一種納米單元結(jié)構(gòu)的渦旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于磁性材料及磁存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種小尺寸的渦旋態(tài)磁存儲(chǔ)單 J1_1〇
【背景技術(shù)】
[0002] 由于計(jì)算機(jī)和因特網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)已步入飛速發(fā)展的數(shù)字信息化時(shí)代，需要 處理和保存大量數(shù)據(jù)和信息，這使得人們對(duì)信息存儲(chǔ)的要求向著高密度、大容量、高速度、 低成本和微小型化的方向發(fā)展。近幾年，隨著納米科學(xué)研宄的不斷深入以及納米技術(shù)的進(jìn) 一步提高，微/納米級(jí)圖形化薄膜引起了人們的探索興趣。圖形化記錄最關(guān)鍵的區(qū)別是通 過(guò)光刻的方法使得記錄數(shù)據(jù)的每個(gè)磁性載體彼此分離，這使得每個(gè)比特的分界不再是由 晶體顆粒結(jié)構(gòu)決定從而降低了信號(hào)的噪聲。
[0003] 其中，研宄最為廣泛之一的是在軟磁材料（如Co、Ni、Fe或Ni8QFe2Q)的圓盤(pán)形、三 角形、正方形等旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性強(qiáng)的薄膜單元中，通常會(huì)形成的一種奇特的磁疇結(jié)構(gòu)，即磁渦 旋（magneticvortex)結(jié)構(gòu)（也稱(chēng)為超磁疇結(jié)構(gòu)）。
[0004] 磁渦旋態(tài)自從被人們預(yù)測(cè)，并在2000年被T.Shinjo等人在實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察到之后，就 受到了大量研宄者的關(guān)注。它的自發(fā)磁化狀態(tài)呈現(xiàn)為磁化強(qiáng)度趨向于沿著薄膜面內(nèi)成渦 旋狀閉合排列，而在圍繞薄膜單元中心很小的范圍內(nèi)，磁化強(qiáng)度會(huì)沿面外取向的穩(wěn)定狀 態(tài)。相應(yīng)地，通?？捎脙蓚€(gè)布爾數(shù)學(xué)參數(shù)來(lái)描述磁渦旋結(jié)構(gòu)，即手征性和核的極性。手征 性由磁矩沿著渦旋核旋轉(zhuǎn)的方向來(lái)定義，即順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；核的極性由渦旋核 中心磁化強(qiáng)度的取向來(lái)確定，即指向渦旋面外或指向渦旋面內(nèi)。因此，用作磁存儲(chǔ)單元時(shí)， 根據(jù)手征性和極性的排列組合，一個(gè)磁渦旋結(jié)構(gòu)就可同時(shí)存儲(chǔ)兩個(gè)比特信息。但是，單元 尺寸對(duì)于禍旋態(tài)的形成有一個(gè)下限值。"Single-domaincircularnanomagnets"單疇結(jié) 構(gòu)的納米圓盤(pán)，R.Cowburn,D.Koltsov,A.Adeyeye,M.Welland,andD.Tricker,Phys.Rev. Lett. 83, 1042(1999)描述了目前所實(shí)現(xiàn)的最小納米圓盤(pán)結(jié)構(gòu)的渦旋態(tài)磁存貯單元，其厚度 為20nm，直徑為100nm。如果能夠找到方法使這個(gè)最小值進(jìn)一步減小，那么將有助于提高磁 隨機(jī)存貯器的存儲(chǔ)密度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種納米單元結(jié)構(gòu)的禍旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元，使其能夠降低禍 旋態(tài)穩(wěn)定存在的極限。并且，通過(guò)場(chǎng)的控制，在能夠?qū)崿F(xiàn)渦旋中心極化的反轉(zhuǎn)的同時(shí)，不改 變手征性的方向。
[0006] 該渦旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)為普通圓盤(pán)形磁渦旋結(jié)構(gòu)單元邊緣加厚形成凹槽狀的 圓盤(pán)形結(jié)構(gòu)，凹槽外徑D的最小值為80nm,其凹槽深4-68nm，凹槽內(nèi)徑d大于8nm，單元整 體厚度為16-136nm〇
[0007] 由于加厚的邊緣為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，能在小尺寸的條件下形成一個(gè)循環(huán)的封閉結(jié)構(gòu)，磁 矩之間的交換作用，使得磁矩傾向于平行排列，最終形成磁渦旋結(jié)構(gòu)。另一方面，在面內(nèi)來(lái) 看，該單元為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)應(yīng)用外加場(chǎng)實(shí)現(xiàn)極化反轉(zhuǎn)時(shí)，磁渦旋結(jié)構(gòu)的手征性保持不變，從 而實(shí)現(xiàn)了對(duì)渦旋態(tài)旋度的調(diào)控。
[0008] 本發(fā)明相對(duì)普通圓盤(pán)形磁渦旋結(jié)構(gòu)單元具有如下優(yōu)點(diǎn)：1、能夠較大幅度的降低渦 旋態(tài)穩(wěn)定存在的最小尺寸；2、在此基礎(chǔ)上，施加一個(gè)面內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，可以實(shí)現(xiàn)極性的單一調(diào) 節(jié)，且與相同尺寸下的普通圓盤(pán)相比較，能更快的回到穩(wěn)態(tài)，即具有更快的響應(yīng)速度。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1為本發(fā)明所述具凹槽狀的圓盤(pán)納米結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010] 其中H為單元厚度，h為凹槽深度，D為凹槽外徑，d為凹槽內(nèi)徑。
[0011] 圖2為本發(fā)明所述結(jié)構(gòu)與普通圓盤(pán)形單元的磁矩分布圖對(duì)比。
[0012] 其中左邊為所設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)，右圖為普通的圓盤(pán)形納米單元；圖2(a)中D= 100nm，圖2(b)中D= 80nm;普通圓盤(pán)形單元的厚度為20nm。
[0013] 圖3為在旋轉(zhuǎn)場(chǎng)的作用下，直徑是100納米的單元結(jié)構(gòu)的磁矩分布隨時(shí)間的變化 圖。
[0014] 其中圖3(a)為凹槽狀單元結(jié)構(gòu)，圖3(b)為普通圓盤(pán)形納米單元結(jié)構(gòu)。面內(nèi)磁矩 分布為順時(shí)針?lè)较颍?為極化方向垂直紙面向里，〇為極化方向垂直紙面向外。可以看到， 原本穩(wěn)定的渦旋態(tài)，在磁場(chǎng)的激勵(lì)下，形成渦旋和反渦旋對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)渦旋極化的反轉(zhuǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
[0016] 本發(fā)明采用了目前國(guó)際上公認(rèn)的微磁學(xué)模擬軟件（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局NIST發(fā)布） 進(jìn)行磁性單元磁矩分布模擬。在所模擬設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)（如圖1所示）中得到了穩(wěn)定的渦 旋態(tài)磁矩分布。
[0017] 本發(fā)明的單元結(jié)構(gòu)所用材料采用的是存儲(chǔ)單元中常用的NiFe軟磁材料，其飽和 磁化強(qiáng)度為Ms= 8. 6X10 5A/m、交換積分為A= 1. 3XKTnJ/m。凹槽單元結(jié)構(gòu)的整體厚度 為20nm,凹槽深4nm,外徑尺寸為80nm,內(nèi)徑為60nm。
[0018] 如圖2所示從模擬結(jié)果可以看出，當(dāng)直徑大于或等于100nm的時(shí)候，兩種結(jié)構(gòu)均能 形成渦旋態(tài)，但當(dāng)直徑小于l〇〇nm時(shí)，普通的圓盤(pán)納米單元無(wú)法形成穩(wěn)定的渦旋態(tài)，磁矩呈 現(xiàn)單疇分布。但所設(shè)計(jì)的凹槽圓盤(pán)磁單元仍能維持禍旋態(tài)，直至直徑減小到80nm.
[0019] 如圖3所示對(duì)直徑為100nm的納米單元施加60mT的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)場(chǎng)，得到了相應(yīng)的動(dòng) 態(tài)反轉(zhuǎn)特性?？梢钥吹奖M管施加外場(chǎng)對(duì)磁矩的分布進(jìn)行擾動(dòng)，但渦旋態(tài)并未被破壞，而且實(shí) 現(xiàn)了極化的反轉(zhuǎn)。且當(dāng)所設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)的渦旋核已經(jīng)回到穩(wěn)定態(tài)的時(shí)候，普通圓盤(pán)的渦 旋核還處于偏離中心的位置。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種納米單元結(jié)構(gòu)的禍旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元，其特征在于；在普通圓盤(pán)形磁禍旋結(jié)構(gòu)單 元邊緣加厚形成凹槽狀的圓盤(pán)形結(jié)構(gòu)，凹槽外徑D的最小值為80nm，其凹槽深4-68nm，凹槽 內(nèi)徑d大于8皿，單元整體厚度為16-136皿。
2. 如權(quán)利要求1所述納米單元結(jié)構(gòu)的禍旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元，其特征在于；所述凹槽單元 結(jié)構(gòu)的整體厚度為20nm，凹槽深4nm，外徑尺寸為80nm,內(nèi)徑為60nm。
3. 如權(quán)利要求1或2所述納米單元結(jié)構(gòu)的禍旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元，其特征在于：制備材料 為Co、Ni、化或Co/Ni/化的合金。
4. 如權(quán)利要求1或2所述納米單元結(jié)構(gòu)的禍旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元，其特征在于：制備材料 為Ni化軟磁材料，其飽和磁化強(qiáng)度為M,= 8. 6 X 10 5A/m、交換積分分別為A = 1. 3 X lO^ij/ m〇
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種納米單元結(jié)構(gòu)的渦旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元。該渦旋態(tài)磁存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)為普通圓盤(pán)形磁渦旋結(jié)構(gòu)單元邊緣加厚形成凹槽狀的圓盤(pán)形結(jié)構(gòu)，凹槽外徑D的最小值為80nm,其凹槽深4-68nm，凹槽內(nèi)徑d大于8nm，單元整體厚度為16-136nm。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)圓盤(pán)存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改造，使其能在更小尺寸下保持穩(wěn)定的渦旋態(tài)，且在場(chǎng)的調(diào)控下能完成快速極化反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高密度磁存儲(chǔ)。
【IPC分類(lèi)】G11C11-15
【公開(kāi)號(hào)】CN104575583
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410642816
【發(fā)明人】鄧龍江, 畢美, 王昕 , 張麗, 陸海鵬, 謝建良
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年11月14日