Элемент датчика, содержащий наномагниты

Элемент датчика, содержащий наномагниты

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

Настоящее изобретение относится к магнитным материалам, 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 10⁷ 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 в будущем удовлетворять предъявляемые промышленностью требования к рабочим характеристикам по хранению данных на магнитных носителях. Одним из рассматриваемых в настоящее время вариантов решения данной проблемы является совместное использование нанотехнологии и квантовой механики для изготовления магнитных частиц нанометрового масштаба, называемых наномагнитами. Последние, вследствие их очень малого размера, имеют магнитные свойства, сильно отличающиеся от исходного объемного (массивного) материала. Каждый наномагнит аналогичен гигантскому атому искусственного элемента, что позволяет образовывать новые магнитные материалы (наномагнетики) путем выстраивания одного гигантского атома за другим гигантским атомом. Стремительно развивающаяся область наномагнетизма может обеспечить, помимо прочего, усовершенствованные альтернативные носители для жестких дисков и новое поколение быстродействующих энергонезависимых компьютерных микросхем памяти с малым потреблением энергии.

Наиболее важным свойством природного магнитного элемента или сплава является его анизотропия. Она заключается в наличии предпочтительных направлений намагниченности в таком материале и, в конечном счете, именно она ответственна за то, как ведет себя магнитный материал, и определяет подходящие для него технологические области применения. В традиционном магнитном материале анизотропия обусловлена формой и симметрией электронной поверхности Ферми и поэтому является характерной для конкретного элемента или сплава и не может быть простым образом задана (изменена). В наномагнитах, однако, анизотропия зависит не только от зонной структуры исходного материала, но также от формы наномагнита. Одним из наиболее привлекательных признаков искусственных магнитных материалов является то, что их магнитные свойства могут быть заданы в результате выбора формы составляющих их наномагнитов.

Раскрытие изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предложен элемент датчика, содержащий наномагниты с размером сторон 40-500 нм и толщиной 3-10 нм, имеющие геометрическую осевую симметрию вращения 3 или 5 порядка и являющиеся суперпарамагнитными с нулевым гистерезисом.

Устройства по настоящему изобретению представляют собой искусственные магнитные материалы, образованные на поверхности подложки, такой как подложка из кремния, с помощью электроннолучевой литографии. Такие устройства могут иметь размеры в диапазоне 40-500 нм и 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 по своей природе является почти изотропным, и поэтому любая анизотропия в наномагнитах должна исходить от их формы. Во-вторых, супермаллой и подобный ему не содержащий молибдена пермаллой являются двумя магнитно-мягкими сплавами, повсеместно используемыми в промышленности и в научно-исследовательской работе, и как таковые эффективно проявляют новые и изменяемые свойства, которые могут быть приданы простому материалу путем нанометрового структурирования. Как будет показано ниже, авторы настоящего изобретения способны придать искусственным магнитным материалам магнитные свойства в чрезвычайно широком диапазоне просто путем изменения симметрии составляющих их наномагнитов.

Краткое описание чертежей

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

Фиг.1 изображает микрофотографии, полученные в сканирующем электронном микроскопе, некоторых искусственных магнитных материалов;

Фиг.2 изображает петли гистерезиса для наномагнитов различного размера, толщины и геометрической формы;

Фиг.3 изображает петлю гистерезиса суперпарамагнитного треугольного наномагнита;

Фиг.4 изображает экспериментально измеренные коэрцитивности в зависимости от размера наномагнита;

Фиг.5 изображает экспериментально измеренное поле анизотропии внутри различных наномагнитов;

Фиг.6 изображает главный член анизотропии на Фиг.5, выраженный как поле (А) анизотропии и как энергия (В) анизотропии на один наномагнит для различных наномагнитов;

Фиг.7 изображает магнитную восприимчивость в зависимости от размера и симметрии наномагнитов; и

Фиг.8 изображает схематическую конструкцию суперпарамагнитного наномагнита при использовании в качестве датчика магнитного поля или логического элемента.

Предпочтительные варианты 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 наномагнитами было всегда по меньшей мере равным диаметру наномагнита, а для наименьших структур оно составляло вплоть до 3-х диаметров. Шероховатость поверхности наномагнитов была менее 0,5 нм, а анализ микроструктуры показал наличие случайным образом ориентированных 5-нанометровых зерен. Верхняя поверхность каждого наномагнита 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 в сканирующем электронном микроскопе.

Для того чтобы определить магнитные свойства этих различных искусственных материалов авторы настоящего изобретения измерили 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 обнаружения той составляющей намагниченности, которая лежит в оптической плоскости падения. Эта намагниченность в дальнейшем регистрируется при приложении переменного магнитного поля частотой 27 Гц с напряженностью вплоть до 1000 Э в плоскости образца. Все измерения выполнялись при комнатной температуре.

На Фиг.2 и 3 представлены некоторые петли гистерезиса, измеренные у наномагнитов с различными размером, толщиной и геометрической формой. Представляется очевидным, что петли сильно отличаются друг от друга и от тех, которые были получены у обычного неструктурированного материала. Заслуживает внимания разнообразие технологических областей применения, охватываемых образцами, представленными на этом чертеже. Известные малые прямоугольники, показанные на Фиг.2В, могут быть пригодными для изготовления искусственного заменителя носителей для жестких дисков: использованные в этом случае наномагниты в принципе могут обеспечить достижение плотностей хранения данных свыше 100 Гбит/кв. дюйм, то есть в 10 раз больше, чем у традиционно используемых сегодня носителей, известных из уровня техники. Известные большие прямоугольники на Фиг.2D хорошо подходят для магнитной памяти с произвольным доступом (МОЗУ) - близкой альтернативы полупроводниковой памяти: микросхема памяти, использующая магнитные элементы такого размера, может иметь емкость 1 Гбит энергонезависимой быстродействующей памяти. Неожиданным является то, что широкий диапазон магнитных свойств обнаруживается у треугольных и пятиугольных наномагнитов. Треугольные наномагниты на Фиг.2Е, которые имеют высокую остаточную магнитную индукцию и малую коэрцитивную силу, могут быть использованы в качестве элемента памяти (запоминающего элемента), тогда как из пятиугольных наномагнитов 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 области применения являются прямым результатом изменения размера, толщины и, что важнее всего, симметрии наномагнитов, которые образуют искусственный материал.

Для того чтобы количественно определить этот важный эффект авторами настоящего изобретения была измерена коэрцитивная сила, исходя из петель гистерезиса в зависимости от размера, толщины и порядка симметрии наномагнитов. Коэрцитивная сила является мерой приложенного поля, необходимого для уменьшения намагниченности до нуля (т.е. петля гистерезиса имеет центральную ширину, равную удвоенной коэрцитивной силе), и по существу является мерой того, насколько легко внешнее поле может изменить на обратное направление намагниченности наномагнита. Коэрцитивная сила является ключевым параметром при оценке пригодности данного магнитного материала для технологического применения. На Фиг.4 представлены результаты, на которых, для того чтобы можно было сравнивать различные геометрии, размер наномагнитов был выражен авторами через квадратный корень их площади (меры длины). Авторами была подтверждена повторяемость некоторых из этих экспериментальных результатов на втором комплекте образцов.

Первым признаком, очевидным образом следующим из приведенных на Фиг.4 данных, является то, что двойная и четырехкратная симметрии демонстрируют поведение одного типа, в то время как трехкратная и пятикратная симметрия демонстрируют поведение другого типа: наномагниты с двукратной/четырехкратной симметрией имеют высокие коэрцитивные силы, которые сначала увеличиваются с уменьшением меры длины; наномагниты с трехкратной/пятикратной симметрией имеют низкие коэрцитивные силы, которые падают до нуля при уменьшении меры длины. Второй вывод, который можно сделать в отношении Фиг.4, состоит в том, что во всех случаях увеличение толщины приводит к сильному увеличению коэрцитивной силы, чего нет в неструктурированных магнитных пленках.

Поведение наномагнитов с двукратной симметрией является очень предсказуемым и обусловлено общеизвестным явлением, называемым анизотропией формы. Намагниченность предпочитает «упорядочиться» по самой длинной оси наномагнита для минимизирования площади поверхностей полюсов. Полем, создающим этот эффект, является размагничивающее поле, которое проходит между поверхностями полюсов внутри магнита. Размагничивающее поле масштабируется приблизительно с отношением t/a, где t - толщина наномагнита, а - его размер, и на Фиг.4А видно, что коэрцитивная сила увеличивается с уменьшением размера.

Эффекты, наблюдаемые в случае трехкратной, четырехкратной и пятикратной симметрии, в противоположность этому, понять не так просто. Это вызвано тем, что размагничивающее поле любой структуры описывается декартовым тензором второго ранга 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 несомненно испытывают некоторое, умеренно сильное противодействие изменению направления намагниченности, и поэтому некоторая анизотропия все же должна присутствовать. Тот факт, что эта анизотропия является несомненно более слабой в треугольных магнитах, доказывает то, что, хотя она и не является классической анизотропией формы, она все же связана с формой наномагнита.

Квадратным наномагнитам присуще недавно открытое свойство, названное конфигурационной анизотропией. Оно связано с очень малыми отклонениями от равномерной намагниченности, которая имеет место почти во всех наномагнитах. До настоящего времени не было выяснено до какой степени эта новая анизотропия важна при определении магнитных свойств наномагнитов. С целью проверки гипотезы о том, что варьирующееся поведение, которое можно видеть на Фиг. 2-4, обусловлено конфигурационной анизотропией, авторами было выполнено непосредственное измерение анизотропии в наномагнитах с использованием метода, который авторы называют магнитооптической анизометрией с модулированным полем. В этом методе в плоскости наномагнитов прикладывают сильное статическое магнитное поле Н (=350 Э), а более слабое колебательное (осциллирующее) поле H_t (с амплитудой 14 Э) прикладывают в плоскости наномагнитов, но перпендикулярно Н. Амплитуда результирующего колебания намагниченности регистрируется этим же магнитооптическим методом, использованным для получения петель гистерезиса на Фиг.2 и 3, и непосредственно связана с амплитудой и симметрией любой анизотропии в наномагните. Авторами была экспериментально измерена анизотропия в случае треугольных, квадратных и пятиугольных наномагнитов в диапазоне размеров 50-500 нм при толщине 5 нм, и полученные результаты представлены на Фиг.5. На представленных полярных диаграммах угол определяет плоскостное направление φ в наномагните, радиус определяет радиус наномагнита в этом направлении, а тон определяет экспериментально измеренную величину для наномагнита с таким размером, где M_S - намагниченность насыщения (800 ед.СГСМ см^-3), а Е(φ) - средняя плотность магнитной энергии наномагнита при намагничивании в направлении φ. Хотя Н₂ не является общепринятым определением поля анизотропии, можно показать, что любые колебания Н₂ имеют тот же порядок симметрии, что и лежащая в основе анизотропия, а 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° с шагами по 10° для треугольников и квадратов, 0-180° с шагами по 5° для пятиугольников), причем общее число измерений составило 526.

Из Фиг.5 со всей очевидностью следует, что имеют место сильные поля анизотропии во всех исследованных наномагнитах. Треугольные наномагниты проявляют анизотропию с шестикратной симметрией, квадратные наномагниты демонстрируют анизотропию с четырехкратной симметрией, а пятиугольные наномагниты обладают заметной анизотропией с десятикратной симметрией. Удвоение симметрии происходит в треугольных и пятиугольных структурах, так как энергия всегда является квадратичной при намагничивании, и поэтому нечетные порядки симметрии поддерживаться не могут.

Авторы применили к диаграммам на Фиг.5 анализ Фурье для того, чтобы получить амплитуду полей анизотропии в зависимости от размера наномагнитов и симметрии, и полученные результаты показаны в двух различных видах на Фиг.6. На Фиг.6А авторами был построен график зависимости непосредственно поля анизотропии, тогда как на Фиг.6В авторами был изображен график зависимости энергии анизотропии одного наномагнита (в единицах кТ, где к - постоянная Больцмана, а Т равна 298К) с использованием теоретической зависимости . В этом уравнении U_a - энергия анизотропии одного наномагнита (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) наномагнита. Согласно пониманию авторов важным элементом влияния порядка симметрии на магнитные свойства является в этом уравнении член n². Это означает, что, хотя все геометрии демонстрируют приблизительно аналогичные поля анизотропии на Фиг.6А, они демонстрируют очень различные энергии анизотропии на Фиг.6В.

Энергия анизотропии представляет особый интерес из-за явления, называемого суперпарамагнетизмом, которое представляет собой процесс, при котором энергетические барьеры анизотропии могут быть преодолены за счет флуктуации тепловой энергии кТ в магнитах нанометрового масштаба. В качестве примерного руководства к действию, барьер может быть преодолен в масштабе времени рассматриваемых авторами измерений, если его высота составляет менее 10 кТ. Это означает, что, если энергия анизотропии составляет менее 10 кТ, то можно ожидать, что коэрцитивная сила быстро упадет до нуля. Согласно Фиг.6В это имеет место в том случае, когда размер элемента составляет менее приблизительно 150 нм, причем у квадратов это падение по мере уменьшения размера проявляется наиболее слабо. И наоборот, если энергия анизотропии составляет более 10 кТ, коэрцитивная сила будет приблизительно повторять поле анизотропии. Это объясняет различие в поведении, которое можно наблюдать на Фиг.4 между квадратами с одной стороны и треугольниками и пятиугольниками с другой. Поле анизотропии квадратов (Фиг.6А) имеет пик (максимум) при уменьшении размера элементов, и этот пик непосредственно отражается на данных по коэрцитивной силе квадратов (Фиг.4С). Поле анизотропии пятиугольников не демонстрирует никакого пика, и это также непосредственно отражается на данных по коэрцитивной силе (Фиг.40), хотя падение до нуля имеет место при несколько большем размере в случае данных по коэрцитивной силе, чем в случае поля анизотропии, из-за термической активации (теплового возбуждения). Наконец, поле анизотропии треугольников действительно имеет пик, точно так же, как и в случае квадрата, но, поскольку энергии анизотропии у треугольника меньше, то термическая активация возникает при большем размере и предотвращает появление пика в данных по коэрцитивной силе (Фиг.4В). Таким образом, авторы настоящего изобретения в состоянии объяснить экспериментально определенные данные по коэрцитивной силе, как возникающие вследствие комбинации конфигурационной анизотропии и термической активации.

Материалы с высокой остаточной 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. Восприимчивость χ определяется как 4π∂M/∂H, где М - намагниченность наномагнита, а Н - приложенное магнитное поле. Восприимчивость χ прямо пропорциональна наклону петлей гистерезиса нулевого поля, таких как показанные на Фиг.2F. Авторы измерили восприимчивость χ с использованием вышеуказанного магнитооптического эксперимента (при частоте 27 Гц) в зависимости от размера наномагнита и симметрии при постоянной толщине 3,7±0,5 нм, и полученные результаты представлены на Фиг.7. Восприимчивость χ имеет значение только тогда, когда коэрцитивная сила равна нулю, и авторы ограничили себя именно этим случаем. Для сравнения на данном чертеже авторами также построен график теоретической магнитной восприимчивости, выведенный из функции Ланжевена. Она является статистическим термодинамическим представлением, которое применяется к одному гигантскому спину в свободном пространстве. При рассмотрении Фиг.7 можно прийти к трем заключениям. Во-первых, все экспериментально определенные магнитные восприимчивости наименьших наномагнитов близки к модели Ланжевена в свободном пространстве, даже несмотря на неиспользование параметров аппроксимации, что доказывает хорошую управляемость экспериментальной системы. Во-вторых, отклонения от модели Ланжевена являются наибольшими для наномагнитов с квадратной симметрией. Это согласуется с тем, что они обладают самой большой энергией конфигурационной анизотропии, и это означает, что гигантский спин, имеющийся у квадратного наномагнита, в наименьшей степени подобен гигантскому спину в свободном пространстве. Именно конфигурационная анизотропия в конечном счете вызывает отклонение от модели Ланжевена для всех видов симметрии с увеличением размера. В-третьих, измеренные здесь магнитные 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 (т.е. микрометры и выше, которые используют большинство традиционных датчиков магнитного поля). В этом последнем случае магнитная восприимчивость обусловлена движением доменных стенок против действия внутреннего размагничивающего поля, которое может быть очень сильным. Таким образом четко продемонстрирована уникальная роль структурирования в нанометровом масштабе.

Фиг.4 и 5 хорошо иллюстрируют тот способ, с помощью которого нанометровое структурирование действительно эмулирует создание новых магнитных материалов. Супермаллой выращивается с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллографической решеткой, которая обычно приводит к анизотропии с двукратной или четырехкратной симметрией. Тем не менее, Фиг.5А демонстрирует шестикратную симметрию, которая обычно принадлежит материалам с гексагональной плотноупакованной кристаллографической решеткой. В этом случае симметрия формы наномагнита (треугольная) может быть использована для эмуляции изменения в кристаллографической фазе. Аналогично, относительно высокие коэрцитивные силы квадратных и прямоугольных наномагнитов (Фиг.4А и Фиг.4С) обычно обнаруживаются только в магнитных материалах с высокой анизотропией и слабо связанной микроструктурой. В этом случае тщательный выбор симметрии наномагнита эмулирует изменение в элементе и изменение в микроструктуре. Наконец, элементарная кристаллография диктует то, что кристаллическая решетка не может обладать десятикратной симметрией, и поэтому мы не должны ожидать обнаружение природного кристаллического элемента или сплава с десятикратной симметрией магнитной анизотропии. Фиг.5С, однако, показывает, что авторами был успешно создан один такой элемент искусственным путем с использованием наноструктурирования. В этом случае было использовано нанометровое формование для придания кристаллическому материалу свойства, которое обычно встречается у квазикристаллов.

На Фиг.8 схематически изображена возможная модель устройства, использующего суперпарамагнитный наномагнит в качестве части датчика или логического элемента. Трехслойный спиновый вентиль 12 соединен на обоих сторонах с соединительными линиями 14. Вентиль 12 содержит магнитный нижний слой 16, немагнитный разделительный слой 18 и один или более наномагнитов 20 в суперпарамагнитном состоянии в качестве верхнего слоя. Стрелка 22 указывает на прохождение тока через вентиль 12, а стрелка 24 указывает на намагниченность в магнитном нижнем слое 16.

В заключение следует отметить, что авторами было определено влияние симметрии формы наномагнитов на их магнитные свойства, и это влияние было использовано в практически важных областях применения. Авторами 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 магнитные материалы, в которых магнитные свойства могут быть приспособлены (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. Авторы настоящего изобретения определили, что конфигурационная анизотропия, вызванная другими формами, такими как треугольники, пятиугольники и шестиугольники, 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. Однако авторы настоящего изобретения показали здесь, 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. Однако еще более интересным является тот факт, что суперпарамагнетизм гарантирует почти нулевой гистерезис, что является необходимым требованием для хорошего датчика (см. Фиг.3). Самой большой проблемой, с которой сталкиваются при использовании в настоящее время наноструктур в качестве датчиков, является тот факт, что обычно гистерезис становится больше по мере уменьшения поперечных размеров устройства.

Эти две идеи могут быть объединены за счет придания конфигурационной анизотропии низкого значения путем выбора подходящей формы (треугольной, пятиугольной или круглой), которая позволяет наноструктуре стать суперпарамагнитной и, следовательно, функционировать в качестве хорошего датчика или логического элемента.

1. Элемент датчика, содержащий магнитный материал, отличающийся тем, что магнитный материал выполнен в виде наномагнитов с размером сторон 40-500 нм и толщиной 3-10 нм, имеющих геометрическую осевую симметрию вращения 3 или 5 порядка и являющихся суперпарамагнитными с нулевым гистерезисом.

2. Элемент датчика по п.1, отличающийся тем, что наномагниты сформированы из искусственного магнитного материала на поверхности подложки, причем их ось вращения перпендикулярна упомянутой поверхности.

3. Элемент датчика по п.1 или 2, отличающийся тем, что магнитный материал выполнен из супермаллоя Ni₈₀Fe₁₄Mo₅.