JP2004531845A - 反強磁性層系およびこの形式の反強磁性層系への磁気的なデータ記憶のための方法 - Google Patents

反強磁性層系およびこの形式の反強磁性層系への磁気的なデータ記憶のための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は材料技術の分野に関連しかつ例えばコンピュータハードディスクに使用することができる反強磁性層系および磁気的なデータ記憶のための方法に関する。本発明の課題は、反強磁性層系およびこの形式の反強磁性層系への情報の意図した書き込みおよび読み出しを可能にする方法を提供することである。この課題は、少なくとも１つの強磁性層と少なくとも１つの反強磁性層とから成る反強磁性層系であって、強磁性層材料のキュリー温度は反強磁性層材料のブロッキング温度より上方にあり、かつ強磁性層および反強磁性層は相互交換異方性効果によって少なくとも磁化形態に関して結合されており、かつ反強磁性層の層厚は使用の反強磁性層系の作動温度の関数であり、ここで作動温度が増加するに従って層厚も増加するようにしたことによって解決される。

Description

【技術分野】
【０００１】
発明の適用分野
本発明は材料技術の分野に関連しかつ反強磁性層系および例えばコンピュータハードディスクまたは別の磁気的なマスメモリに使用することができるこの形式の反強磁性層系への磁気的なデータ記憶のための方法に関する。
【０００２】
従来の技術
磁気的なデータ記憶のために、これまでは例えば、噴霧加工されたコバルト白金層および層系のような粒状の硬質磁性材料がメモリ媒体として使用される。メモリ情報は磁気構造の形で存在しており、その際磁区は複数の粒子にわたって延在している。２つの反対方向に磁化された領域間の移行が１つのメモリ単位（１ビット）を表している。情報は局所的な磁界によって書き込まれ、従って強力な外部の磁界によって意図せずとも変えられたりまたは消去される可能性がある。このような従来のメモリディスクの機能の仕方は特許ＵＳ４７８９９５９８およびＵＳ５５２３１７３に記載されている。
【０００３】
ここ数年、磁性材料および部品の相次ぐ開発によって、年ごとに約３０％およびそれ以上のメモリ密度の増加を実現することができた。メモリ密度の増加により、メモリ単位として使用することができる面積は反比例して低下する。これにより、隣接する磁区移行は一層近付くことになる。しかし磁気抵抗効果形読み出しヘッドを介する情報の読み出しのためにも利用される磁化移行部の漂遊磁界は個々の磁区の磁化を不安定にする。同時に磁気領域が縮小されるとこの領域は熱変動を受け易くなり、このために磁化反転プロセスが生じることにもなる。後者は「超常磁性リミット」とも称される。しかしながら一層小さな領域を安定して磁化するために、磁気粒子の磁気的な異方性が高められるかまたは粒子の磁化、ひいては漂遊磁界が低減されなければならない。情報を書き込めるようににするための２つの可能性では、領域を反転磁化するために必要である保持力が高められることになる。書き込みヘッドによって生成される可能性がある磁界はヨーク材料の飽和磁化によって制限されている。これらの制約に基づいて、磁気的な記憶密度は約１００Ｇｂｉｔ／Ｚｏｌｌ２（１５．５Ｇｂｉｔ／ｃｍ２）のところに上側の最大値がある。
【０００４】
反強磁性材料において隣接する原子モーメントは強磁性磁石とは異なって平行ではなく、反平行に配向されている。それ故にこれらは消失する平均磁化を有している。２つの反平行に配向されている磁気的なサブ格子（スピンが同じ方位を有している原子のみ）が考察されると、サブ格子磁化は主には所定の方向をとる。強磁性磁石のように反強磁性磁石は普通、単軸または多軸の異方性を有している。反強磁性磁石は、サブ格子の反平行な配向が破壊されない限りは、消失する全体のモーメントに基づいて、外部の磁界とは相互作用しない。
【０００５】
反強磁性磁石の固有磁気特性に基づいて、これはメモリ媒体として用いることができる。反強磁性磁石のサブ格子磁化は、それが技術装置において生じるように磁界に感応しない。それ故に書き込まれた情報は妨害磁界に対して感応しない。付加的に、２つの磁区間の移行領域は非常に狭く保持することができる。その理由は、反強磁性磁石において反対向きのサブ格子磁化間の移行が原子スケールにおいて可能であるからである。消失する平均磁化に基づいて反強磁性磁区は妨害ないし漂遊磁界を生成しない。これにより消磁効果も期待されない。それ故に反強磁性磁石は従来の強磁性層に対して記憶密度を著しく高めるための前提になる。しかしこれまで情報を意図して反強磁性磁石に書き込むことはできない。同様に反強磁性磁石から情報を読み出すための方法もまだ公知ではない。
【０００６】
発明の開示
本発明の課題は、反強磁性の層系およびこの形式の反強磁性の層系に意図的に情報を書き込みかつ読み取ることを可能にする方法を提供することである。
【０００７】
この課題は各請求項に記載の本発明によって解決される。発展形態は従属請求項の対象である。
【０００８】
本発明の反強磁性層系は少なくとも１つの強磁性層と少なくとも１つの反強磁性層とから成り、ここで強磁性層材料のキュリー温度は反強磁性層材料のブロッキング温度より上方にある。その際強磁性層および反強磁性層は相互交換異方性効果によって少なくとも、磁化形態に関して結合されている。強磁性層が反強磁性層に及ぼす作用の温度依存性を利用して、反強磁性層の層厚の選択によって、磁化形態の安定性の温度依存性を制御することができる。これにより、反強磁性層の層厚は使用の反強磁性層系の作動温度の関数であり、ここで作動温度が増加するに従って層厚も増加する。
【０００９】
このような形式および手法において、作動温度において高い磁界に対して安定している情報を記憶しかつ制御される温度上昇によって有利には比較的僅かな領域において反強磁性層へのデータの書き込みおよび読み出しを実施することが可能である。
【００１０】
有利には、強磁性層および反強磁性層は直接接触していないかまたは部分的にだけ直接接触しており、その際それぞれの場合において層間の磁気相互作用が実現されている。
【００１１】
強磁性層の少なくとも１つと反強磁性層との間に非磁性の中間層が配置されており、ここで強磁性層と反強磁性層との間の磁気相互作用は非磁性の中間層によって大幅に妨げられるようなことは許されないようにしても有利である。
【００１２】
有利には、非磁性の中間層は０．２および２．０ｎｍ間の層厚を有している。
【００１３】
同様に有利には、層系は拡張されているおよび／または構造化されている。
【００１４】
有利にも強磁性層材料としてＮｉＦｅ（パーマロイ）が使用されている。
【００１５】
更に、反強磁性層材料としてＮｉＯ，ＩｒＭｎおよび／またはＦｅＭｎが使用されていると有利である。
【００１６】
０および１５０℃の間の作動温度において反強磁性層の層厚は１および２０ｎｍの間に実現されているようにしても有利である。
【００１７】
層がマイクロおよび／またはナノ領域にあるラテラル方向の寸法を有しているようにすれば同様に有利である。
【００１８】
本発明の反強磁性層系に磁気的にデータ記憶するための方法では少なくとも１つの強磁性層と少なくとも１つの反強磁性層とから成る少なくとも１つの層系が製造される。ここで使用の強磁性層材料は使用の反強磁性層材料のブロッキング温度より上方のキュリー温度を有している。層系の少なくとも１つの反強磁性層に対して反強磁性層材料のブロッキング温度より上方であってかつ強磁性層材料のキュリー温度より下方にある温度で１段階または多段階の局所的な熱処理が行われかつ引き続いて大域的または局所的に配向されている磁界をかけておいて冷却が実施される。
【００１９】
有利には局所的な熱処理はレーザ、ニアフィールド光学素子または導電性のラスタプローブ尖端を用いて実施される。
【００２０】
同じく有利には記憶されたデータの読み出しは磁気光学または磁気抵抗法を介して実施される。
【００２１】
反強磁性層および強磁性層が接触すると、これらは交換異方性効果を介して少なくともその磁化形態に関して結合する。反強磁性層および強磁性層の安定性（異方性）のバランスに依存して、反強磁性層内に強磁性層の磁化形態に追従する磁化形態が形成されるかまたは、強磁性層内に反強磁性層の磁化形態に追従する磁化形態が形成される。ブロッキング温度を上回る温度上昇によって、反強磁性層の磁化形態の安定性が、それが強磁性層の磁化形態をとりかつそれがブロッキング温度以下に冷却されてこの磁化形態を保持する程度の強度に弱められる。
【００２２】
反強磁性層系に磁気的にデータ記憶するための別の本発明の方法では、使用の反強磁性層系は該反強磁性層のブロッキング温度より上方の作動温度において使用される。それから強磁性の構成部材を介して該強磁性の構成部材の磁化形態が交換結合を用いて反強磁性層に局所的に記憶されおよび／または反強磁性層の磁化形態が強磁性構成部材によって読み出される。その際データの記憶のために、磁界が印加されかつデータの読み出しが磁界をかけずに実施される。
【００２３】
本発明を実施するための最良の方法
次に本発明を複数の実施例に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
その際示されているのは
図１は局所的に温度を高めるための構成部材を使用する本発明の層系のデータメモリの構成を示し、
図２はデータを記憶するための磁気的な構成部材を使用する本発明の層系のデータメモリの構成を示す。
【００２５】
例１
支持体材料３として用いられる円形のディスクに、１２ｎｍのＮｉＯ，１０ｎｍのＮｉ８１Ｆｅ１９および酸化バリヤとしての２ｎｍのＴａから成る層系が陰極スパッタリングを用いて２０℃で面状に被着される。層析出の間、強度１ｋＡ／ｃｍの回転対称の磁界が加えられている。このようにして製造された層系のブロッキング温度は７０℃にある。作動中ディスク３は可動の書き込み読み出しヘッド４の下方で回転する。０℃〜７０℃の温度領域、すなわち作動温度において、反強磁性層２は０．５Ｔまでの磁界によっては影響されない。高エネルギーの光スポットを回転方向において書き込み読み出しヘッド４の前に直接入力結合することによって、層系は、＞８５℃の温度まで加熱される。加熱される領域８の大きさはスポットの大きさに依存している。集束されたレーザビーム６によって３００ｎｍの直径のスポットが実現されるかまたはニアフィールド光学素子７（先の尖った光導波体）によって光は数十ｎｍの面に集中化される。
【００２６】
ブロッキング温度を局所的に上回ることによって、書き込みヘッド４によって強磁性層１に生成される磁化が反強磁性層２の磁化形態に伝達される。ディスク３はスポットおよび書き込み読み出しヘッド４の下方を出るように運動するので、書き込まれた個所は書き込み過程後すぐに７０℃のブロッキング温度以下に下がり、その結果書き込まれた情報は外部磁界に対して安定している。書き込まれた情報を読み出すために、磁気抵抗効果読み出しヘッド４によって測定される強磁性のＮｉ８１Ｆｅ１９層が用いられる。
【００２７】
例２
支持板材料として用いられる円形のディスク３に、陰極スパッタリングを用いて８ｎｍの厚さのＮｉＯ層が２０℃で面状に被着される。層析出の間、強度１ｋＡ／ｃｍの回転対称な磁界が印加される。作動中、ディスク３は同様に可動の書き込み読み出しヘッド４の下方で運動する。書き込み読み出しヘッド４は層系ＮｉＦｅ（１ｎｍ）Ｃｕ（０．８ｎｍ）ＣＯ（１０ｎｍ）並びに磁性のヨークから成っている。ヨークは電流コイルによって取り囲まれておりかつその開口に層系が存在している。書き込みのために、反強磁性層のＮｉＯ層２と読み出しヘッド４の１ｎｍの厚さのＮｉ１８Ｆｅ１９層１との間の磁気結合が形成されるまで、書き込み読み出しヘッド４がメモリディスク３に接近される。電流コイルを流れる電流によって、Ｎｉ１８Ｆｅ１９層１に対して磁化が行われる。この磁化は交換異方性により反強磁性層２によって引き継がれる。情報の読み出しのために、書き込み読み出しヘッド４は書き込みのためと同じ方法でメモリディスク３に接近される。しかしコイルには電流が流れていないので、これにより自由になるＮｉ１８Ｆｅ１９層１は反強磁性層のＮｉＯ層２の交換異方性に相応して配向される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】局所的に温度を高めるための構成部材を使用する本発明の層系のデータメモリの構成を示す図。
【００２９】
【図２】データを記憶するための磁気的な構成部材を使用する本発明の層系のデータメモリの構成を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１ 強磁性層
２ 反強磁性層
３ 支持体層
４ 書き込み読み出しヘッド
５ 集光レンズ
６ レーザビーム
７ ニアフィールド光学素子
８ 加熱領域

Claims (13)

  1. 少なくとも１つの強磁性層（１）と少なくとも１つの反強磁性層（２）とから成る反強磁性層系であって、
    強磁性層材料（１）のキュリー温度は反強磁性層材料（２）のブロッキング温度より上方にあり、かつ
    強磁性層（１）および反強磁性層（２）は相互交換異方性効果によって少なくとも、磁化形態に関して結合されており、かつ
    反強磁性層（２）の層厚は使用の反強磁性層系（２）の作動温度の関数であり、ここで作動温度が増加するに従って層厚も増加する
    反強磁性層系。
  2. 強磁性層（１）および反強磁性層（２）は直接接触していないかまたは部分的にだけ直接接触しており、ここでそれぞれの場合において層間の磁気相互作用が実現されている
    請求項１記載の反強磁性層系。
  3. 強磁性層（１）の少なくとも１つと反強磁性層（２）との間に非磁性の中間層が配置されており、ここで強磁性層（１）と反強磁性層（２）との間の磁気相互作用は非磁性の中間層によって大幅に妨げられるようなことは許されない
    請求項２記載の反強磁性層系。
  4. 非磁性の中間層は０．２および２．０ｎｍ間の層厚を有している
    請求項３記載の反強磁性層系。
  5. 層系は拡張されているおよび／または構造化されている
    請求項１記載の反強磁性層系。
  6. 強磁性（１）層材料としてＮｉＦｅ（パーマロイ）が使用されている
    請求項１記載の反強磁性層系。
  7. 反強磁性（２）層材料としてＮｉＯ，ＩｒＭｎおよび／またはＦｅＭｎが使用されている
    請求項１記載の反強磁性層系。
  8. ０および１５０℃の間の作動温度において反強磁性層（２）の層厚は１および２０ｎｍの間に実現されている
    請求項１記載の反強磁性層系。
  9. 層はマイクロおよび／またはナノ領域にあるラテラル方向の寸法を有している
    請求項１記載の反強磁性層系。
  10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の反強磁性層系に磁気的にデータ記憶するための方法であって、
    少なくとも１つの強磁性層（１）と少なくとも１つの反強磁性層（２）とから成る少なくとも１つの層系を製造し、ここで使用の強磁性層材料（１）は使用の反強磁性層材料（２）のブロッキング温度より上方のキュリー温度を有しており、かつ
    層系の少なくとも１つの反強磁性層（２）に対して、反強磁性層材料（２）のブロッキング温度より上方であってかつ強磁性層材料（１）のキュリー温度より下方にある温度で１段階または多段階の局所的な熱処理を行い、かつ
    引き続いて大域的または局所的に配向されている磁界をかけておいて冷却を実施する方法。
  11. 局所的な熱処理をレーザ（６）、ニアフィールド光学素子（７）または導電性のラスタプローブ尖端を用いて実施する
    請求項１０記載の方法。
  12. 記憶されたデータの読み出しを磁気光学または磁気抵抗法を介して実施する
    請求項１０記載の方法。
  13. 請求項１から９までのいずれか１項記載の反強磁性層系に磁気的にデータ記憶するための方法であって、
    使用の反強磁性層系（２）を該反強磁性層（２）のブロッキング温度より上方の作動温度において使用しかつ強磁性の構成部材（４）を介して該強磁性の構成部材（４）の磁化形態を交換結合を用いて反強磁性層（２）に局所的に記憶しおよび／または反強磁性層（２）の磁化形態を強磁性の構成部材（４）によって読み出し、ここでデータの記憶のために磁界を印加しかつデータの読み出しは磁界をかけずに実施する方法。
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