Магнитные материалы

Магнитные материалы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к магнитным материалам и, в частности, к использованию осевой симметрии для задания магнитных свойств материалов.

Предшествующий уровень техники

Объем информации, который может храниться на накопителе на жестких дисках компьютера, увеличился в 10 раз за последние 40 лет и, по-видимому, будет продолжать увеличиваться по экспоненциальному закону в течение ближайших десятилетий. Традиционно используемые современные магнитные материалы будут не в состоянии удовлетворять в будущем требования, предъявляемые к рабочим характеристикам изделий, связанных с хранением данных на магнитных носителях. Одним из вариантов решения данной проблемы является обращение к нанотехнологии и квантовой механике, с перспективой изготовления магнитных частиц нанометрового масштаба, называемых наномагнетиками. Последние, вследствие их очень малых размеров, имеют магнитные свойства, сильно отличающиеся от исходного материала подложки. Каждый наномагнетик аналогичен гигантскому атому искусственного элемента и позволяет образовывать новые магнитные материалы отдельными гигантскими атомами. Стремительно развивающаяся область наномагнетизма может обеспечить усовершенствованные альтернативные носители для жестких дисков и новое поколение быстродействующих энергонезависимых микросхем памяти для компьютеров с малым потреблением энергии.

Наиболее важным свойством природного магнитного элемента или сплава является его анизотропия. Она характеризуется, в частности, наличием предпочтительных направлений намагниченности в материале и, в конечном счете, оказывает влияние на характеристики магнитного материала и определяет область его применения. В традиционно используемом магнитном материале анизотропия является функцией формы и симметрии электронной поверхности Ферми и поэтому является характерной для конкретного элемента или сплава и не может быть просто заранее определена. В наномагнетиках, однако, анизотропия зависит не только от зонной структуры исходного материала, но также от формы наномагнетика. Одним из наиболее привлекательных признаков искусственных магнитных материалов является то, что их магнитные свойства могут быть заданы в результате выбора формы составляющих наномагнитов.

Раскрытие изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения элемент памяти содержит наномагнетики, имеющие осевую симметрию, выбранную так, чтобы получить высокую остаточную магнитную индукцию и соответствующую коэрцитивную силу.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения элемент датчика содержит наномагнетики, имеющие осевую симметрию, выбранную так, что они являются суперпарамагнитными и проявляют по существу нулевой гистерезис, так что намагниченность наномагнетиков зависит только от текущего значения приложенного поля, а не от предыстории поля.

В соответствии с третьим аспектом настоящего изобретения магнитный логический элемент содержит наномагнетики, имеющие осевую симметрию, выбранную так, что они являются суперпарамагнитными и проявляют по существу нулевой гистерезис, так что намагниченность наномагнетиков зависит только от текущего значения приложенного поля, а не от предыстории поля.

Устройствами по настоящему изобретению являются искусственные магнитные материалы, образованные на поверхности подложки, например заготовки кремния, с помощью электронно-лучевой литографии. Устройства могут иметь размеры в диапазоне 40-500 нм и иметь толщину в диапазоне 3-10 нм и могут иметь треугольную или пятиугольную геометрию, которая соответствует осевой симметрии 3-го и 5-го порядка. Порядок может быть, однако, большим. Исходным материалом может служить супермаллой (Ni₈₀Fe₁₄Mo₅), который выбран по двум причинам. Во-первых, этот сплав является по существу изотропным и поэтому любая анизотропия в наномагнетиках должна исходить от их формы. Во-вторых, супермаллой и подобный ему не содержащий молибдена пермаллой являются магнитно-мягкими сплавами, широко используемыми в промышленности и в научно-исследовательской работе и как таковые эффективно проявляют новые и изменяемые свойства, которые могут быть приданы простому материалу путем нанометровой структуризации. Как будет показано ниже, искусственным магнитным материалам можно придать магнитные свойства в очень широком диапазоне путем простого изменения симметрии составляющих наномагнетиков.

Ниже описываются примеры, относящиеся к настоящему изобретению, со ссылкой на прилагаемые фигуры чертежей, в числе которых:

фиг.1 изображает микрофотографии, полученные на сканирующем электронном микроскопе, некоторых искусственных магнитных материалов;

фиг.2 - петли гистерезиса для наномагнетиков различного размера, толщины и геометрической формы;

фиг.3 - петлю гистерезиса суперпарамагнитного треугольного наномагнетика;

фиг.4 - экспериментально измеренные коэрцитивные силы в зависимости от размеров наномагнетика;

фиг.5 - экспериментально измеренное поле анизотропии внутри различных наномагнетиков;

фиг.6 - главный член анизотропии на фиг.5, выраженный как поле анизотропии (А) и как энергия анизотропии у отдельных наномагнетиков (В) для различных наномагнетиков;

фиг.7 - магнитную восприимчивость в зависимости от размера и симметрии наномагнетиков; и

фиг.8 - схематическое устройство суперпарамагнитного наномагнетика при использовании в качестве датчика магнитного поля или логического элемента.

Лучший вариант осуществления изобретения

Стандартный процесс обратной электронно-лучевой литографии может быть использован для формирования устройств в соответствии с настоящим изобретением. В качестве подложки образца был выбран ориентированный монокристаллический кремний. Расстояние между наномагнетиками было всегда по меньшей мере равным диаметру наномагнетика, а для наименьших структур - до 3 диаметров. Шероховатость поверхности наномагнетиков была менее 0,5 нм и микроструктура содержала 5-нм нерегулярно ориентированные зерна. Верхняя поверхность каждого наномагнетика была покрыта слоем золота толщиной 5 нм для предотвращения окисления. Было обнаружено, что целостность геометрической формы сохранялась в структурах с размерами до 50 нм. На Фиг.1 представлены фотографии некоторых структур, полученные на сканирующем электронном микроскопе.

Для того, чтобы определить магнитные свойства указанных различных искусственных материалов, были измерены их петли гистерезиса (петли М-Н), с использованием известного высокочувствительного магнитооптического метода. Поверхность кремния может просматриваться через оптический микроскоп, в то время как лазерное пятно (размер ≈5 мкм) перемещается по поверхности до тех пор, пока не будет сфокусировано на верхней части одного из участков искусственного материала. Отраженный лазерный луч подвергается поляризационному анализу для достижения меридионального эффекта Керра, который служит в качестве индикатора для обнаружения составляющей намагниченности, лежащей в оптической плоскости падения. Эта намагниченность в дальнейшем регистрируется, в то время как переменное магнитное поле частотой 27 Гц с напряженностью до 1000 Э прикладывается в плоскости образца. Все измерения выполнялись при комнатной температуре.

На Фиг.2 и 3 представлены некоторые петли гистерезиса, измеренные у наномагнетика с различными размерами, толщиной и геометрической формой. Представляется очевидным, что петли сильно отличаются друг от друга и от тех, которые получены у обычного неструктурированного материала. Заслуживает внимания разнообразие технологических применений, охватываемых образцами, представленными на этом чертеже. Известные малые прямоугольники, показанные на Фиг.2В, могут найти применения для замены искусственными материалами носителей для жестких дисков: при использовании в этом случае наномагнетиков в принципе можно достичь плотностей хранения данных свыше 100 Гбит/кв.дюйм, то есть в 10 раз больше, чем у традиционно используемых носителей, известных из уровня техники. Известные большие прямоугольники на Фиг.2D хорошо подходят для магнитной памяти с произвольным доступом - близкой альтернативы полупроводниковой памяти: микросхема памяти, использующая магнитные элементы с такими размерами, может иметь емкость 1 Гбит энергонезависимой быстродействующей памяти. Было установлено что широкий диапазон магнитных свойств обнаруживается y треугольных и пятиугольных наномагнетиков. Треугольные наномагнетики на Фиг.2E, которые имеют высокую остаточную, магнитную индукцию и малую коэрцитивную силу, могут быть использованы в качестве элемента памяти, тогда как из пятиугольных наномагнетиков на фиг.2F и суперпарамагнитных треугольных элементов на Фиг.3 могут быть изготовлены высококачественные датчики магнитного поля с высокой чувствительностью или считывающие головки для накопителей на жестких дисках, имеющие эффективную относительную магнитную проницаемость 3000 и нулевой гистерезис. Эти разнообразные применения являются прямым результатом изменения размеров, толщины и, что важнее всего, симметрии наномагнетиков, которые составляют искусственный материал.

Для того, чтобы количественно определить этот важный эффект, была измерена коэрцитивная сила у петель гистерезиса как функция размеров, толщины и порядка симметрии наномагнетиков. Коэрцитивная сила является мерой приложенного поля, необходимого для уменьшения намагниченности до нуля (то есть, петля гистерезиса имеет центральную ширину, равную удвоенной коэрцитивной силе), и по существу является мерой того, насколько легко внешнее поле может изменить на обратную намагниченность наномагнетика. Коэрцитивная сила является ключевым параметром при оценке пригодности данного магнитного материала для промышленного использования. На Фиг.4 представлены результаты, на которых, для того, чтобы можно было сравнивать различные геометрии, размер наномагнетиков был выражен через квадратный корень их площади. Была подтверждена повторяемость некоторых из этих экспериментальных результатов на втором комплекте образцов.

Из Фиг.4 следует, что двойная и четырехкратная симметрия воспроизводят характеристики одного класса, в то время как трехкратная и пятикратная симметрия воспроизводят характеристики другого класса: наномагнетики с двукратной/четырехкратной симметрией имеют высокую коэрцитивную силу, которая сначала увеличивается с уменьшением значений по оси; наномагнетики с трехкратной/пятикратной симметрией имеют низкую коэрцитивную силу, которая падает до нуля при уменьшении значений по оси. Второй вывод, который можно сделать в отношении Фиг.4, состоит в том, что во всех случаях увеличение толщины приводит к значительному увеличению коэрцитивной силы, чего нет в неструктурированных магнитных пленках.

Характеристики наномагнетиков с двукратной симметрией предсказуемы и являются следствием общеизвестного явления, называемого анизотропией формы. Намагниченность предпочтительно “упорядочивается” по самой длинной оси наномагнита, с целью минимизирования площади поверхностей полюсов. Полем, создающим этот эффект, является размагничивающее поле, проходящее между поверхностями полюсов внутри магнита. Размагничивающее поле масштабируется примерно с отношением t/a, где t - толщина наномагнетика, а а - его размеры, и на Фиг.4А видно, что коэрцитивная сила увеличивается с уменьшением размеров.

В противоположность этому, сложнее уяснить эффекты трехкратной, четырехкратной и пятикратной симметрии. Это вызвано тем, что размагничивающее поле любой структуры описывается декартовым тензором второго порядка и поэтому может проявлять только неосевую (двукратную) симметрию. Поэтому отсутствует анизотропия формы, по меньшей мере в обычном смысле, в плоскости этих структур с симметрией более высокого порядка. Тем не менее квадратные наномагниты испытывают некоторое, достаточно сильное противодействие для изменения направления намагниченности и поэтому должна присутствовать некоторая анизотропия. Тот факт, что эта анизотропия является более слабой в треугольных магнитах, доказывает то, что, хотя она не является классической анизотропией формы, она все же связана с формой наномагнетика.

Квадратным наномагнетикам присуще недавно открытое свойство, названное конфигурационная анизотропия. Оно связано с очень малыми отклонениями от равномерной намагниченности, которая имеет место почти во всех наномагнетиках. До настоящего времени не было выяснено, до какой степени эта новая анизотропия важна при определении магнитных свойств наномагнетиков. С целью проверки гипотезы, по которой изменяемые характеристики, показанные на фиг.2-4, обусловлены конфигурационной анизотропией, было выполнено непосредственное измерение анизотропии в наномагнетиках с использованием метода под названием магнитооптическая анизометрия с модулированным полем. Сильное статическое магнитное поле Н (=350 Э) прикладывается в плоскости наномагнетиков и более слабое колебательное поле H_t (с амплитудой 14 Э) прикладывается в плоскости наномагнетиков перпендикулярно Н. Амплитуда результирующего колебания намагниченности регистрируется этим же магнитооптическим методом, используемым для получения петель гистерезиса на Фиг.2 и 3, и непосредственно связана с амплитудой и симметрией любой анизотропии в наномагните. Экспериментально была измерена анизотропия у треугольных, квадратных и пятиугольных наномагнетиков с размерами в диапазоне 50-500 нм при толщине 5 нм и результаты представлены на Фиг.5. На представленных на Фиг.5 полярных диаграммах угол определяет плоскостное направление φ в наномагнетике, радиус определяет радиус наномагнетика в этом направлении и тон определяет экспериментально измеренную величину

для наномагнетика с таким размером, где M_S - намагниченность насыщения (800 ед. СГСМ см^-3) и Е(φ) - средняя плотность магнитной энергии наномагнетика при намагничивании в направлении φ. Хотя Н_а не является общепринятым определением поля анизотропии, можно показать, что любые колебания в Н_а имеют тот же порядок симметрии, что и лежащая в основе анизотропия, и амплитуда равна величине поля анизотропии. На фиг.5 показаны экспериментальные данные для 22 различных образцов искусственного магнитного материала (8 размеров треугольников, 8 размеров квадратов и 6 размеров пятиугольников), причем каждый был измерен либо по 19, либо по 37 различным направлениям φ (0-180° - шагами по 10° для треугольников и квадратов, 0-180° - шагами по 5° для пятиугольников), причем число измерений составило 526.

Из Фиг.5 следует наличие сильных полей анизотропии во всех исследованных наномагнетиках. Треугольные наномагнетики проявляют анизотропию с шестикратной симметрией, квадратные наномагниты демонстрируют анизотропию с четырехкратной симметрией, а пятиугольные наномагниты обладают анизотропией с десятикратной симметрией. Удвоение частоты происходит в треугольных и пятиугольных структурах, так как энергия всегда определяется квадратом для намагниченности, и поэтому не могут поддерживаться нечетные порядки симметрии.

Был применен анализ Фурье к графикам на Фиг.5, для того, чтобы получить величину полей анизотропии как функции размера наномагнетиков и симметрии и показать результаты в двух различных формах на Фиг.6. На Фиг.6А представлен непосредственно график зависимости поля анизотропии, тогда как на Фиг.6В изображен график зависимости энергии анизотропии одного наномагнетика (в единицах кТ, где к - постоянная Больцмана, а Т равна 298К), использующий теоретическую зависимость U_a=2M_SH_aV/n². В этом уравнении U_a - энергия анизотропии одного наномагнетика (в эргах), Н_а - поле анизотропии (в эрстедах), n - порядок симметрии анизотропии (4 - для квадратов, 6 - для треугольников, 10 - для пятиугольников) и V объем (в см³) наномагнетика. Важным элементом для понимания влияния порядка симметрии на магнитные свойства является член n² в этом уравнении. Это означает, что, хотя все формы геометрии демонстрируют примерно аналогичные поля анизотропии на Фиг.6А, они демонстрируют очень различите энергии анизотропии на Фиг.6В.

Энергия анизотропии представляет особый интерес из-за явления, называемого суперпарамагнетизм, который представляет собой процесс, посредством которого можно преодолеть энергетические барьеры анизотропии путем флуктуации тепловой энергии кТ в магнитах нанометрового масштаба. В качестве примерного руководства барьер может быть преодолен в масштабе времени рассматриваемых измерений, если его высота менее 10кТ. Это означает, если энергия анизотропии менее 10кТ, то можно ожидать, что коэрцитивная сила быстро упадет до нуля. Согласно Фиг.6В это имеет место тогда, когда размер элемента менее примерно 150 нм, причем у квадратных элементов это падение до нуля по мере уменьшения размера проявляется слабее. И наоборот, если энергия анизотропии более 10кТ, коэрцитивная сила будет примерно повторять поле анизотропии. Это объясняет различие в характеристиках, которые можно наблюдать на Фиг.4 у квадратных элементов с одной стороны и треугольных и пятиугольных элементов с другой. Энергия анизотропии квадратных элементов (Фиг.6А) имеет максимум при уменьшении размера элемента и этот максимум непосредственно отражается на данных o коэрцитивной силе у квадратных элементов (Фиг.4С). У поля анизотропии пятиугольных элементов не наблюдается максимума, и это также отражается непосредственно на значениях коэрцитивной силы (Фиг.4D), хотя падение до нуля имеет мeсто при несколько большем размере у данных о коэрцитивной силе, чем у поля анизотропии из-за теплового возбуждения. Наконец, поле анизотропии у треугольного элемента действительно имеет максимум точно так же, как и у квадратного, но, так как энергия анизотропии меньше у треугольного элемента, тепловое возбуждение возникает при большем размере и предотвращает появление максимума у данных о коэрцитивной силе (Фиг.4В). Таким образом можно объяснить экспериментально определенные данные о коэрцитивной силе как возникающие вследствие комбинации конфигурационной анизотропии и теплового возбуждения.

Материалы с высокой достаточной магнитной индукцией, обладающие ограниченной коэрцитивной силой (и, следовательно, функцией памяти), являются не единственными технологически важными магнитными материалами. В равной степени важными являются материалы с нулевой остаточной магнитной индукцией и с нулевой коэрцитивной силой, которые находят применение в магнитных датчиках и логических элементах, и в этом случае именно магнитная восприимчивость χ является ключевым параметром. χ определяется как , где М - намагниченность наномагнетика, а Н - приложенное магнитное поле. χ прямо пропорциональна наклону петлей гистерезиса нулевого поля, таких как показанные на Фиг.2F. χ была измерена с использованием вышеуказанного магнитооптического эксперимента (при частоте 27 Гц) как функция размера наномагнита и симметрии при постоянной толщине 3,7±0,5 нм, и результаты представлены на Фиг.7. χ имеет смысл только тогда, когда коэрцитивная сила равна нулю, и эксперименты были ограничены этим случаем. Для сравнения на чертеже также представлен график для теоретического значения магнитной восприимчивости, выведенный из функции Ланжевена, и являющийся статистическим термодинамическим представлением, применяемым к одному гигантскому спину в свободном пространстве. При рассмотрении Фиг.7 можно прийти к трем заключениям. Во-первых, все экспериментально определенные значения магнитной восприимчивости наименьших магнитов близки к модели Ланжевена в свободном пространстве, даже в случае неиспользования параметров аппроксимации, что доказывает хорошую управляемость экспериментальной системы. Во-вторых, отклонения от модели Ланжевена максимальны для наномагнетиков с квадратной симметрией. Это согласуется с тем, что они обладают самой большой энергией конфигурационной анизотропии, в предположении, что гигантский спин, имеющийся у квадратного наномагнетика, в наименьшей степени подобен гигантскому спину в свободном пространстве. Именно конфигурационная анизотропия в конечном счете вызывает отклонение от модели Ланжевена для всех видов симметрий с увеличением размера. В-третьих, измеренные здесь значения магнитной восприимчивости на два порядка превышают значения, которые были бы получены у магнитных частиц с такой же формой и отношением сторон, но выполненных в большем масштабе, чем нанометровый (то есть, микрометры и выше, которые используют большинство традиционных датчиков магнитного поля). В этом последнем случае магнитная восприимчивость происходит от движения доменных стенок против действия внутреннего размагничивающего поля, которое может быть очень сильным. Таким образом видна уникальная роль структурирования в нанометровом масштабе.

Фиг.4 и Фиг.5 иллюстрируют способ, которым нанометровое структурирование действительно эмулирует создание новых магнитных материалов. Супермаллой выращивается с гранецентрированной кубической кристаллографией, которая обычно приводит к анизотропии с двукратной или четырехкратной симметрией. Тем не менее, Фиг.5А демонстрирует шестикратную симметрию, которая обычно принадлежит материалам с гранецентрированной кубической кристаллографией. В этом случае симметрия формы наномагнита (треугольная) может быть использована для эмуляции изменения в кристаллографической фазе. Аналогично, относительно высокие коэрцитивные силы квадратных и прямоугольных наномагнетиков (Фиг.4А и Фиг.4С) обычно обнаруживаются только в магнитных материалах с высокой анизотропией и слабо связанной микроструктурой. В этом случае тщательный выбор симметрии наномагнетика эмулирует изменение в элементе и изменения в микроструктуре. Наконец, элементарная кристаллография определяет, что кристаллическая решетка не может обладать десятикратной симметрией, и поэтому нельзя ожидать обнаружение природного кристаллического элемента или сплава с магнитной анизотропией с десятикратной симметрией. На Фиг.5С, однако, показано, что была успешной попытка создания одного элемента, искусственно используя наноструктурирование. В этом случае было использовано нанометровое формование для придания кристаллическому материалу свойства, которое обычно встречается у квазикристаллов.

На Фиг.8 схематически изображена модель устройства, использующего суперпарамагнитный наномагнетик как часть датчика или логического элемента. Трехслойный поворотный клапан 12 соединен на обоих сторонах с соединительными линиями 14. Клапан 12 содержит магнитный нижний слой 16, немагнитный разделительный слой 18 и один или несколько наномагнетиков 20 в суперпарамагнитном состоянии в качестве верхнего слоя. Стрелка 22 обозначает прохождение тока через клапан 12, а стрелка 24 - намагниченность в магнитном нижнем слое 16.

В заключение было определено влияние симметрии формы наномагнетиков на их магнитные свойства, имеющее практическое приложение. Было обнаружено, что симметрия играет важную роль, позволяя управлять магнитными свойствами в очень широком диапазоне. Было показано, что ключевым эффектом, связывающим симметрию с магнитными свойствами, является конфигурационная анизотропия. Это позволяет создавать новые искусственные материалы, в которых магнитные свойства могут быть заданы для конкретного применения с очень высокой степенью точности.

Первой новой идеей является использование конфигурационной анизотропии через симметрию элемента для задания магнитных свойств. До настоящего времени специалисты в этой области техники рассматривали только прямоугольные, квадратные или круглые элементы. Было определено, что конфигурационная анизотропия, наведенная другими формами, например треугольниками, пятиугольниками и шестиугольниками, может быть использована для управления магнитными свойствами элемента. Вторая новая идея заключается в использовании суперпарамагнетизма в наноструктурах для исключения гистерезиса. В обычных материалах суперпарамагнетизм приводит к очень сильным полям насыщения и как таковой не используется в магнитных датчиках. В настоящей заявке показано, однако, что в наноструктурах суперпарамагнетизм может привести к очень слабым полям насыщения (несколько эрстед - см. Фиг.2F). Сам по себе этот факт может быть очень полезен для датчика и логического элемента. Еще одним важным аспектом изобретения является то, что суперпарамагнетизм гарантирует почти нулевой гистерезис, что является необходимым требованием для хорошего датчика (см. Фиг.3). Самой большой проблемой, с которой сталкиваются при настоящем использовании наноструктур в качестве датчиков, является тот факт, что обычно гистерезис становится больше по мере уменьшения поперечных размеров прибора.

Эти две идеи могут быть объединены фиксацией конфигурационной анизотропии на низком значении путем выбора подходящей формы (треугольной, пятиугольной или круглой), которая придает наноструктуре суперпарамагнитные свойства и, следовательно, позволяет ей выполнять функцию хорошего датчика или логического элемента.

1. Элемент памяти, содержащий наномагнетики, имеющие геометрическую осевую симметрию вращения, выбранную для получения высокой остаточной магнитной индукции и соответствующей коэрцитивной силы, отличающийся тем, что он имеет осевую симметрию 3- или 5-го порядка.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что он выполнен из искусственного магнитного материала, сформированного на поверхности подложки.

3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что он выполнен из супермаллоя (Ni₈₀Fe₁₄Mo₅).

4. Элемент по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что размер его стороны находится в диапазоне 40-500 нм, а толщина - в диапазоне 3-10 нм.