ES2225119T3 - Materiales magneticos. - Google Patents

Abstract

Un elemento de memoria, que comprende nanoimanes que tienen una simetría rotacional seleccionada con el fin de proporcionar una alta remanencia y una adecuada coercitividad, y en el que el elemento tiene simetría rotacional de orden 3 ó 5.

Description

Materiales magnéticos.

Esta invención se refiere a materiales magnéticos y, en particular, al uso de simetría rotacional para adaptar las propiedades magnéticas de los materiales.

El volumen de información que se puede almacenar en un disco duro de ordenador se ha elevado por un factor de 10^{7} en los pasados 40 años y en las décadas venideras parece fijarse una continua elevación a una tasa exponencial. Los materiales magnéticos convencionales de hoy día serán inadecuadas para cumplir los requerimientos de rendimiento demandados por la industria de almacenamiento magnético de datos del mañana. Una opción que actualmente se considera es una sinergia de nanotecnología y mecánica cuántica para fabricar partículas magnéticas a escala nanométrica llamadas nanoimanes. Éstos, en virtud de su extremadamente pequeño tamaño, poseen propiedades magnéticas muy diferentes de las de sus materiales de base en bruto. Cada nanoimán es análogo a un átomo gigante de un elemento artificial, lo que permite que los nuevos materiales magnéticos se formen de átomo gigante en átomo gigante. El rápidamente creciente campo del nanomagnetismo puede proporcionar, entre otras cosas, sustituciones avanzadas para medios de disco duro y una nueva generación de chips de memoria de ordenador no volátil, de alta velocidad y baja energía.

La propiedad más importante de un elemento o aleación magnética natural es su anisotropía. Esta hace referencia a la presencia de direcciones de magnetización preferidas dentro del material y es responsable, a la larga, de la determinación del modo en que un material magnético se comporta y las aplicaciones tecnológicas para las que es adecuado. En un material magnético convencional, la anisotropía proviene de la forma y simetría de la superficie electrónica de Fermi y, por consiguiente, es intrínseca al elemento o aleación particular y no se puede adaptar fácilmente. Sin embargo, en los nanoimanes la anisotropía no depende solamente de la estructura de bandas del material de base, sino también de la forma del nanoimán. Una de las características más atractivas de los materiales magnéticos artificiales es que se pueden diseñar sus propiedades magnéticas mediante la elección de la forma de los nanoimanes constituyentes.

Fernandez et al.: "Microscopía de fuerza magnética de puntos de cobalto de dominio sencillo moldeados usando litografía por interferencia" (IEEE Transactions on Magnetics, EE.UU., IEEE Inc. Nueva York, vol. 32, nº 5, 1 de septiembre de 1996, pág. 4472-4474) describe el uso de la litografía por interferencia en la fabricación de puntos de cobalto.

Según la presente invención, un elemento de memoria comprende nanoimanes que tienen una simetría rotacional seleccionada con el fin de proporcionar una alta remanencia y una adecuada coercitividad, y en el que el elemento tiene simetría rotacional de orden 3 ó 5.

Los dispositivos de la invención son materiales magnéticos artificiales formados sobre la superficie de un sustrato, tal como un trozo de silicio, usando una técnica tal como la litografía por haz de electrones. Los dispositivos pueden estar en el intervalo de tamaño 40-500 nm y en el intervalo de espesor 3-10 nm y pueden tener geometrías triangulares o pentagonales que corresponden, respectivamente, a simetrías rotacionales de orden 3 y 5. Sin embargo, el orden puede ser mayor. El material de base puede ser Supermalloy (Ni_{80}Fe_{14}Mo_{5}), que se escoge por dos razones. Primeramente, esta aleación es intrínsecamente casi isótropa y por consiguiente cualquier anisotropía en los nanoimanes debe proceder de su forma. En segundo lugar, el Supermalloy y su Permalloy pariente sin molibdeno son dos de las aleaciones magnéticas dulces omnipresentes de la industria e investigación y, como tales, representan una efectiva demostración de las nuevas y variadas propiedades que se pueden dar a un material simple mediante estructuración nanométrica. Como se describe más adelante, simplemente variando la simetría de los nanoimanes constituyentes se pueden fabricar materiales magnéticos artificiales con un intervalo enormemente amplio de propiedades magnéticas.

Se describen ahora ejemplos relativos a la presente invención con referencia a los dibujos anexos, en los que:

La Figura 1 muestra unas micrografías de exploración electrónica de algunos de los materiales magnéticos artificiales;

la Figura 2 muestra unos ciclos de histéresis para nanoimanes de diferente tamaño, espesor y forma geométrica;

la Figura 3 muestra un ciclo de histéresis para un nanoimán triangular superparamagnético;

la Figura 4 muestra las coercitividades medidas experimentalmente en función del tamaño del nanoimán;

la Figura 5 muestra el campo de anisotropía medido experimentalmente dentro de diferentes nanoimanes;

la Figura 6 muestra el periodo de anisotropía dominante de la Figura 5, expresado como campo de anisotropía (A) y como energía de anisotropía por nanoimán (B), para diferentes nanoimanes;

la Figura 7 muestra la susceptibilidad en función del tamaño y simetría del nanoimán; y

la Figura 8 muestra una disposición esquemática de un nanoimán superparamagnético en uso como sensor de campo o elemento lógico magnético.

Para formar dispositivos según la presente invención se puede emplear un procedimiento estándar de litografía por haz de electrones a base de despegue. El sustrato de muestra fue silicio cristalino sencillo orientado. El espaciado entre cada nanoimán siempre fue al menos igual que el diámetro del nanoimán, y para las estructuras más pequeñas fue 3 veces el diámetro de grande. La rugosidad superficial de los nanoimanes fue menor que 0,5 nm y la microestructura mostró granos de 5 nm orientados desordenadamente. Para evitar la oxidación, la superficie superior de cada nanoimán se cubrió con una capa de oro de 5 nm de espesor. Se encontró que la integridad de la forma geométrica se conservaba en estructuras tan pequeñas como 50 nm de tamaño. La Figura 1 muestra unas imágenes de Microscopía Electrónica Explorativa de algunas de las estructuras.

Con el fin de determinar las propiedades magnéticas de estos diferentes materiales artificiales, se midieron sus ciclos de histéresis (ciclos M-H) usando un conocido método magnetoóptico de alta sensibilidad. Se pudo observar la superficie de silicio con un microscopio óptico mientras que sobre la superficie se hizo mover un punto de láser (tamaño = 5 \mum) hasta que se focalizó sobre uno de los pedazos del material artificial. Se analizó la polarización del haz de láser reflejado con el fin de acceder al efecto longitudinal Kerr, que sirve como investigación del componente de magnetización que está situado en el plano óptico de incidencia. Luego, se registró esta magnetización mientras que en el plano de la muestra se aplicaba un campo magnético alternativo de 27 Hz de una intensidad de hasta 79.577 A/m (1.000 Oe). Todas las medidas se realizaron a temperatura ambiente.

Las Figuras 2 y 3 muestran algunos de los ciclos de histéresis medidos en nanoimanes de diferentes tamaño, espesor y forma geométrica. Inmediatamente se observa que los ciclos son muy diferentes entre sí y de los obtenidos con material no estructurado convencional. La variedad de aplicaciones tecnológicas cubiertas mediante las muestras representadas en estas figuras es considerable. Los pequeños rectángulos conocidos mostrados en la Figura 2B pueden ser adecuados para fabricar una sustitución artificial para medios de disco duro: los nanoimanes usados aquí pueden conseguir en principio densidades de almacenamiento de datos por encima de 15,5 Gbits/cm^{2} (100 Gbits/pulgada^{2}), es decir, 10 veces mayores que en los medios convencionales del estado actual de la técnica. Los rectángulos mayores conocidos de la Figura 2D se adaptan bien a una memoria magnética de acceso aleatorio (MRAM, del inglés Magnetic Random Access Memory), una sustitución que surge para memoria de semiconductor: un chip de memoria que usa elementos magnéticos de este tamaño puede ofrecer 1 Gbit de memoria no volátil de alta velocidad. Lo sorprendente es que en los nanoimanes triangulares y pentagonales se manifiesta un amplio rango de propiedades magnéticas. Los triángulos de la Figura 2E, que tienen una alta remanencia y una baja coercitividad, se pueden emplear como elemento de memoria, mientras que los pentágonos de la Figura 2F y los triángulos superparamagnéticos de la Figura 3 constituyen un excelente sensor de campo magnético o cabeza lectora de disco duro de alta sensibilidad, que tiene una permeabilidad relativa efectiva de 3.000 y una histéresis cero. Estas diversas aplicaciones son el resultado directo de la variación del tamaño, espesor y, lo más importante, de la simetría de los nanoimanes que constituyen el material artificial.

Con el fin de cuantificar este importante efecto, a partir de los ciclos de histéresis se ha medido la coercitividad en función del tamaño, espesor y orden de simetría de los nanoimanes. La coercitividad es una medida del campo aplicado necesario para reducir la magnetización a cero (es decir, los ciclos de histéresis tienen un ancho central del doble de la coercitividad) y como tal es una medida de cuan fácilmente un campo externo puede invertir la dirección de magnetización de un nanoimán. Esta es un parámetro clave en la valoración de la idoneidad para aplicaciones tecnológicas de un material magnético dado. La Figura 4 muestra los resultados, donde, con el fin de poder comparar diferentes geometrías, el tamaño de los nanoimanes se expresa mediante la raíz cuadrada de su área. En un segundo conjunto de muestras se ha confirmado la reproductibilidad de algunos de estos resultados experimentales.

La primera característica evidente a partir de los datos de la Figura 4 es que las simetrías doble y cuádruple manifiestan una clase de comportamiento, mientras que las simetrías triple y quíntuple manifiestan otra clase: nanoimanes con simetría doble/cuádruple muestran altas coercitividades que al principio se elevan conforme disminuye la longitud de la escala; nanoimanes con simetría triple/quíntuple muestran bajas coercitividades que descienden a cero conforme disminuye la longitud de la escala. La segunda observación que se puede hacer acerca de la Figura 4 es que, en todos los casos, el aumento del espesor conduce a una fuerte elevación de la coercitividad, lo que no es el caso en películas magnéticas amorfas.

El comportamiento de los nanoimanes dobles es muy franco y se debe a un fenómeno bien conocido llamado anisotropía de forma. La magnetización prefiere "aerodinamizarse" con el eje más largo del nanoimán con el fin de minimizar el área superficial de las caras polares. El campo que conduce este efecto es el campo desmagnetizante que pasa entre las caras polares a través del interior del imán. El campo desmagnetizante crece aproximadamente con la relación t/a, donde t es el espesor del nanoimán y a es su tamaño y, por consiguiente, en la Figura 4A se observa que la coercitividad se eleva conforme disminuye el tamaño.

Por el contrario, los efectos de las simetrías triple, cuádruple y quíntuple no son tan fácilmente comprendidos. Esto se debe a que el campo desmagnetizante de cualquier estructura se describe mediante un segundo tensor de categoría cartesiana y, por consiguiente, solamente puede presentar simetría monoaxial (doble). Por lo tanto, la anisotropía de forma no está presente, al menos en el sentido convencional, en el plano de estas estructuras de simetría de orden más alto. No obstante, los nanoimanes cuadrados claramente experimentan algún impedimento razonablemente fuerte para cambiar la dirección de la magnetización y, por consiguiente, debe estar presente alguna anisotropía. El hecho de que esta anisotropía sea claramente más débil en los imanes triangulares muestra que, aunque no es una anisotropía de forma clásica, todavía está relacionada con la forma del nanoimán.

Hay una característica recientemente descubierta en nanoimanes cuadrados llamada anisotropía configuracional. Esta sobreviene debido a las muy pequeñas desviaciones de la magnetización uniforme que se producen en casi todos los nanoimanes. Hasta ahora, no se ha aclarado hasta que punto es importante esta nueva anisotropía para definir las propiedades magnéticas de los nanoimanes. Con el fin de ensayar la hipótesis de que el comportamiento modificado que se observa en las Figuras 2 a 4 se debe a la anisotropía configuracional, se ha realizado una medida directa de la anisotropía en los nanoimanes usando una técnica que se llama Anisometría Magnetoóptica de Campo Modulado. En el plano de los nanoimanes se aplica un campo magnético estático intenso
H [= 27.852 A/m (350 Oe)] y, perpendicularmente a H, en el plano de los nanoimanes se aplica un campo oscilante más débil H_{t} [= 1.114 A/m (14 Oe) de amplitud]. La amplitud de la oscilación resultante de la magnetización se registra mediante la misma técnica magnetoóptica usada para obtener los ciclos de histéresis de las Figuras 2 y 3, y se relaciona directamente con la amplitud y simetría de cualquier anisotropía presente en el nanoimán. Se ha medido experimentalmente la anisotropía de nanoimanes triangulares, cuadrados y pentagonales, en el intervalo de tamaños 50-500 nm con un espesor de 5 nm, y los resultados se presentan en la Figura 5. En estos diagramas polares, el ángulo da la dirección \phi en el plano dentro del nanoimán, el radio da el radio del nanoimán en esa dirección y el color da la cantidad medida experimentalmente H_{a} = \frac{1 \ \partial^{2}E}{M_{s} \ \partial \phi^{2}} para un nanoimán de ese tamaño, donde M_{s} es la magnetización de saturación (800 emu\cdotcm^{-3}) y E(\phi) es la densidad energética magnética media del nanoimán cuando se magnetizó en la dirección \phi. Aunque H_{a} no es la definición usual del campo de anisotropía, se puede mostrar que cualquier oscilación en H_{a} tiene el mismo orden de simetría que la anisotropía fundamental y una amplitud igual a la magnitud del campo de anisotropía. La Figura 5 muestra los datos experimentales de 22 muestras diferentes de material magnético artificial (8 tamaños de triángulos, 8 tamaños de cuadrados y 6 tamaños de pentágonos), cada una medida en cualquiera de las 19 ó 37 direcciones diferentes de \phi (0-180º en escalones de 10º para triángulos y cuadrados, 0-180º en escalones de 5º para pentágonos) lo que hace un total de 526 medidas.

A partir de la Figura 5 es inmediatamente claro que en todos los nanoimanes estudiados están presentes campos de anisotropía intensos. Los nanoimanes triangulares presentan anisotropía con simetría séxtuple, los nanoimanes cuadrados muestran una anisotropía simétrica cuádruple y los nanoimanes pentagonales poseen una notable anisotropía décuple. En las estructuras triangulares y pentagonales se produce duplicación de frecuencia porque, en la magnetización, la energía siempre es cuadrática y por consiguiente no se pueden mantener órdenes de simetría impares.

A las representaciones gráficas de la Figura 5 se ha aplicado un análisis de Fourier, con el fin de obtener la magnitud de los campos de anisotropía en función del tamaño y simetría del nanoimán, y en la Figura 6 se muestran los resultados en dos formas diferentes. En la Figura 6A se representan gráficamente los campos de anisotropía directamente, mientras que en la Figura 6B se representa gráficamente la energía de anisotropía de un nanoimán sencillo (en unidades de kT, donde k es la constante de Boltzmann y T es 298K), usando la relación teórica U_{a}=2M _{s}H_{a}V/n^{2} En esta ecuación, U_{a} es la energía de anisotropía de un nanoimán sencillo (en ergios), H_{a} es el campo de anisotropía (en Oe), n es el orden de simetría de la anisotropía (4 para cuadrados, 6 para triángulos, 10 para pentágonos) y V es el volumen (en cm^{3}) del nanoimán. En esta ecuación, mediante el término n^{2} se proporciona un elemento importante para la comprensión de la influencia del orden de simetría sobre las propiedades magnéticas. Esto significa que aunque en la Figura 6A todas las geometrías muestran aproximadamente campos de anisotropía similares, en la Figura 6B muestran muy diferentes energías de anisotropía.

La energía de anisotropía es particularmente interesante debido a un fenómeno llamado superparamagnetismo, que es el proceso por el que en imanes a escala nanométrica se pueden superar barreras de energía de anisotropía mediante las fluctuaciones de energía térmica kT. Como guía aproximada, una barrera se puede superar en la escala de tiempo de estas medidas cuando es menor que 10 kT de altura. Esto significa que, cuando la energía de anisotropía es menor que 10 kT, se espera que la coercitividad descienda rápidamente a cero. Según la Figura 6B esto debe ocurrir cuando el tamaño del elemento es menor que aproximadamente 150 nm, siendo los cuadrados los últimos en descender conforme se reduce el tamaño. A la inversa, cuando la energía de anisotropía es mayor que 10 kT, la coercitividad sigue aproximadamente el campo de anisotropía. Esto explica la diferencia de comportamiento que en la Figura 4 se observa entre los cuadrados, por una parte, y los triángulos y pentágonos, por otra. El campo de anisotropía de los cuadrados (Figura 6A) muestra un pico conforme se reduce el tamaño del elemento, y este pico se refleja directamente en los datos de coercitividad de los cuadrados (Figura 4C). El campo de anisotropía de los pentágonos no muestra un pico, y esto también se refleja directamente en los datos de coercitividad (Figura 4D), aunque el descenso a cero se produce para un tamaño ligeramente mayor en los datos de coercitividad que en el campo de anisotropía, debido a la activación térmica. Finalmente, el campo de anisotropía de los triángulos ciertamente muestra un pico exactamente como los cuadrados, pero como las energías de anisotropía son más bajas en los triángulos, la activación térmica se fija en un tamaño mayor y evita que en los datos de coercitividad se observe el pico (Figura 4B). De este modo, se pueden explicar los datos de coercitividad determinados experimentalmente como debidos a una combinación de anisotropía configuracional y activación térmica.

Los materiales de alta remanencia que poseen una coercitividad finita (y por lo tanto una función de memoria) no son los únicos materiales magnéticos tecnológicamente importantes. Son igualmente importantes los materiales de coercitividad cero y remanencia cero, que encuentran aplicaciones en sensores y elementos lógicos magnéticos y, en este caso, el parámetro clave es la susceptibilidad, X. X se define como, 4\pi \partialM/\partialH donde M es la magnetización del nanoimán y H es el campo magnético aplicado. De este modo, X es directamente proporcional a la pendiente del campo cero de los ciclos de histéresis tal como se muestra en la Figura 2F. Usando el anterior experimento magnetoóptico (a una frecuencia de 27 Hz), se ha medido X en función del tamaño y simetría del nanoimán, con un espesor constante de 3,7 \pm0,5 nm, y los resultados se presentan en la Figura 7. X solamente es significativa cuando la coercitividad es cero y, por consiguiente, nos hemos limitado a este caso. Para comparación, en esta figura también se ha representado gráficamente la susceptibilidad teórica derivada de la función de Langevin. Esta es un concepto termodinámico estadístico que se aplica a un espín gigante sencillo en el espacio libre. A partir de la Figura 7 se pueden hacer tres observaciones. Primeramente, todas las susceptibilidades de los nanoimanes más pequeños determinadas experimentalmente están muy cerca del modelo de Langevin de espacio libre, incluso aunque se usen parámetros de ajuste, mostrando que el sistema experimental está bien controlado. En segundo lugar, las mayores desviaciones del modelo de Langevin son para los nanoimanes de simetría cuadrada. Esto es coherente porque éstos poseen la energía de anisotropía configuracional más intensa, lo que significa que el espín gigante contenido en un naoimán cuadrado parece menor que un espín gigante en el espacio libre. La anisotropía configuracional es quien a la larga origina que todas las simetrías se aparten del modelo de Langevin con el aumento del tamaño. En tercer lugar, las susceptibilidades medidas aquí son dos órdenes de magnitud mayores que las que se habrían obtenido a partir de partículas magnéticas de la misma forma y relación de aspecto, pero fabricadas a una escala de longitudes mayor que la nanométrica (es decir, micrométrica y superior, como el uso más convencional de sensores de campo magnético). En este último caso, la susceptibilidad procede de la movilidad de las paredes del dominio frente al campo desmagnetizante interno, que puede variar muy fuertemente. De este modo, se demuestra claramente el papel único de la estructuración a escala nanométrica.

La Figura 4 y la Figura 5 representan bien el modo en que la estructuración nanométrica emula realmente la creación de nuevos materiales magnéticos. El supermalloy crece con cristalografía f.c.c. que normalmente da como resultado una anisotropía doble o cuádruple. No obstante, la Figura 5A muestra una simetría séxtuple que normalmente se reserva para materiales con cristalografía h.c.p. En este caso, se puede usar la simetría de la forma (triangular) del nanoimán para emular un cambio en la fase cristalográfica. Similarmente, las relativamente altas coercitividades de nanoimanes cuadrados y rectangulares (Figura 4A y Figura 4C) normalmente se encuentran solamente en materiales magnéticos con una alta anisotropía y una microestructura acoplada débilmente. En este caso, una elección cuidadosa de la simetría del nanoimán emula un cambio en el elemento y un cambio en la microestructura. Finalmente, la cristalografía elemental dicta que una malla cristalina no puede poseer simetría décuple y, por consiguiente, no se debería esperar encontrar un elemento cristalino o aleación natural con una anisotropía magnética décuple. Sin embargo, la Figura 5C muestra que se ha tenido éxito en crear artificialmente uno usando nanoestructuración. En este caso se ha usado conformación nanométrica para dar un material cristalino una propiedad que normalmente se reserva para cuasicristales.

El esquema de la Figura 8 muestra una posible disposición que usa un nanoimán superparamagnético como parte de un sensor o elemento lógico. Una válvula de espín de tres capas 12 se une por ambos lados a las líneas del conector 14. La válvula 12 comprende una capa inferior magnética 16, una capa separadora no magnética 18 y, como capa superior, uno o más nanoimanes 20 en un estado superparamagnético. Las flechas 22 indican el paso de corriente a través de la válvula 12 y la flecha 24 indica la magnetización en la capa inferior magnética 16.

En conclusión, se ha determinado la importancia de la simetría de la forma de los nanoimanes sobre sus propiedades magnéticas, y esto se ha aplicado en aplicaciones prácticas. Se ha encontrado que la simetría juega un papel vital, permitiendo que se controlen las propiedades magnéticas sobre un intervalo muy grande. Se ha mostrado que el efecto clave que relaciona la simetría con las propiedades magnéticas es la anisotropía configuracional. Esto proporciona nuevos materiales magnéticos artificiales donde las propiedades magnéticas se pueden adaptar a una aplicación particular, con un grado de precisión muy alto.

La primera nueva idea es el uso de la anisotropía configuracional por medio de la simetría del elemento cuyas propiedades magnéticas se pretende adaptar. Hasta la fecha, las personas de la técnica han considerado solamente elementos rectangulares, cuadrados o circulares. Se ha determinado que, para controlar las propiedades magnéticas del elemento, se puede usar la anisotropía configuracional inducida por otras formas, tales como triángulos, pentágonos y hexágonos. La segunda nueva idea es el uso del superparamagnetismo en nanoestructuras para quitar la histéresis. En materiales convencionales, el superparamagnetismo conduce a campos de saturación muy altos, y como tal no se usa para sensores magnéticos. Sin embargo, aquí se muestra que en nanoestructuras el superparamagnetismo puede conducir a campos de saturación muy bajos (unos pocos Oe - véase la Figura 2F). Por sí mismo, esto sería muy adecuado para un sensor o elemento lógico. Incluso es más interesante, sin embargo, el hecho de que el superparamagnetismo garantiza una histéresis cercana a cero, que es un requisito previo para un buen sensor (véase la Figura 3). El mayor problema de cara al uso corriente de nanoestructuras como sensores es el hecho de que, generalmente, la histéresis se vuelve más grande conforme se reducen las dimensiones laterales del dispositivo.

Estas dos ideas se pueden combinar fijando la anisotropía configuracional en un valor bajo, mediante la elección de un forma adecuada (triangular, pentagonal o circular), que luego permita que la nanoestructura se vuelva superparamagnética y, por lo tanto, actúe como un buen sensor o elemento lógico.

Claims (4)

1. Un elemento de memoria, que comprende nanoimanes que tienen una simetría rotacional seleccionada con el fin de proporcionar una alta remanencia y una adecuada coercitividad, y en el que el elemento tiene simetría rotacional de orden 3 ó 5.

2. Un elemento según la reivindicación 1, formado a partir de un material magnético artificial formado sobre la superficie de un sustrato.

3. Un elemento según las reivindicaciones 1 ó 2, formado a partir de Supermalloy (Ni_{80}Fe_{14}Mo_{5}).

4. Un elemento según las reivindicaciones 1, 2 ó 3, en el intervalo de tamaño 40-500 nm por lado y en el intervalo de espesor 3-10 nm.