DE60113136T2 - Magnetelement, -speicheranordnung und -schreibkopf - Google Patents

Magnetelement, -speicheranordnung und -schreibkopf Download PDF

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetelement gemäß Präambel von Anspruch 1. Elemente dieser Art können als Schalter und für andere Zwecke eingesetzt werden, insbesondere in elektronischen Geräten zur Datenverarbeitung und für ähnliche Aufgaben. Die Erfindung betrifft insbesondere auch eine Speicheranordnung und einen Schreibkopf, in welchen ein oder mehrere dieser Magnetelemente verwendet werden.
  • STAND DER TECHNIK
  • Es ist bekannt, dass eine dünne Schicht aus ferromagnetischem Material in zwei verschiedenen magnetischen Richtungen magnetisiert werden kann und somit ein Magnetelement bildet, das zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin- und hergeschaltet werden kann. Dieser Effekt wird z. B. zur magnetischen Speicherung bzw. für Magnetspeicher genutzt. Zum Umschalten, d. h. zum Umkehren der Magnetisierungsrichtung, einer solchen Schicht, muss jedoch ein Magnetfeld angelegt werden, das normalerweise mittels relativ starker Ströme erzeugt wird. Herkömmliche Bauelemente lassen sich dadurch nur ziemlich schwer beherrschen. Darüber hinaus wirken sich diese Ströme insofern nachteilig aus, als sie Wärme erzeugen und den Stromverbrauch erhöhen.
  • In der internationalen Patentschrift WO 95/22820 wird ein Bauelement zur lokal gesteuerten Änderung der Magnetisierungsrichtung eines aus magnetischem Material bestehenden Körpers beschrieben, bei welchem eine Oberfläche mit einer Schicht aus einem nichtmetallischen Material beschichtet ist, auf der sich wiederum ein aus einem magnetischen Material bestehender Körper mit einer festen Magnetisierungsrichtung befindet, wobei die beiden aus dem magnetischen Material bestehenden Körper über die dazwischen angeordnete nichtmetallische Schicht hinweg magnetisch miteinander gekoppelt sind und der Charakter dieser magnetischen Kopplung mittels eines steuerbaren elektrischen Feldes lokal verändert werden kann, welches die aus dem nichtmetallischen Material bestehende Schicht lokal beeinflusst. Durch das anliegende elektrische Feld nimmt das nichtmetallische Material der Zwischenschicht in bestimmtem Maße metallischen Charakter an.
  • ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
  • Die Erfindung gemäß Anspruch 1 stellt ein magnetisches Element zur Verfügung, welches durch ein elektrisches Feld gesteuert werden kann. Da sich elektrische Felder leichter als magnetische Felder erzeugen lassen und nicht so träge sind wie diese, lässt sich das Element gemäß der Erfindung wesentlich leichter steuern als herkömmliche Elemente. Auch konstruktiv ist das Element einfacher, da es nicht durch Ströme, sondern durch Spannungen gesteuert wird. Dadurch kann das Element verkleinert und dichter gepackt werden. Bei der Verwendung als Speicherzelle ermöglicht das Magnetelement gemäß der Erfindung Speicherdichten, wie sie mit herkömmlichen Magnetelementen nicht erreichbar sind.
  • Dadurch kann ein vorteilhaftes Magnetelement zur Verfügung gestellt werden, das zwischen zwei verschiedenen Zuständen hin- und hergeschaltet und leichter als herkömmliche Elemente beherrscht werden kann.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsarten der Erfindung anhand von Beispielen und unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • 1 schematisch einen Querschnitt durch ein Magnetelement gemäß einer ersten Ausführungsart der Erfindung zeigt;
  • 2 schematisch einen Querschnitt durch ein Magnetelement gemäß einer zweiten Ausführungsart der Erfindung zeigt;
  • 3 die relative Änderung des spezifischen Widerstands im Material einer Kopplungsschicht als Funktion der angelegten Spannung bei Temperaturen von 100 K (hoher Scheinwiderstand) und 200 K (niedriger Scheinwiderstand) zeigt;
  • 4 das magnetische Austauschfeld in der Kopplungsschicht für unterschiedliche Dicken der elektrisch leitenden Teilschicht zeigt;
  • 5 das magnetische Austauschfeld an der Grenzfläche der Schaltschicht als Funktion der Dicke der elektrisch leitenden Teilschicht zeigt;
  • 6 schematisch einen Teilquerschnitt einer ersten Speicheranordnung gemäß der Erfindung zeigt, welche eine Gruppe von Speicherzellen umfasst, die als Magnetelemente gebildet sind;
  • 7 schematisch einen Teilquerschnitt einer zweiten Speicheranordnung gemäß der Erfindung zeigt, welche eine Gruppe von Speicherzellen umfasst, die als Magnetelemente gebildet sind; und
  • 8 schematisch einen Querschnitt eines Schreibkopfs gemäß der Erfindung zeigt, der als Magnetelement gebildet ist.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSARTEN
  • Bei einer ersten Ausführungsart der Erfindung (1) umfasst das Magnetelement als zweite Schicht eine aus einem elektrisch leitenden ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material bestehende fixierte Schicht 1, als benachbarte dritte Schicht eine Kopplungsschicht 2 mit der Dicke D und ferner als erste Schicht wiederum eine aus einem elektrisch leitenden ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material bestehende freie Schicht 3. Das Material der Kopplungsschicht 2 kann durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen einem elektrisch isolierenden und magnetisch kopplungsfreien Zustand und einem elektrisch leitenden und magnetisch gekoppelten metallischen Zustand hin- und hergeschaltet werden. Die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 1 wird durch eine Fixierungsschicht 4, die der fixierten Schicht 1 benachbart ist und der Kopplungsschicht 2 gegenüber liegt, in einer fest vorgegebenen Richtung festgelegt. Die Fixierungsschicht 4 ist entweder ein Dauermagnet mit einer Koerzitivfeldstärke, die größer ist als jede möglicherweise von außen einwirkende Magnetfeldstärke, oder ein Antiferromagnet. Ferner ist zwischen die freie Schicht 3 und die fixierte Schicht 1 eine einstellbare Spannungsquelle 5 geschaltet. Da das Material der Kopplungsschicht 2 normalerweise einen geringen spezifischen Widerstand aufweist, ist zwischen der an die negative Klemme der Spannungsquelle 5 angeschlossenen fixierten Schicht 1 und der Kopplungsschicht 2 eine Isolierschicht 6 angeordnet, um den Stromfluss zwischen den beiden Elektroden zu begrenzen. Die positive Klemme der Spannungsquelle 5 hingegen ist mit der Kopplungsschicht 2 elektrisch verbunden.
  • Bei einer zweiten Ausführungsart (2) der Erfindung ist im Anschluss an die Fixierungsschicht 4 gegenüber der fixierten Schicht 1 und der Kopplungsschicht 2 eine extra Elektrodenschicht 7 angeordnet, die an die positive Klemme der einstellbaren Spannungsquelle 5 angeschlossen ist. Die negative Klemme der einstellbaren Spannungsquelle 5 ist an die freie Schicht 3 angeschlossen. Die fixierte Schicht 1 besteht aus einem elektrisch isolierenden ferromagnetischen Material und dient gleichzeitig als Isolierschicht. Es sind natürlich auch andere Kombinationen aus elektrisch leitenden oder isolierenden fixierten oder freien Schichten sowie zusätzlichen isolierenden, Fixierungs- oder Elektrodenschichten möglich, wenn dies erforderlich ist.
  • Für die fixierte Schicht 1, die Kopplungsschicht 2 und die freie Schicht 3 steht eine breite Auswahl an Materialien zur Verfügung. Die fixierte Schicht 1 besteht aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material, vorzugsweise aus einem Perowskit oder einer ähnlichen Verbindung, insbesondere aus einem geordneten Doppelperowskit A2BIBIIO6, wobei A ein Erdalkalimetall, BI gleich Fe oder Cr und BII gleich Mo, W oder Re ist, oder aus einem Perowskit R1-xAxMnO3 mit 0 ≤ x ≤ 1, wobei R ein Seltenerdmetall und A ein Alkalimetall oder Fe4N ist. Die freie Schicht 3 besteht normalerweise ebenfalls aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material, vorzugsweise jedoch aus den oben erwähnten Materialien. Als weitere Möglichkeiten kommen für die freie Schicht 3 Übergangsmetalle oder Seltenerdmetalle wie Fe, Co, Ni, Gd, Y und Tb sowie deren Kombinationen untereinander und mit allen oben genannten Materialien in Frage. Für die Kopplungsschicht 2 wird ein Mott'scher Isolator verwendet. Mögliche Materialien umfassen Perowskite oder ähnliche Verbindungen, insbesondere Übergangsmetallperowskite wie beispielsweise R1-xAxNiO3, R1-xAxCoO3, R1-xAxFeO3, R1-xAxMnO3, R1-xAxCrO3, R1-xAxVO3, R1-xAxTiO3 mit 0 ≤ x ≤ 1, wobei R ein Seltenerdmetall und A ein Alkalimetall oder ein ähnliches Material wie Y1-xPrxBa2Cu3O7-δ mit 0 ≤ x ≤ 1 oder eine Mischung dieser Materialien ist. Für die Elektrodenschicht 7 (2) und die Isolierschicht 6 (1) kann z. B. SrRuO3 bzw. Ba1-xSrxTiO3 mit 0 ≤ x ≤ 1 verwendet werden.
  • Da die Dicke D der Kopplungsschicht 2 sehr gering – in der Größenordnung von wenigen Nanometern – und gleichzeitig von entscheidender Bedeutung für die Funktion des Magnetelements ist, muss besonders darauf geachtet werden, dass diese Dicke genau eingestellt wird und konstant ist. Aus diesem Grunde müssen die Oberflächen dieser Schichten extrem glatt sein. Mittels bekannter Verfahren wie Sputtern, Laserimpulsbeschichtung, Molekülstrahlepitaxie oder chemische Dampfabscheidung können Schichten mit den gewünschten Eigenschaften erzeugt werden. Zur Vermeidung von Gitterstörungen bestehen diese Schichten aus Materialien mit ähnlicher Struktur.
  • Die Wirkung des elektrischen Feldes auf die Kopplungsschicht wurde in 3 gezeigt. Zwischen die Kopplungsschicht und eine Schichtelektrode aus PtAu wurde eine einstellbare Spannungsquelle geschaltet. Die beiden Schichten waren durch eine 100 nm dicke amorphe Isolierschicht aus TaO voneinander getrennt. Der Widerstand der Kopplungsschicht wurde mit einer Vierpunkt-Widerstandsmesseinheit gemessen.
  • Für die Kopplungsschicht wurde ein Material aus der Reihe RNiO3 gewählt, wobei R ein Seltenerdmetall wie beispielsweise Pr, Nd, oder Sm ist. Von diesen Verbindungen ist bekannt, dass sie an der Grenze zwischen Isolator und Metall liegen. Diese Grenze kann zum Beispiel durch geringfügige Änderungen der Temperatur, des Drucks oder des Toleranzfaktors (chemischer Druck) verschoben werden (siehe beispielsweise M. Imada, A. Fujimori und Y. Tokura, Rev. Mod. Phys., 70, 1039 (1998), und die darin angegebenen Literaturstellen). Die Grenztemperatur zwischen Isolator und Metall in dieser Reihe der Mott'schen Isolatoren kann zwischen TMI = 0 K für LaNiO3 und TMI = 600 K für LuNiO3 eingestellt werden. Für Anwendungen bei Raumtemperatur kann für R eine Mischung aus den Elementen Nd und Sm gewählt werden. Bei dem Experiment, dessen Ergebnisse in 3 dargestellt sind, bestand die Kopplungsschicht aus einer 100 Å dicken Epitaxieschicht aus NdNiO3 mit einer scharfen Isolator/Metall-Grenze bei TMI ≈ 200 K.
  • Sobald eine negative Gatespannung U angelegt wird, wandern lochähnliche Ladungsträgerin die NdNiO3-Schicht, sodass der spezifische Widerstand p sinkt. Wenn der Scheinwiderstand der NdNiO3-Schicht hoch ist, kann der spezifische Widerstand, der bei einer Temperatur von T = 100 K in der Größenordnung von 0,1 Ωcm liegt, um etwa bis zu 10% verringert werden. Der elektrische Feldeffekt ist bei Temperaturen von T ≥ 200 K vernachlässigbar klein, wenn sich die Schicht in ihrem metallischen Zustand mit einem spezifischen Widerstand von ρ ≈ 10–4 Ωcm befindet. Stärkere elektrische Feldeffekte sind bei dünneren Kopplungsschichten und Isolierschichten sowie Isolierschichtmaterialien mit einer größeren Dielektrizitätskonstanten, z. B. Ba1-xSrxTiO3, zu erwarten.
  • Die Gatespannung kann sowohl positiv als auch negativ sein, wobei entweder Elektronen oder Löcher als Ladungsträger fungieren. Wichtiger ist das Material der Kopplungsschicht. Bei den meisten Materialien der Kopplungsschicht wirkt sich das Anlegen eines elektrischen Feldes wie folgt aus: Wenn keine Spannung anliegt, befindet sich die Kopplungsschicht 2 mit der Dicke D (1 und 2) in einem elektrisch isolierenden und magnetisch kopplungsfreien Zustand. Sobald jedoch eine Spannung von der Spannungsquelle 5 angelegt wird, wird eine der freien Schicht 3 benachbarte Teilschicht der Kopplungsschicht 2 in einen elektrisch leitenden und magnetisch gekoppelten metallischen Zustand umgeschaltet, da Ladungsträger aus der freien Schicht 3 in die Kopplungsschicht 2 wandern. Die Dicke der metallischen Teilschicht wächst mit steigender Spannung. In der isolierenden Teilschicht, deren Dicke D – d beträgt, nimmt die Stärke des durch die fixierte Schicht 1 verursachten magnetischen Austauschfeldes Hex exponentiell ab, d. h. Hex ( 1)(x) = H0e–αx, 0 ≤ x D – d (1)wobei H0 die Magnetfeldstärke an der zur fixierten Schicht 1 hin zeigenden Grenzfläche der Kopplungsschicht 2 und x der Abstand zu dieser Grenzfläche ist (siehe z. B. P. Bruno, Phys. Rev. B 49, 13231 (1994)). In der benachbarten metallischen Teilschicht folgt die Stärke des Magnetfeldes Hex jedoch einer gedämpften Schwingungskurve der folgenden Art: Hex (2)(x') = Hex (1)(D – d) × A/x'2 × sin((2πx'/λ) + φ, 0 < x' ≤ d (2)wobei Hex (1)(D – d) = H0e–α(D – d) die Austauschmagnetfeldstärke an der Grenzfläche zwischen der Isolierteilschicht und der metallischen Teilschicht der Kopplungsschicht 2 und x' der Abstand zu dieser Grenzfläche ist, d. h. x' = x – (D – d). Die Schwingungsperiode λ hängt ausschließlich vom Material der Kopplungsschicht 2, insbesondere von dessen Fermi-Wellenlänge ab, während die Amplitude A und die Phasendifferenz φ auch von den Materialien der fixierten Schicht 1 und der freien Schicht 3 abhängen (siehe z. B. J. Mathon, J. Magn. Mater. 100, 527 (1991) und R. Allenspach und W. Weber, IBM J. Res. Develop. 42, 7 (1998)). Im Bereich von x' = 0 weicht die Abhängigkeit der Stärke des Austauschmagnetfeldes von der Beziehung (2) insofern ab, als sich Hex (2) dem Wert von Hex (1)(D – d) annähert. Auf die freie Schicht 3 wirkt ein Austauschmagnetfeld der Stärke Hex D(d) = Hex (2)(d) = Hex ( 1 )(D – d) × A/d2 × sin((2πd/λ) + φ), 0 < d ≤ D (3) ein. HexD folgt im Wesentlichen einer gedämpften Schwingungskurve als Funktion von d und nimmt abwechselnd positive und negative Werte an. Wenn sowohl der Maximal- als auch der Minimalwert von Hex D größer als die Koerzitivfeldstärke Hc der freien Schicht 3 sind, kann die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 3 über eine geeignete Einstellung der Dicke d durch die angelegte Spannung beliebig gewählt werden. Dieses Prinzip ist in 4 dargestellt, wo die Stärke des Austauschmagnetfeldes Hex für d = d1 an der Grenzfläche zwischen der Kopplungsschicht 2 und der freien Schicht 3 einen Wert Hex D(d1) > 0 (gestrichelte Linie) annimmt, der eine ferromagnetische Kopplung zwischen der fixierten Schicht 1 und der freien Schicht 3 bewirkt, während diese Feldstärke für d = d2 einen Wert Hex D(d2) < 0 annimmt, sodass die Kopplung antiferromagnetisch wird.
  • Aus 5 ist die Abhängigkeit des auf die freie Schicht 3 einwirkenden Austauschmagnetfeldes von der Dicke d und somit von der Spannung noch deutlicher zu erkennen. Die Austauschmagnetfeldstärke Hex D kann größer als die positive Koerzitivfeldstärke +Hc oder kleiner als die negative Koerzitivfeldstärke –Hc werden oder im Bereich zwischen –Hc und +Hc bleiben. Sobald H größer als +Hc wird, nimmt die freie Schicht 3 eine Magnetisierungsrichtung parallel zur Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 1 an und behält diese so lange bei, bis Hex D kleiner als –Hc wird und die antiparallele Magnetisierungsrichtung eingenommen wird. Wenn die Koerzitivfeldstärke Hc wie bei dem in den 4 und 5 gezeigten Beispiel größer ist als die Austauschmagnetfeldstärke Hex D(0) = H0e–αD (gestrichelte Linie in 4), die bei einer Spannung von null Volt auf die freie Schicht 3 einwirkt, behält diese nach dem Abschalten der Spannung die Magnetisierungsrichtung bei, die dem zuletzt von Hex D(d) eingenommenen Vorzeichen unter der Bedingung |Hex D(d)| > Hc entspricht, während sich d dem Wert null nähert. Bei dem in den 4 und 5 dargestellten Fall ist die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 3 antiparallel zur fixierten Schicht 1 bei einer Spannung von null Volt.
  • Der elektrische Feldeffekt kann auf einen etwas anderen Mechanismus zurückgeführt werden, wenn sich die Kopplungsschicht, z. B. bei einer bestimmten Dotierung x in einem der oben erwähnten Materialien der Kopplungsschicht, bereits ohne angelegtes elektrisches Feld in einem halbleitenden oder metallischen Zustand befindet. In diesem Fall folgt die Austauschmagnetfeldstärke einer gedämpften Schwingungskurve im Wesentlichen gemäß der obigen Gleichung (2), bei der lediglich Hex (1)(D – d) durch H0 ersetzt wurde. Das elektrische Feld beeinflusst die Ladungsträgerdichte in der gesamten Kopplungsschicht, was wiederum die Fermi-Wellenlänge und damit die Wellenlänge λ der Schwingung beeinflusst. Der technisch wichtige Effekt – dass die Austauschmagnetfeldstärke Hex D, welche auf die freie Schicht einwirkt, durch die Spannung eingestellt werden kann – ist hier identisch.
  • Auf jeden Fall kann der elektrische Feldeffekt in einer Speicherzelle oder einer Speichereinheit genutzt werden, die eine Anordnung der in 6 gezeigten Speicherzellen umfasst, in denen die Fixierungsschicht 4, die fixierte Schicht 1, die Isolierschicht 6 und die Kopplungsschicht 2 durchgehend eine relativ große Fläche bedecken und die freie Schicht 3 in einzelne kleine Teilflächen aufgeteilt ist (von denen in der Figur nur eine dargestellt ist), welche die einzelnen Speicherzellen vervollständigen. Bei jeder Speicherzelle ist eine der Kopplungsschicht 2 gegenüber liegende Verbindungsschicht 8 aufgebracht, die aus einem ferromagnetischen Material mit fixierter Magnetisierungsrichtung besteht und durch eine metallische Abstandsschicht 9 von der freien Schicht 3 getrennt ist. Die Spannungsquelle 5 ist zwischen die fixierte Schicht 1 und die Verbindungsschicht 8 geschaltet. Darüber hinaus ist zwischen die freie Schicht 3 und die Verbindungsschicht 8 eine Widerstandsmessschaltung 10 geschaltet. Die Speicherzelle kann durch Umschalten der Magnetisierungsrichtung der Teilfläche der freien Schicht 3 in einen gegenüber der festen Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 1 parallelen oder antiparallelen Zustand beschrieben werden, indem, wie oben erläutert, eine geeignete Spannung angelegt wird. Zum Lesen der Speicherzelle wird der elektrische Widerstand des aus der freien Schicht 3, der Abstandsschicht 9 und der Verbindungsschicht 8 bestehenden Stapels gemessen, der davon abhängt, ob die Magnetisierungsrichtungen der freien Schicht 3 und der Verbindungsschicht 8 parallel oder antiparallel zueinander sind, was in der Technik als Riesenmagnetwiderstand bekannt ist. Da die freie Schicht 3 nach dem Abschalten der Spannung immer eine fest vorgegebene (normalerweise antiparallele) Magnetisierungsrichtung gegenüber der Fixierungsschicht 1 einnimmt, geht die darin gespeicherte Information dabei verloren, d. h. bei den Speicherelementen handelt es sich um flüchtige Speicher.
  • 7 zeigt eine nicht flüchtige Speicherzelle. Deren Struktur ist der Struktur der oben beschriebenen Speicherzelle ähnlich. Allerdings ist zwischen die freie Schicht 3 und die Abstandsschicht 9 zusätzlich ein weiteres Magnetelement eingefügt, d. h. jeweils eine weitere Isolierschicht 6', eine Kopplungsschicht 2' und eine freie Schicht 3', wobei Letztere die Information speichert und die freie Schicht 3 als Fixierungsschicht dient. Außerdem ist die einstellbare Spannungsquelle 5 zwischen die fixierte Schicht 1 und die freie Schicht 3 und zusätzlich eine weitere einstellbare Spannungsquelle 5' zwischen die freie Schicht 3 und die Verbindungsschicht 8 geschaltet, wobei die fixierte Schicht 1, die freie Schicht 3 und die Verbindungsschicht 8 gleichzeitig als Elektroden dienen. Die Austauschmagnetfeldstärke H'ex D (0), welche von der zusätzlichen freien Schicht 3' aus bei einer Spannung von null Volt auf die freie Schicht 3 einwirkt, ist kleiner als die Koerzitivfeldstärke H'c der zusätzlichen freien Schicht 3'. Unter Betriebsbedingungen wird die Spannung der zusätzlichen Spannungsquelle 5' auf einen Wert eingestellt, bei dem die Austauschmagnetfeldstärke H'ex D im Wesentlichen den Extremwert am nähesten bei d = 0 annimmt, für welchen die Beziehung |Hex D(d)| > Hc gilt. Das bedeutet, dass die zusätzliche freie Schicht 3' stets eine fest vorgegebene – entweder konstant parallele oder konstant antiparallele – Magnetisierungsrichtung gegenüber der freien Schicht 3 einnimmt. Z. B. sind die Magnetisierungsrichtungen der zusätzlichen freien Schicht 3' und der freien Schicht 3 bei der in den 4 und 5 dargestellten magnetischen Kopplung stets antiparallel. Da die Magnetisierungsrichtung der freien Schicht 3 in der oben beschriebenen Weise durch die Spannungsquelle 5 eingestellt werden kann, wird die Magnetisierungsrichtung der zusätzlichen freien Schicht 3' indirekt durch Letztere gesteuert. Wenn die zusätzliche Spannungsquelle 5' abgeschaltet wird, ändert sich der Zustand der zusätzlichen freien Schicht 3' nicht, während die magnetische Kopplung zwischen der freien Schicht 3 und der zusätzlichen freien Schicht 3' aufgehoben wird, da die Austauschmagnetfeldstärke H'ex D der Letzteren kleiner als die Koerzitivfeldstärke H'c wird. Das bedeutet, dass die zusätzliche freie Schicht 3' ihre zuvor eingenommene Magnetisierungsrichtung auch dann beibehält, wenn die freie Schicht 3 nach Abschalten der Spannungsquelle 5 umschaltet.
  • 8 zeigt einen Schreibkopf mit der allgemeinen Struktur des Magnetelements von 1 zum Schreiben auf eine Magnetspeicherplatte, bei der ebenfalls durch eine von der Spannungsquelle 5 angelegte Spannung die Magnetisierungsrichtungen der fixierten Schicht 1 und der freien Schicht 3 entweder parallel oder antiparallel eingestellt werden. Während im ersten Fall durch Überlagerung der parallelen Magnetfelder der beiden Schichten ein starkes Magnetfeld erzeugt wird, ist das durch die Überlagerung der antiparallelen Magnetfelder erzeugte Gesamtmagnetfeld im letzteren Fall schwach.
  • Man beachte, dass in manchen Fällen, insbesondere bei kleinen seitlichen Abmessungen des Magnetelements, das dem Austauschmagnetfeld überlagerte Streufeld der fixierten Schicht 1 in der gleichen Größenordnung wie das Koerzitivfeld der freien Schicht 3 liegen kann und deshalb berücksichtigt werden muss. In großflächigen dünnen Schichten mit Magnetisierung in der Ebene kann das Streufeld jedoch normalerweise vernachlässigt werden.
    • 1
    zweite Schicht, fixierte Schicht
    2, 2'
    dritte Schicht, Kopplungsschichten
    3, 3'
    erste Schicht, freie Schichten
    4
    Fixierungsschicht
    5
    Spannungsquelle
    6, 6'
    Isolierschichten
    7
    Elektrodenschicht
    8
    Verbindungsschicht
    9
    Abstandsschicht
    10
    Widerstandsmessschaltung

Claims (17)

  1. Magnetelement, welches eine zwischen einer ersten magnetischen Ausrichtung und einer zweiten magnetischen Ausrichtung umschaltbare erste Schicht (3), eine zweite Schicht (1) mit einer festen magnetischen Ausrichtung und eine zwischen der zweiten Schicht (1) und der ersten Schicht (3) angeordnete dritte Schicht (2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Eigenschaften der dritten Schicht (2) in Bezug auf die magnetische Kopplung durch Anlegen eines elektrischen Feldes mindestens zwischen einem elektrisch isolierenden und einem metallischen Zustand umgeschaltet werden können.
  2. Magnetelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (2) zwischen einem magnetisch kopplungsfreien und mindestens einem magnetischen Kopplungszustand umgeschaltet werden kann.
  3. Magnetelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (2) zwischen mindestens einem ferromagnetischen Kopplungszustand und einem antiferromagnetischen Kopplungszustand umgeschaltet werden kann.
  4. Magnetelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (1) ein ferromagnetisches oder ferrimagnetisches Material umfasst.
  5. Magnetelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (1) einen Dauerferromagneten oder Dauerferrimagneten umfasst.
  6. Magnetelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (1) mit einem Dauermagneten oder Dauerantiferromagneten magnetisch gekoppelt ist.
  7. Magnetelement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schicht (1) mindestens einen Perowskit oder eine analoge Verbindung, insbesondere einen geordneten Doppelperowskit A2BIBIIO6, in welchem A ein Erdalkalielement, BI Fe oder Cr und BII Mo, W oder Re ist; oder einen Perowskit R1-xAxMnO3 mit 0 ≤ x ≤ 1, in welchem R ein Seltenerdelement und A ein Erdalkalielement ist; oder Fe4N umfasst.
  8. Magnetelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (3) ein ferromagnetisches oder ein ferrimagnetisches Material umfasst.
  9. Magnetelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht (3) im Wesentlichen mindestens eines der folgenden Materialien umfasst: Fe, Co, Ni, Gd, Y, Tb, Fe3O4; einen geordneten Doppelperowskit A2BIBIIO6, in welchem A ein Erdalkalielement, BI Fe oder Cr und BII Mo ist; W oder Re; einen Perowskit R1-xAxMnO3 mit 0 ≤ x ≤ 1, in welchem R ein Seltenerdelement und A ein Erdalkalielement ist; und Fe4N.
  10. Magnetelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (2) ein Mott'sches Isolatormaterial umfasst.
  11. Magnetelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Schicht (2) im Wesentlichen mindestens einen Perowskit oder eine analoge Verbindung umfasst, wie zum Beispiel: R1-xAxNiO3, R1-xAxCoO3, R1-xAxFeO3, R1-xAxMnO3, R1-xAxCrO3, R1-xAxVO3, R1-xAxTiO3 mit 0 ≤ x ≤ 1, in welchem R ein Seltenerdelement und A ein Erdalkalielement ist; und Y1-xPrxBa2Cu3O7-δ mit 0 ≤ x ≤ 1.
  12. Magnetelement nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es ferner eine einstellbare Spannungsquelle (5) umfasst, die zwischen zwei Elektroden geschaltet ist, welche an gegenüberliegenden Seiten der dritten Schicht (2) angebracht sind.
  13. Magnetelement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass es eine zwischen den Elektroden angeordnete Isolierschicht umfasst.
  14. Magnetspeichervorrichtung, welche mindestens ein Magnetelement nach Anspruch 12 oder 13 umfasst.
  15. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner eine Verbindungsschicht (8) mit einer festen magnetischen Ausrichtung, welche durch eine elektrisch leitende Abstandsschicht (9) von der ersten Schicht (3) getrennt ist, sowie eine zwischen die erste Schicht (3) und die Verbindungsschicht (8) geschaltete Widerstandsmessschaltung (10) umfasst.
  16. Magnetspeichervorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner an der der dritten Schicht (2) gegenüber liegenden Seite der ersten Schicht (3) eine weitere Kopplungsschicht (2') und eine weitere freie Schicht (3') sowie eine weitere einstellbare Spannungsquelle (5') umfasst, die zwischen zwei an den entgegengesetzten Seiten der weiteren Kopplungsschicht (2') angebrachte Elektroden geschaltet ist, wo die Koerzitivfeldstärke (H'c) der weiteren freien Schicht (3') größer ist als die magnetische Austauschfeldstärke (H'ex D(0)), wenn die an die Schicht angelegte Spannung gleich null ist.
  17. Schreibkopf, welcher ein Magnetelement nach Anspruch 12 oder 13 umfasst.
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