RU2702810C1 - Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа - Google Patents
Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа Download PDFInfo
- Publication number
- RU2702810C1 RU2702810C1 RU2019110376A RU2019110376A RU2702810C1 RU 2702810 C1 RU2702810 C1 RU 2702810C1 RU 2019110376 A RU2019110376 A RU 2019110376A RU 2019110376 A RU2019110376 A RU 2019110376A RU 2702810 C1 RU2702810 C1 RU 2702810C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnetic
- skyrmions
- medium
- arrays
- layer
- Prior art date
Links
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 87
- 239000000523 sample Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 31
- 238000003491 array Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 28
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 21
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 claims description 13
- 229910052707 ruthenium Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 claims description 10
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 8
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 7
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 7
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims description 6
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 6
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000008186 active pharmaceutical agent Substances 0.000 claims description 5
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 claims description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 5
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910019230 CoFeSiB Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910000684 Cobalt-chrome Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000010952 cobalt-chrome Substances 0.000 claims description 4
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 229910003321 CoFe Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910019236 CoFeB Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 3
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 3
- -1 or Co Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000004621 scanning probe microscopy Methods 0.000 claims description 3
- 230000005418 spin wave Effects 0.000 claims description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 6
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 abstract description 6
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 abstract 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 abstract 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 20
- 238000002465 magnetic force microscopy Methods 0.000 description 7
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 3
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 3
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 description 2
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000012552 review Methods 0.000 description 2
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- KRQUFUKTQHISJB-YYADALCUSA-N 2-[(E)-N-[2-(4-chlorophenoxy)propoxy]-C-propylcarbonimidoyl]-3-hydroxy-5-(thian-3-yl)cyclohex-2-en-1-one Chemical compound CCC\C(=N/OCC(C)OC1=CC=C(Cl)C=C1)C1=C(O)CC(CC1=O)C1CCCSC1 KRQUFUKTQHISJB-YYADALCUSA-N 0.000 description 1
- 229910017028 MnSi Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000004574 scanning tunneling microscopy Methods 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/04—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
- H01L21/18—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Thin Magnetic Films (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области электроники и наноэлектроники, а именно к способу создания скирмионов и их массивов в магнитных нано- и микроструктурах, а также пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью воздействия магнитным зондом атомного силового микроскопа с определённым шагом сканирования. Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью магнитного зонда атомного силового микроскопа, включающий формирование среды с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной анизотропией, измерение петли магнитного гистерезиса, определение критических полей зарождения доменной структуры, определение констант эффективной магнитной анизотропии и взаимодействия Дзялошинского-Мория, подготовку магнитного образца (среды) и магнитного зонда, предварительное сканирование образца магнитным зондом, модификацию магнитной структуры зондом и создание скирмионов или массивов скирмионов. Изобретение обеспечивает возможность создания отдельных скирмионов, а также массивов скирмионов произвольной формы в магнитных микро- и наноструктурах, а также пленках. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.
Description
Изобретение относится к области электроники и наноэлектроники, а именно, к способу создания скирмионов и их массивов в магнитных нано-, микроструктурах и пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью воздействия магнитным зондом атомного силового микроскопа.
Скирмион представляет собой топологически защищенную спиновую текстуру, которая образуется в тонких магнитных пленках или геликоидальных магнетиках, и может быть охарактеризована нетривиальным топологическим зарядом Nsk. Для скирмионов этот параметр достигает фиксированных значений Nsk = ± 1 [см. Yin G., Li Y., Kong L., Lake R. K., Chien C. L., Zang J. Topological charge analysis of ultrafast single skyrmion creation // Physical Review B. - 2016. - T. 93, № 17. - C. 174403]. Скирмионы устойчивы к внешним возбуждениям и сохраняются продолжительное время. Диаметр скирмионов варьируется в диапазоне от 10 до 250 нм в зависимости от параметров магнитной структуры. Скирмионы демонстрируют топологический эффект Холла [см. Neubauer A., Pfleiderer C., Binz B., Rosch A., Ritz R., Niklowitz P. G., Böni P. Topological Hall Effect in the а-phase of MnSi // Physical Review Letters. - 2009. - T. 102, № 18. - C. 186602] и под действием спин-поляризованных токов могут более эффективно перемещаться, чем доменные стенки [см. Yu X. Z., Kanazawa N., Zhang W. Z., Nagai T., Hara T., Kimoto K., Matsui Y., Onose Y., Tokura Y. Skyrmion flow near room temperature in an ultralow current density // Nature Communications. - 2012. - T. 3. - C. 988.]. Стабильность, мобильность и малый размер скирмионов делает их перспективными для использования в магнитоэлектрических устройствах и скирмионной памяти [см. Kang W., Huang Y., Zheng C., Lv W., Lei N., Zhang Y., Zhang X., Zhou Y., Zhao W. Voltage Controlled Magnetic Skyrmion Motion for Racetrack Memory // Scientific Reports. - 2016. - T. 6. - C. 23164]. При этом необходимо разработать методы зарождения скирмионов с контролем места их локализации. Это важная и актуальная задача, решение которой необходимо для практической реализации новых типов магнитной памяти и устройств магноники.
Известен способ создания скирмионов и магнитной структуры, в которой скирмионы зарождают и сдвигают, а также способ регистрации скирмионов (см. патент US20170169898A1, опубл. 2017-06-15). Для зарождения скирмионов генерируют локальное магнитное поле, для чего пропускают ток через проводник в форме разомкнутой окружности, полуокружности или квадрата. Скирмион зарождается при пропускании импульса тока через проводник, вследствие индуцируемого магнитного поля Эрстеда.
К недостаткам данного способа создания скирмионов можно отнести следующее:
- место создания скирмионов задано положением проводника на магнитной полоске;
- для реализации данного способа размер петли, огибаемой проводником, должен быть не более размера скирмиона т.е. от 10 до 100 нм, что затруднительно сделать с помощью электронной литографии;
- с уменьшением размеров проводника уменьшается площадь поперечного сечения, что не позволяет пропустить токи, достаточные для зарождения скирмионов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа, включающий формирование среды, состоящей из пленки с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория, сформированной на подложке, выбранный за прототип по существенным признакам и достигаемому результату (см. Pin-Jui Hsu, André Kubetzka, Aurore Finco, Niklas Romming, Kirsten von Bergmann and Roland Wiesendanger Electric-field-driven switching of individual magnetic skyrmions. Nat. Nanotechnol. 12, 123-126 (2017)). Скирмионы зарождают в пленке Fe толщиной 2,5 атомных слоя, выращенной на подложках Ir(111) в условиях сверхвысокого вакуума. Условия в процессе зарождения и исследования скирмионов: температура образца равна 7,8 К, внешнее магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости образца, равно Н = 25 000 Э. При исследовании скирмионов зонд микроскопа подводят к поверхности образца так, что ток между иглой и образцом равен 0,5 нА при напряжении +0,3 В. Для создания скирмионов напряжение увеличивают до U = +3 В, что приводит к появлению единичного скирмиона.
Недостатки данного метода:
- для создания скирмионов с помощью сканирующей туннельной микроскопии необходимы условия сверхвысокого вакуума. На воздухе происходит окисление образца, загрязнение его поверхности и зонда;
- скирмионы сохраняются только в сильных магнитных полях, в данном случае, Н = 25 000 Э. В отсутствие магнитного поля скирмионы разрушаются. Эти условия не позволяют использовать на практике данный способ;
- зарождение скирмиона происходит при низкой температуре (7,8 К), что не позволяет его использовать в реальных устройствах.
Задачей, поставленной и решаемой заявляемым способом, является создание скирмионов и их массивов в магнитных нано-, микроструктурах и пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью воздействия магнитным зондом атомного силового микроскопа при нормальных условиях.
Технический результат, который может быть получен при реализации предлагаемого изобретения, - создание единичных скирмионов размером от 200 нм и менее и их массивов произвольной конфигурации в магнитных нано- и микроструктурах, а также пленках (далее - среда) с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией.
Поставленная задача решается, тем, что способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа, включающий формирование среды, состоящей из пленки с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория, сформированной на подложке, отличается тем, что в качестве подложки для формирования среды выбирают полупроводниковые подложки, например, естественно оксидированные подложки кремния, как с собственными носителями зарядов, так и легированные примесными атомами, в качестве среды используют многослойные магнитные нано- и микроструктуры, а также пленки типа «подложка/B/[X/Y/Z]n/T», где B – буферный слой из немагнитного материала, который сглаживает поверхность образца, задает структуру последующих слоев, X и Z – немагнитные материалы (оксиды или металлы с сильным спин-орбитальным взаимодействием), Y – ферромагнитный материал, T – верхний слой из немагнитного материала, препятствующий оксидированию и ухудшению магнитных параметров среды, n – число повторений структуры [X/Y/Z], в которой выполняется условие D/Dc = [1…3], где D – энергия взаимодействия Дзялошинского-Мория, Dc - критическая величина взаимодействия Дзялошинского-Мория, определяемая условием Dc = 4/π √(А⋅К), А – константа обменного взаимодействия, К – константа эффективной магнитной анизотропии, причем параметры D и K определяют с помощью спектроскопии Мандельштам - Бриллюэновского рассеяния света для невзаимного распространения спиновых волн в геометрии Деймона-Эшбаха, когда образец намагничен в плоскости пленки, волновой вектор ориентирован перпендикулярно намагниченности, при этом используют табличное значение А, кроме того, для создания скирмионов величину магнитного поля в процессе сканирования в режиме атомной силовой микроскопии Hsc, определяют из петель перемагничивания; величину поля насыщения, в котором реализуется однодоменное состояние магнитного насыщения Hs, определяют из петель перемагничивания; величину шага, с которым производят сканирование в режиме атомной силовой микроскопии d, определяют из периода доменной структуры LDS в размагниченном состоянии.
При этом в качестве буферного слоя из немагнитного материала B может быть использован слой Та или Ru, или Cu, или W, или Pd; слоя из немагнитного материала X – Pt или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd; а также их сплавы; слоя из ферромагнитного материала Y – Fe, или Co, или CoFe, или CoFeB, или CoFeSiB, или Ni, или [Co/Ni]n; слоя из немагнитного материала Z – Pt, или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd, или MgO, или Al2O3, а также сплавы указанных металлов; верхнего слоя из немагнитного материала T – Ta, или Ru, или Cu, или Au, или Pt, или Pd , или MgO, или Al2O3, при этом толщины слоев варьируют в следующих диапазонах: B = [1…10] нм; X = [0,5…5] нм; Y = [0,3…2] нм; Z = [0…5] нм; T = [0,5…10] нм, а число повторений n – изменяется от 1 до 20.
Кроме того, в качестве зондов для сканирующей микроскопии используют зонды с магнитным покрытием CoCr или аналогичным по магнитным свойствам с дополнительными слоями, защищающими от окисления, общая толщина покрытия от 3 до 40 нм, радиус кривизны острия зонда от 10 до 80 нм.
Сопоставительный анализ совокупности существенных признаков заявляемого способа и совокупности существенных признаков аналогов и прототипа свидетельствует о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».
При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
Признак «…в качестве подложки для формирования среды выбирают полупроводниковые подложки, например, естественно оксидированные подложки кремния, как с собственными носителями зарядов, так и легированные примесными атомами…» делает способ совместимым с существующими полупроводниковыми производствами.
Признак «…в качестве среды многослойных магнитных нано-, микроструктур и пленок типа «подложка/B/[X/Y/Z]n/T», где B – буферный слой из немагнитного материала, который сглаживает поверхность образца, задает структуру последующих слоев, X и Z – немагнитные материалы (оксиды или металлы с сильным спин-орбитальным взаимодействием), Y – ферромагнитный материал, T – верхний слой из немагнитного материала, препятствующий оксидированию и ухудшению магнитных параметров среды, n – число повторений…» позволяет в сформированной таким образом среде с помощью сканирования магнитным зондом при соблюдении специальных условий сканирования создавать скирмионы, которые сохраняются как в присутствии внешних магнитных полей, так и без магнитного поля.
Признак, указывающий, что в среде «выполняется условие D/Dc = [1…3], где D – энергия взаимодействия Дзялошинского-Мория, определяемая условием Dc - критическая величина взаимодействия Дзялошинского-Мория Dc = 4/π √(А⋅К), А – константа обменного взаимодействия, К – константа эффективной магнитной анизотропии, причем параметры D и K определяют с помощью спектроскопии Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света для невзаимного распространения спиновых волн в геометрии Деймона-Эшбаха, когда образец намагничен в плоскости пленки, волновой вектор ориентирован перпендикулярно намагниченности, при этом используют табличное значение А» обеспечивает существование стабильных скирмионов в отсутствие магнитного поля.
Признак «…для создания скирмионов величину магнитного поля в процессе сканирования в режиме атомной силовой микроскопии Hsc, определяют из петель перемагничивания; величину поля насыщения, в котором реализуется однодоменное состояние магнитного насыщения Hs, определяют из петель перемагничивания; величину шага, с которым производят сканирование в режиме атомной силовой микроскопии d, определяют из периода доменной структуры LDS в размагниченном состоянии…» определяет ключевые условия сканирования при создании скирмионов.
Признак «в качестве буферного слоя из немагнитного материала B может быть использован слой Та или Ru, или Cu, или W, или Pd; слоя из немагнитного материала X – Pt или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd; а также их сплавы; слоя из ферромагнитного материала Y – Fe, или Co, или CoFe, или CoFeB, или CoFeSiB, или Ni, или [Co/Ni]n; слоя из немагнитного материала Z – Pt, или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd, или MgO, или Al2O3, а также сплавы указанных металлов; верхнего слоя из немагнитного материала T – Ta, или Ru, или Cu, или Au, или Pt, или Pd , или MgO, или Al2O3, при этом толщины слоев варьируют в следующих диапазонах: B = [1…10] нм; X = [0,5…5] нм; Y = [0,3…2] нм; Z = [0…5] нм; T = [0,5…10] нм, а число повторений n – изменяется от 1 до 20» позволяет сформировать многослойные магнитные нано-, микроструктуры и пленки типа «подложка/B/[X/Y/Z]n/T», (среду) из различных материалов для создания скирмионов.
Признак «…использование в качестве зондов для сканирующей микроскопии используют зонды с магнитным покрытием CoCr или аналогичным по магнитным свойствам с дополнительными слоями, защищающими от окисления, общая толщина покрытия от 3 до 40 нм, радиус кривизны острия зонда от 10 до 80 нм…» обеспечивает создание скирмионов и визуализацию их положения.
Такая совокупность отличительных признаков позволяет решить поставленную задачу и устранить недостатки способа-прототипа, обеспечивая более высокую эффективность метода создания скирмионов с возможностью получения массивов скирмионов произвольной конфигурации, более низкие требования к условиям зарождения (комнатная температура, работа в воздушной атмосфере). Заявляемый способ обеспечивает получение скирмионов в магнитных нано- и микроструктурах, а также пленках, стабильных в отсутствие внешнего магнитного поля.
Способ создания скирмионов и их массивов в магнитных нано- и микроструктурах, а также пленках поясняется снимками, схемами и графиками, приведенными на фиг.1-7.
На фиг.1 показана схема среды «подложка/B/[X/Y/Z]n/T», описанной в примере 1, в которой были созданы как единичные скирмионы, так и массивы скирмионов произвольной формы; на фиг.2 показана петля перемагничивания среды «подложка/B/[X/Y/Z]n/T», описанной в примере 1 и полученная с помощью вибромагнетометра (в данной среде были созданы как единичные скирмионы, так и массивы скирмионов произвольной формы); на фиг.3 показано изображение доменной структуры среды «подложка/B/[X/Y/Z]n/T», описанной в примере 1; на фиг. 4 показано изображение доменной структуры среды «подложка/B/[X/Y/Z]n/T», описанной в примере 1 с единичными скирмионами (положение некоторых скирмионов отмечено стрелками); на фиг.5 показано изображение доменной структуры среды «подложка/B/[X/Y/Z]n/T» с массивом скирмионов, созданных согласно методике, описанной в примере 2; на фиг. 6 показано изображение шаблона для создания массива скирмионов (а) и пример разбиения шаблона на прямоугольные области (б); на фиг. 7 показано изображение доменной структуры среды «подложка/B/[X/Y/Z]n/T» с массивом скирмионов, созданного по шаблону согласно методике, описанной в примере 3.
Представленные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.
Пример 1. Создание единичных скирмионов в среде типа «подложка/B/[X/Y/Z]n/T».
Первый этап - получение среды для зарождения скирмионов. Для этого, на предварительно очищенную естественно оксидированную кремниевую подложку наносят тонкие пленки в едином технологическом цикле. Метод нанесения пленок – магнетронное распыление в атмосфере аргона. Базовое давление в камере составляло 10-8 Торр. Рабочее давление Ar составляло 10-4 Торр. В качестве материалов для пленки «B/[X/Y/Z]n/T» были использованы: B – Ta, X - Pt, Y - CoFeSiB, Z – W, T – Ta. Толщины слоев материалов: B = 3 нм, X = 1 нм, Y= 1,5 нм, Z = 1 нм, T = 5 нм. Число повторений n = 10. Схема среды показана на фиг. 1.
Второй этап – аттестация полученной среды. Аттестацию проводят с помощью вибромагнетометра или любым другим методом, позволяющим получить петли магниторезистивного или токоиндуцированного перемагничивания и определить поле переключения намагниченности перпендикулярно плоскости образца, спектроскопии Мандельштам-Бриллюэновского рассеивания света, а также магнитной силовой микроскопии. Результаты измерения петель перемагничивания в поле, направленном перпендикулярно плоскости образца, показаны на фиг. 2. На фиг. 2 обозначено поле насыщения (Hs), а также поле зарождения скирмионов (Hsc), которое необходимо прикладывать в процессе сканирования в режиме атомной силовой микроскопии. Величина полей Hs = 600 Э, Hsc = 200 Э. Из измерений с помощью спектроскопии Мандельштам-Бриллюэновского рассеивания света определены D = 0,85 эрг/см2 и K = 6×105 эрг/см3. Величина А = 2×10-07 эрг/см. Тогда Dc = 0,44 эрг/см2, а соотношение D/Dc = 1,93, что соответствует условию зарождения скирмионов.
С помощью сканирующей магнитной силовой микроскопии определяют период доменной структуры, реализуемой в размагниченном состоянии в образце. Для этого, создают магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости с постепенно убывающей до нуля амплитудой. Начальные значения амплитуды изменения магнитного поля задавали от +Hs до -Hs, число шагов не менее 100. Затем проводили сканирование в режиме магнитной силовой микроскопии поверхности образца. Сканирование производили на микроскопе Ntegra Aura (НТ – МДТ, Россия). Микроскоп оборудован электромагнитом, позволяющим создавать магнитное поле в процессе сканирования, направленное перпендикулярно поверхности образца. В качестве зонда использовали стандартные кантилеверы для магнитной силовой микроскопии MFM01 (НТ – МДТ, Россия): радиус кривизны острия зонда составляет 40 нм, магнитное покрытие CoCr с дополнительными слоями, защищающими от окисления, общая толщина покрытия - 30-40 нм.
Изображение доменной структуры показано на фиг. 3. Измерения позволили установить период доменной структуры LDS = 250 нм.
Третий этап – индуцирование единичных скирмионов. Для создания единичных скирмионов выполняют следующую последовательность операций:
- создают магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости образца H ≥ Hs и отключают магнитное поле (Н = 0).
- проводят сканирование рельефа поверхности в режиме атомной силовой микроскопии с шагом d < LDS. В данном случае d = 100 нм. - повторяют сканирование не менее чем 5 раз с перемещением зонда вдоль направления OX, а затем вдоль направления OY. Размер области сканирования 5×5 мкм2.
- проводят сканирование в режиме магнитной силовой микроскопии. Размер области сканирования 5×5 мкм2.
Изображение доменной структуры с единичными скирмионами диаметром 200 нм представлено на фиг. 4.
Пример 2. Создание прямоугольного массива скирмионов в среде типа «подложка/B/[X/Y/Z]n/T».
Пример 2 проводят по примеру 1, но сканирование проводят следующим образом.
- создают магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости образца H ≥ Hs и уменьшают поля до Н = Hsc. В данном случае Hsc = 200 Э.
- проводят сканирование рельефа поверхности в режиме атомной силовой микроскопии с шагом d = LDS = 250 нм в магнитном поле Hsc = 200 Э. Повторяют сканирование не менее чем 5 раз с перемещением зонда вдоль направления OX, а затем вдоль направления OY. Размер области сканирования 2×4 мкм2.
- проводят сканирование в режиме магнитной силовой микроскопии. Размер области сканирования 3,5×5,5 мкм2. На фиг. 5 представлено экспериментальное изображение созданного массива скирмионов. Диаметр скирмионов – 200 нм. Границы массива очерчены пунктирной линией для лучшей визуализации.
Пример 3. Создание массива скирмионов произвольной формы в среде типа «подложка/B/[X/Y/Z]n/T».
Пример 3 проводят по примеру 1, но сканирование проводят следующим образом.
- создают магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости образца H ≥ Hs и уменьшают поле до Н = Hsc. В данном случае Hsc = 200 Э.
- проводят сканирование рельефа поверхности в режиме атомной силовой микроскопии с шагом d = LDS = 250 нм в магнитном поле Hsc = 200 Э. Сканирование проводят согласно шаблону представленному на фиг. 6. Для упрощения сканирования шаблон разбит на прямоугольные области. Повторяют сканирование не менее чем 5 раз с перемещением зонда вдоль направления OX, а затем вдоль направления OY.
- проводят сканирование в режиме магнитной силовой микроскопии. Размер области сканирования 11×13 мкм2. На фиг. 7. представлено экспериментальное изображение созданного массива скирмионов произвольной формы. Диаметр скирмионов – 200 нм. Границы массива очерчены линией для лучшей визуализации.
Таким образом, экспериментальным путем показана возможность создания скирмионов и их массивов в магнитных нано-, микроструктурах и пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью воздействия магнитным зондом атомного силового микроскопа с определённым шагом. Разработан способ создания единичных скирмионов размером около 200 нм и их массивов произвольной конфигурации в магнитных нано-, микроструктурах и пленках с взаимодействием Дзялошинского-Мория и перпендикулярной магнитной анизотропией, который позволяет:
- получить магнитные среды из многослойных магнитных нано- и микроструктур, а также пленок типа «подложка/B/[X/Y/Z]n/T» для создания скирмионов;
- упростить процесс создания как единичных скирмионов, так и массивов скирмионов произвольной конфигурации;
- обеспечить стабильность процесса формирования скирмионов устойчивых как в магнитном поле, так и в его отсутствие;
- расширить объекты, в которых могут быть сформированы скирмионы: магнитные нано- и микроструктуры (нульмерные и одномерные), а также пленки.
Claims (3)
1. Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа, включающий формирование среды, состоящей из пленки с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория, сформированной на подложке, отличающийся тем, что в качестве подложки для формирования среды выбирают полупроводниковые подложки, например естественно оксидированные подложки кремния, как с собственными носителями зарядов, так и легированные примесными атомами, в качестве среды используют многослойные магнитные нано- и микроструктуры, а также пленки типа «подложка/B/[X/Y/Z]n/T», где B – буферный слой из немагнитного материала, который сглаживает поверхность образца, задает структуру последующих слоев, X и Z – немагнитные материалы (оксиды или металлы с сильным спин-орбитальным взаимодействием), Y – ферромагнитный материал, T – верхний слой из немагнитного материала, препятствующий оксидированию и ухудшению магнитных параметров среды, n – число повторений структуры [X/Y/Z], в которой выполняется условие D/Dc = [1…3], где D – энергия взаимодействия Дзялошинского-Мория, Dc - критическая величина взаимодействия Дзялошинского-Мория, определяемая условием Dc = 4/π √(А⋅К), А – константа обменного взаимодействия, К – константа эффективной магнитной анизотропии, причем параметры D и K определяют с помощью спектроскопии Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света для невзаимного распространения спиновых волн в геометрии Деймона-Эшбаха, когда образец намагничен в плоскости пленки, волновой вектор ориентирован перпендикулярно намагниченности, при этом используют табличное значение А, кроме того, для создания скирмионов величину магнитного поля в процессе сканирования в режиме атомной силовой микроскопии Hsc определяют из петель перемагничивания; величину поля насыщения, в котором реализуется однодоменное состояние магнитного насыщения Hs, определяют из петель перемагничивания; величину шага, с которым производят сканирование в режиме атомной силовой микроскопии d, определяют из периода доменной структуры LDS в размагниченном состоянии.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве буферного слоя из немагнитного материала B может быть использован слой Та, или Ru, или Cu, или W, или Pd; слоя из немагнитного материала X – Pt, или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd; а также их сплавы; слоя из ферромагнитного материала Y – Fe, или Co, или CoFe, или CoFeB, или CoFeSiB, или Ni, или [Co/Ni]n; слоя из немагнитного материала Z – Pt, или Ta, или Ru, или W, или Ir, или Hf, или Pd, или MgO, или Al2O3, а также сплавы указанных металлов; верхнего слоя из немагнитного материала T – Ta, или Ru, или Cu, или Au, или Pt, или Pd , или MgO, или Al2O3, при этом толщины слоев варьируют в следующих диапазонах: B = [1…10] нм; X = [0,5…5] нм; Y = [0,3…2] нм; Z = [0…5] нм; T = [0,5…10] нм, а число повторений n изменяется от 1 до 20.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве зондов для сканирующей микроскопии используют зонды с магнитным покрытием CoCr или аналогичным по магнитным свойствам с дополнительными слоями, защищающими от окисления, общая толщина покрытия от 3 до 40 нм, радиус кривизны острия зонда от 10 до 80 нм.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019110376A RU2702810C1 (ru) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019110376A RU2702810C1 (ru) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2702810C1 true RU2702810C1 (ru) | 2019-10-11 |
Family
ID=68280045
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019110376A RU2702810C1 (ru) | 2019-04-09 | 2019-04-09 | Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2702810C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2826969C1 (ru) * | 2023-11-09 | 2024-09-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Многослойная магнитная пленка с взаимодействием Дзялошинского-Мория и способ управления асимметричностью движения доменных границ в ней |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170018297A1 (en) * | 2015-07-17 | 2017-01-19 | The Johns Hopkins University | Skyrmion based universal memory operated by electric current |
| US20170169898A1 (en) * | 2014-07-04 | 2017-06-15 | Riken | Magnetic device, skyrmion memory, skyrmion memory-device, solid-state electronic skyrmion-device, data-storage device, data processing and transferring device |
| US20170179376A1 (en) * | 2014-11-27 | 2017-06-22 | Riken | Magnetic element, skyrmion memory, solid-state electronic device, data-storage device, data processing and communication device |
| US20180090195A1 (en) * | 2015-03-31 | 2018-03-29 | Japan Science And Technology Agency | Skyrmion generation device, skyrmion generation method, and magnetic memory device |
-
2019
- 2019-04-09 RU RU2019110376A patent/RU2702810C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20170169898A1 (en) * | 2014-07-04 | 2017-06-15 | Riken | Magnetic device, skyrmion memory, skyrmion memory-device, solid-state electronic skyrmion-device, data-storage device, data processing and transferring device |
| US20170179376A1 (en) * | 2014-11-27 | 2017-06-22 | Riken | Magnetic element, skyrmion memory, solid-state electronic device, data-storage device, data processing and communication device |
| US20180090195A1 (en) * | 2015-03-31 | 2018-03-29 | Japan Science And Technology Agency | Skyrmion generation device, skyrmion generation method, and magnetic memory device |
| US20170018297A1 (en) * | 2015-07-17 | 2017-01-19 | The Johns Hopkins University | Skyrmion based universal memory operated by electric current |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Pin-Jui Hsu et al, Kirsten von Bergman and Roland Wiesendanger Electric-field-driven switching of individual magnetic skyrmions. Nat. Nanotechnol. 12, 2017, 123-126. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2826969C1 (ru) * | 2023-11-09 | 2024-09-19 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ) | Многослойная магнитная пленка с взаимодействием Дзялошинского-Мория и способ управления асимметричностью движения доменных границ в ней |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Tanaka et al. | Magnetic interactions in a ferromagnetic honeycomb nanoscale network | |
| Tanigawa et al. | Domain wall motion induced by electric current in a perpendicularly magnetized Co/Ni nano-wire | |
| Li et al. | Magnetic tunnel junctions with single-layer-graphene tunnel barriers | |
| Vaz et al. | Ferromagnetic nanorings | |
| CN106207364B (zh) | 基于硬磁材料的自旋微波振荡器 | |
| Tehrani et al. | Axially adjustable magnetic properties in arrays of multilayered Ni/Cu nanowires with variable segment sizes | |
| Arita et al. | Development of TEM holder generating in-plane magnetic field used for in-situ TEM observation | |
| Li et al. | Lorentz TEM investigation of chiral spin textures and Néel skyrmions in asymmetric [Pt/(Co/Ni) M/Ir] N multi-layer thin films | |
| Huang et al. | Control of double-vortex domain configurations in a shape-engineered trilayer nanomagnet system | |
| Watanabe et al. | CoB/Ni-based multilayer nanowire with high-speed domain wall motion under low current control | |
| RU2702810C1 (ru) | Способ создания скирмионов и их массивов в магнитной среде с помощью зонда сканирующего микроскопа | |
| Saitoh et al. | Domain-wall trapping in a ferromagnetic nanowire network | |
| Vijayakumar et al. | Meronlike spin textures in in-plane-magnetized thin films | |
| Wu et al. | Switching a magnetic vortex by interlayer coupling in epitaxially grown Co/Cu/Py/Cu (001) trilayer disks | |
| JP2013535094A (ja) | 磁性ナノクラスター | |
| Gupta et al. | Influence of nano-oxide layer on the giant magnetoresistance and exchange bias of NiMn/Co/Cu/Co spin valve sensors | |
| Patino et al. | Vortex flipping in superconductor/ferromagnet spin-valve structures | |
| Gilbert et al. | Nanoscale imaging of magnetization reversal driven by spin-orbit torque | |
| Dho | Ferromagnetic layer thickness dependence of magnetic domain structure in ultrathin symmetric Ta/Pt/Co/Pt/Ta multilayers | |
| Parakkat et al. | Fabrication of hybrid artificial spin ice arrays with periodic site-specific local magnetic fields | |
| KR101018266B1 (ko) | 자기소용돌이 구조가 형성되어 있는 오실레이터 및 이를 이용한 교류신호 생성방법 | |
| Salaheldeen | Fabrication and magnetic characterization of ferromagnetic antidot arrays thin films | |
| Aryal | Hall measurement-based study of ferromagnetic thin films stimulated by the idea of spin-orbit torque | |
| Liu | Synthesis of Hard Magnetic Materials for Rare-Earth-Free Permanent Magnets Applications | |
| Vahaplar | Structural and magnetic properties os Si (100)/Ta/Co multilayers for spintronics applications |