dünnschicht aufgebracht, dass die Drähte mit ihren Längen unter einem Winkel von 10° zur Rollrichtung angeordnet sind (siehe 4). Nachfolgend werden zwölf elektrisch leitfähige Kontakte aus Cu aufgebracht, wobei jeweils sechs mit je einem länglichen Element elektrisch leitend verbunden angeordnet werden. Nachdem die elektrisch leitfähigen Kontakte aufgebracht sind, wird über die länglichen Elemente und die elektrisch leitfähigen Kontakte eine weitere Dünnschicht aus Al-O mit den gleichen Abmessungen, wie die untere Schicht aufgebracht. Dabei reichen die elektrisch leitfähigen Kontakte an der den länglichen Elementen abgewandten Seite bis außerhalb der oberen und unteren Al-O-Schicht. Nachfolgend wird der Schichtstapel in ein Ätzmittel getaucht, die Opferschicht entfernt und die Anordnung aufgerollt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009021400 A1 [0004]
    • KR 1020090127705 A [0004]
    • US 2010/0085793 A1 [0005]
    • US 7551469 B1 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • S. S. P. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas, „Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory”, Science 320, 190–194 (2008) [0002]
    • S. S. P. Parkin et al., Science 320, 190–194 (2008) [0003]

Claims (18)

  1. Magnetoelektronisches Bauelement, bestehend aus mindestens einer isolierenden Dünnschicht auf der sich mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material und elektrisch leitfähige Kontakte befinden, und einer weiteren isolierenden Dünnschicht, die mindestens das längliche Element und teilweise die elektrisch leitfähigen Kontakte bedeckt, und diese Anordnung gemeinsam aufgerollt ist, wobei mindestens die elektrisch leitfähigen Kontakte sich teilweise außerhalb des aufgerollten Bereiches der Anordnung befinden.
  2. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das längliche Element aus einem weichmagnetischen oder hartmagnetischen Material besteht.
  3. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, bei dem das längliche Element aus einem ferromagnetischen oder fernmagnetischen Material besteht.
  4. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 2, bei dem das längliche Element aus Ni-Fe- oder Co-Fe-Legierungen, oder Co/Pt(Pd) oder aus Tb-Fe-Co-basierten oder Gd-Fe-Co-basierten Legierungen besteht.
  5. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die isolierende Dünnschicht magnetisch und elektrisch isolierend ist.
  6. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 5, bei dem die isolierende Dünnschicht aus Cr/Ta Ti/Ta oder Cr oder Ti besteht, oder mit nichtleitenden Schichten, wie Al-O oder Si-O oder Si-N oder Mg-O, kombiniert ist.
  7. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem das magnetoelektrische Bauelement auf einem Substrat angeordnet ist, welches vorteilhafterweise aus Glass, Si-O oder Al2O3 oder MgO oder Cu oder Si besteht.
  8. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Schichten eine Dicke von 10 nm bis 200 nm und Längen von 0,2 μm bis 5 mm aufweisen.
  9. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem mehrere isolierende Dünnschichten und mehrere längliche Elemente aus einem magnetischen Material gemeinsam aufgerollt eine Dicke von 10 nm bis 100 μm und Längen von 0.2 μm bis 5 mm aufweisen.
  10. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollte Anordnung eine vollständige Windung bis 20 Windungen aufweist.
  11. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem sich auf einem Substrat viele aufgerollte Anordnungen befinden, die nebeneinander und übereinander angeordnet sind, wobei eine oder mehrere der aufgerollten Anordnungen jeweils eine unterschiedliche oder gleiche Anzahl an Dünnschichten und/oder länglichen Elementen aufweist.
  12. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 1, bei dem die aufgerollten Dünnschichten weiteren Funktions- und Hilfsschichten beinhalten.
  13. Magnetoelektronisches Bauelement nach Anspruch 12, bei dem als weitere Funktions- und Hilfsschichten Isolatorschichten, Rollhilfsschichten, Abdeckschichten vorhanden sind.
  14. Verfahren zur Herstellung eines magnetoelektronischen Bauelementes, bei dem auf eine isolierende Dünnschicht mindestens ein längliches Element aus einem magnetischen Material aufgebracht wird, weiterhin elektrische Kontakte aufgebracht werden, wobei mindestens das längliche Element mit elektrischen Kontakten verbunden ist, und darauf eine weitere isolierende Dünnschicht aufgebracht wird, die mindestens das eine längliche Element und nur teilweise die elektrischen Kontakte bedeckt, wobei der Schichtstapel so angeordnet wird, dass er einen Verspannungsgradienten aufweist, der zum automatischen Aufrollen des Schichtstapels führt, und wobei das Aufrollen nur soweit realisiert wird, dass nach dem Aufrollen mindestens teilweise die elektrische Kontakte außerhalb der aufgerollten Anordnung zugänglich sind.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die untere isolierende Dünnschicht auf einem Substrat angeordnet wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem zwischen einem Substrat und der unteren isolierenden Dünnschicht eine Opferschicht angeordnet, die einen Verspannungsgradienten im Schichtstapel realisiert, der zum automatischen Aufrollen des Schichtstapels führt, nachdem die Opferschicht mindestens teilweise entfernt worden ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Opferschicht vollständig entfernt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem ein Mehrschichtaufbau realisiert wird, wobei immer eine isolierende Dünnschicht unter- und oberhalb des mindestens einen länglichen Elementes aufgebracht wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018069112A1 (de) * 2016-10-13 2018-04-19 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Verfahren zur herstellung mindestens eines dreidimensionalen bauelementes zur uni-, bi-, tri - oder multidirektionalen messung und/oder generierung von vektorfeldern und dreidimensionales bauelement zur uni-, bi,- tri- oder multidirektionalen messung und/oder generierung von vektorfeldern

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9457128B2 (en) 2012-09-07 2016-10-04 President And Fellows Of Harvard College Scaffolds comprising nanoelectronic components for cells, tissues, and other applications
US9786850B2 (en) * 2012-09-07 2017-10-10 President And Fellows Of Harvard College Methods and systems for scaffolds comprising nanoelectronic components
DE102014223873B3 (de) * 2014-11-24 2016-02-04 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Verfahren zur Herstellung eines aufgerollten elektrischen oder elektronischen Bauelements
DE102017111463B4 (de) * 2017-05-24 2022-11-17 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Aufgerollte energiespeicherbauelemente und verfahren zu ihrer herstellung
CN113488453B (zh) * 2021-07-27 2024-06-04 合肥工业大学 一种用于射频集成电路的卷曲电感器

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB975575A (en) * 1960-08-31 1964-11-18 Ibm A device for the transfer of information between magnetic film elements
US3868659A (en) * 1973-04-10 1975-02-25 Us Navy Serial access memory using thin magnetic films
US4231107A (en) * 1978-02-14 1980-10-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Serriform strip crosstie memory
US20040252539A1 (en) * 2003-06-10 2004-12-16 International Business Machines Corporation Shiftable magnetic shift register and method of using the same
US20080278998A1 (en) * 2007-05-09 2008-11-13 Ingenia Holdings (Uk) Limited Data Storage Device and Method
US7551469B1 (en) 2009-01-05 2009-06-23 Internationa Business Machines Corporation Unidirectional racetrack memory device
US7586781B2 (en) * 2004-10-27 2009-09-08 Keio University Magneto-resistance effect element and magnetic memory device
KR20090127705A (ko) 2008-06-09 2009-12-14 삼성전자주식회사 라이트 백 루프를 구비하는 마그네틱 레이스트랙메모리장치
US20100085793A1 (en) 2008-10-02 2010-04-08 Philip Louis Trouilloud Wall Nucleation Propagation for Racetrack Memory
US7835167B2 (en) * 2006-12-06 2010-11-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic domain data storage devices and methods of operating the same
DE102009021400A1 (de) 2009-05-14 2010-11-18 Forschungszentrum Jülich GmbH Magnetoelektronische Bauelemente und Messverfahren

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB975575A (en) * 1960-08-31 1964-11-18 Ibm A device for the transfer of information between magnetic film elements
US3868659A (en) * 1973-04-10 1975-02-25 Us Navy Serial access memory using thin magnetic films
US4231107A (en) * 1978-02-14 1980-10-28 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Serriform strip crosstie memory
US20040252539A1 (en) * 2003-06-10 2004-12-16 International Business Machines Corporation Shiftable magnetic shift register and method of using the same
US7586781B2 (en) * 2004-10-27 2009-09-08 Keio University Magneto-resistance effect element and magnetic memory device
US7835167B2 (en) * 2006-12-06 2010-11-16 Samsung Electronics Co., Ltd. Magnetic domain data storage devices and methods of operating the same
US20080278998A1 (en) * 2007-05-09 2008-11-13 Ingenia Holdings (Uk) Limited Data Storage Device and Method
KR20090127705A (ko) 2008-06-09 2009-12-14 삼성전자주식회사 라이트 백 루프를 구비하는 마그네틱 레이스트랙메모리장치
US20100085793A1 (en) 2008-10-02 2010-04-08 Philip Louis Trouilloud Wall Nucleation Propagation for Racetrack Memory
US7551469B1 (en) 2009-01-05 2009-06-23 Internationa Business Machines Corporation Unidirectional racetrack memory device
DE102009021400A1 (de) 2009-05-14 2010-11-18 Forschungszentrum Jülich GmbH Magnetoelektronische Bauelemente und Messverfahren

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
S. S. P. Parkin et al., Science 320, 190-194 (2008)
S. S. P. Parkin, M. Hayashi, L. Thomas, "Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory", Science 320, 190-194 (2008)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018069112A1 (de) * 2016-10-13 2018-04-19 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Verfahren zur herstellung mindestens eines dreidimensionalen bauelementes zur uni-, bi-, tri - oder multidirektionalen messung und/oder generierung von vektorfeldern und dreidimensionales bauelement zur uni-, bi,- tri- oder multidirektionalen messung und/oder generierung von vektorfeldern
US11467226B2 (en) 2016-10-13 2022-10-11 Leibniz-Institut Für Festkörper-Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Method for producing at least one three-dimensional component for the uni-, bi-, tri- or multi-directional measurement and/or generation of vector fields and three-dimensional component for the uni-, bi-, tri- or multi-directional measurement and/or generation of vector fields

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Publication number Publication date
US9431082B2 (en) 2016-08-30
US20140030553A1 (en) 2014-01-30
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