具有包含设计界面的人工反铁磁耦合多层的垂直磁化线的畴壁运动方法
【专利摘要】具有包含设计界面的人工反铁磁耦合多层的垂直磁化线的畴壁运动方法。当用电流脉冲驱动畴壁时，包括两个反铁磁耦合磁性区的磁线显示出改善的畴壁运动特性。磁性区优选包括Co、Ni和Pt并且呈现垂直磁各向异性，由此支持窄畴壁的传播。畴壁运动的方向会受到设置线层的顺序的影响。
【专利说明】具有包含设计界面的人工反铁磁耦合多层的垂直磁化线的畴壁运动方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及存储器存储系统，尤其涉及使用电流来移动由人工反铁磁耦合磁性多层形成的磁线中的磁畴壁，其中数据存储在畴壁中或其相关畴中。
【背景技术】
[0002]赛道存储器(racetrack memory)是这样一种存储器存储器件,其中数据存储在形式为磁畴壁的磁性纳米线中，所述磁畴壁将以相反方向磁化的磁性区域分开(例如，见Parkin的美国专利6834005、6920062和7551469)。该存储器的关键原理是使用沿着纳米线(也称为赛道)施加的纳秒长的电流脉冲进行一系列这种畴壁沿着纳米线向后和向前的受控运动。在每一条纳米线中集成了用于注入畴壁和检测畴壁的器件。通过具有必要长度和数量的电流脉冲将畴壁移动到所述注入和检测器件。赛道可以由两个不同类别的磁性材料形成，其中材料的磁化强度是(a)主要在纳米线的面内并且沿着纳米线的长度取向(b)主要垂直于纳米线的长度并且垂直于纳米线的平面取向。形成种类(a)的材料通常由软磁性材料构成，在软磁性材料中，相比于与由与横截面形状相关联的静磁能得到的形状磁性各向异性，材料的本征磁晶体各向异性小，并且尺寸比纳米线的长度小。在这些材料中，畴壁通常宽:例如，由坡莫合金——近似原子成分比为80:20的Ni和Fe的合金形成的纳米线中的畴壁，通常为100-200nm宽，并且这些畴壁可能容易变形。形成种类(b)的材料通常由超薄磁性层构成，在超薄磁性层中它们与非磁性层的界面引起界面磁性各向异性，该界面间磁性各向异性可能导致它们的磁化强度优选垂直于这些界面取向。典型的例子包括与Pt层相邻放置的超薄Co层以及由原子薄的Co和Pt层的交替层形成的多层结构。另一例子是由超薄Co和Ni层形成的多层。对于这些材料，畴壁的宽度越小，垂直磁各向异性(PMA)越大，并且所述宽度可以窄至l-10nm。因此，种类(b)的材料优选用于制造密集的赛道存储器
[0003]在现有技术器件中，通过电流脉冲沿着赛道来回移动畴壁，在所述电流脉冲中，由于在形成赛道的磁性材料体内的依赖自旋的散射，电流被自旋极化。从自旋极化的电流到畴壁的自旋角动量的转移在畴壁内的磁矩上引起转矩，该转矩导致畴壁沿着纳米线运动。这种自旋转移矩(STT)现象导致畴壁在自旋角动量流的方向上被驱动,从而自旋角动量从电流转移到磁矩。非常确切的是，在坡莫合金中，携带电流的导电电子被主要自旋极化的，即，导电电子的磁矩平行于Ni和Fe原子上的局部磁矩的方向取向。这导致坡莫合金中的磁畴壁在导电电子流的方向上(即与电流方向相反)移动。畴壁的速度取决于电流的量值，对于坡莫合金中?108A/cm2的电流密度,畴壁以?100m/sec的速度移动。
[0004]畴壁可能被由纳米线的表面或边缘的粗糙引起的缺陷钉扎。在坡莫合金和种类Ca)中的其它材料中，自旋极化电流与畴壁磁化强度的相互作用使得需要非常大的电流来移动被甚至相当小的钉扎势钉扎的畴壁。例如，?108A/cm2的电流密度仅可以克服几奥斯特的有效钉扎场。相对照而言，种类(b)的材料中的窄得多的畴壁改变自旋极化电流与畴壁磁化强度的相互作用的细节，使得对于相同的电流密度，与种类(a)的材料中的畴壁相比，可以克服大得多的钉扎场。由于纳米线不可避免地具有粗糙的边缘和表面，这是种类(b)的材料的显著优势。
[0005]最后，种类(b)的材料的第三个优点在于，具有PMA的赛道可以制作为磁性上非常薄，仅几个原子层厚，而畴壁仍然能够在由非常大的PMA引起的热波动下是稳定的。由于磁性纳米线非常薄并且因此成比例地包含更小的磁矩，畴壁可以使用注入器件注入到纳米线中，所述注入器件使用来自跨过隧道势垒注入到轨道中的电流的自旋矩转移。对于种类Ca)中的材料，现有技术器件的赛道必须由厚得多的磁性层形成，以便以能够利用能够用电流移动的漩涡畴结构稳定畴壁。在由种类(a)的材料形成的更薄的赛道中，畴壁具有需要更高电流密度来移动它们的横向壁结构。
【发明内容】
[0006]本发明的优选实施例和实现方式涉及在具有允许窄畴壁(DW)的垂直磁各向异性的线中以高效率用电流移动畴壁。本申请中采用的习惯是沉积在衬底上的第一层是最“底”层，而最后沉积的层时最“顶”层。类似地，关于层形成的顺序而不是重力定义“在……上”、“在……下方”、“在……下”以及“在……上方”。叠层的层以它们被沉积的顺序列出。
[0007]我们示出了可以通过工程设计人工反铁磁性耦合的磁叠层的底部和顶部处的或该磁叠层本身内的界面，用沿着电流方向的电流或者与电流方向相反的电流驱动该磁叠层中的畴壁，该磁叠层由通过反铁磁性耦合层耦合到第二组Co层或Co/Ni/Co三层结构或Co/[Ni/Co]M (其中M表示双层的数量)多层的第一组Co层或Co/Ni/Co三层结构或Co/[Ni/Co],(其中N表示双层的数量)多层形成。交换耦合根据耦合层厚度改变其符号，并且在该耦合为负或反铁磁性时整个磁矩减小。在本申请公开的优选实施例中，我们发现具有垂直磁各向异性(PMA)的两个磁性区域之间的反铁磁交换耦合强度大于I特斯拉，因此在Ru交换耦合层例如为4-10埃厚时显著减小磁矩。
[0008]此外，我们示出了用于驱动畴壁的机制强烈依赖于磁叠层下、上和内的金属材料的性质。当磁性叠层生长在Pt、Pd和Ir上时，这些金属与底部Co层之间的界面在电流方向上驱动畴壁。当这些金属沉积在磁叠层的顶上时，界面产生在相反方向(即电子流方向)上驱动畴壁的机制。在Pt在Co层下方引入时，在Co和Ni层之间在叠层内薄Pt层的引入在电流方向上驱动畴壁，并且在Pt层在Co层之上引入时，该薄Pt层的引入在相反的方向上驱动畴壁。畴壁被电流驱动的速度取决于Pt/Co和Co/Pt界面的总数。除了这些界面电流驱动的畴壁机制之外，沿着电子流驱动Co/Ni多层中的畴壁的固有体机制也是可行的。Co和Ni层越厚且数量越多，该机制越主要。界面电流DW驱动机制能够以高速度驱动畴壁。我们示出了在Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co磁线中可以实现在~1.5xl08A/cm2的电流密度下高达~430m/sec的DW速度。
[0009]本发明的一个方面是一种方法，该方法包括提供用作畴壁运动的轨道的磁线。该线包括下层、第一磁性区、耦合层、第二磁性区和上层。第一磁性区位于下层之上方并与其接触，该第一磁性区具有与下层和第一磁性区之间的界面垂直的易磁化方向，其中该第一磁性区是铁磁性的和/或亚铁磁性的。耦合层在第一磁性区之上并与其接触。第二磁性区在耦合层之上并与其接触，该第二磁性区是铁磁性的和/或亚铁磁性的。第一磁性区和第二磁性区通过耦合层反铁磁耦合。上层在第二磁性区之上且与其接触。下层、第一磁性区、耦合层、第二磁性区和上层沿着所述线的长度的至少一部分延伸。下层和上层中的至少一个包括非磁性材料，该非磁性材料选自一组元素，该一组元素由Pt、Pd和Ir构成。所述方法包括向所述线施加电流，由此沿着所述线移动畴壁，其中畴壁(i)穿过第一磁性区、耦合层和第二磁性区延伸并且至少延伸(ii)到下层和/或上层的一部分中。
[0010]本发明的另一个方面是一种方法，该方法包括提供用作畴壁运动的轨道的磁线。所述线包括铁磁性的和/或亚铁磁性的第一磁性区、耦合层和铁磁性的和/或亚铁磁性的第二磁性区。耦合层在第一磁性区之上且与其接触。第一磁性区具有垂直于第一磁性区和耦合层之间的界面的易磁化方向。第二磁性区在耦合层之上并与其接触。第一磁性区和第二磁性区通过耦合层反铁磁耦合，使得所述线的剩余磁化强度的绝对值小于以下(i)和
(11)的和的0.50倍，其中(i)为第一磁性区的磁化强度的量值的绝对值，(ii)为第二磁性区的磁化强度的量值的绝对值。第一磁性区、耦合层和第二磁性区沿着所述线的长度的至少一部分延伸。所述方法包括向所述线施加电流，由此沿着所述线移动畴壁，其中畴壁延伸穿过第一磁性区、耦合层和第二磁性区。
[0011]Co层优选具有I与10埃之间(更优选地，I与4.5埃之间)的厚度，Ni层优选具有I与10埃之间(更优选地，4与8埃之间)的厚度，非磁性材料的层优选具有2与50埃之间(更优选地，5-15埃之间)的厚度，并且耦合层(理想地，99% (原子百分比)的Ru和/或Os)优选具有4与10埃之间的厚度。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1A和IB是本发明优选实施例的示意图。
[0013]图2涉及具有垂直磁各向异性(PMA)和合成反铁磁结构(SAF)膜的磁特性，其中:图2A-J示出了通过克尔(Kerr)测磁法测量的由20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/xRu/1.5Co/7Ni/l.5Co/50TaN构成的均厚 (blanket)膜磁滞回线。Ru耦合层厚度x在O-16人之间变化。注意图2A示出了 x=0且单个1.5Λ厚的Co层位于两个Ni层之间的情况下的结果，而图2B示出了 x=0且3.0/?厚的Co层位于两个Ni层之间的情况下的数据。
[0014]图3涉及畴壁速度测量的实验方法和对应结果，其中:图3Α示出了一种典型器件的光学显微图像，该器件包括长50微米、宽2微米的线，该线的每一端连接到用于电连接的接合衬垫的更宽的区域。图3Β呈现的克尔显微图像示出了响应于一系列电流脉冲的畴壁(DW)的位置。图像以规则间隔保存，选择所述间隔使得DW移动可测量的量。该图中示出的这两列图像是对应于以下情况获得的:由20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/8Ru/l.5Co/7Ni/
1.5Co/50TaN制成的2微米宽的线中两个相反的电流极性。注意，对比度(白或黑)由由于Dff的运动而扩展的畴的磁化方向确定。图3C呈现了沿着所述线的线扫描，示出了对应于DW的不同位置克尔对比度的变化。DW位置根据这些线扫描测量。图3D示出了 DW位置与各种量值的电流脉冲的积分电流脉冲长度kp的关系。实线示出了线性拟合，其斜率用于确定DW的速度。
[0015]图4涉及Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co/TaN线中电流驱动的DW运动，其中:图4A-J示出了针对2微米宽的线上5ns长的电流脉冲测量的DW速度与电流密度之间的关系，从磁滞回线如图2所示的膜构图所述线。
[0016]图5涉及具有厚度X的Ru耦合层对Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co/TaN线的特性的影响，其中:图 5A 示出了由 20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/x Ru/1.5Co/7Ni/l.5Co/50TaN 构成的均厚膜的剩余磁化强度对饱和磁化强度比率MK/MS与Ru耦合层厚度X的关系(x=0的数据点对应于没有Ru和单个1.5Λ厚Co层的器件，如上面结合图2所描述的)。图5B示出了该均厚膜的矫顽磁场H。与Ru耦合层厚度X的关系。图5C示出了在5ns长的电流脉冲的情况下器件的临界电流密度J。与Ru耦合层厚度X的关系。图示出了在5ns长电流脉冲以及三个不同电流密度的情况下的DW速度与Ru耦合层厚度X的关系。实心方形、空心方形和实心菱形分别示出了对应于3、2和1108A/cm2的数据。图5E-G示出了根据剩余磁化强度对饱和磁化强度比率MK/MS绘制的与图5B-D中相同的数据。图5E和图5G中的实线示出了数据的线性拟合。
[0017]图6涉及与反铁磁性耦合的Pt/Co/Ni/Co/Ru/Co/Ni/Co/TaN线的磁矩的补偿有关的电流驱动的DW运动，其中:图6A呈现包含被8Λ厚的Ru耦合层分开的两个Co/Ni/Co多层的均厚膜的磁滞回线。所述膜由 20TaN/15Pt/w Co/7Ni/x Co/8Ru/y Co/7Ni/z Co/50TaN制成。实心符号和交叉分别示出了对应于w=l.5、x=l.5、y=l.5、z=l.5以及w=l.5、x=l.5、y=l.5、z=3的数据。图6B示出了对于由上面结合图6A描述的膜制造的2个器件，在5ns长的电流脉冲的情况下DW速度与电流密度之间的关系。图6C示出了包括上面结合图6A描述的层的均厚膜的磁滞回线，其中w=3、x=l.5、y=l.5、z=l.5 (实心符号)以及w=3、x=l.5、y=3> z=l.5 (交叉)。图6D示出了对于由上面结合图6C描述的膜制造的2个器件，在5ns长的电流脉冲的情况下DW速度与电流密度之间的关系。
【具体实施方式】
[0018]图1A示出了本发明的优选实施例。首先在衬底上沉积下层100。然后在下层上沉积第一磁性区110的层。在第一磁性区110的顶上沉积反铁磁耦合层120，之后沉积第二磁性区130的层。最后，在第二磁性区130顶上沉积上层。下层100、第一磁性区110、反铁磁耦合层120、第二磁性区130以及上层140形成其中引入磁畴的磁线。两个磁性区110、130由包括铁磁性的和/或亚铁磁性的层的一系列层形成。磁性区110、130包括Co铁磁性层、Ni铁磁性层和Pt非铁磁性层的序列。Pt层优选与Co层和Ni层接触。如图1A所示，第一和第二磁性区110、130分别由依次顺序沉积的Co、N1、Pt和Co的层形成。
[0019]在图1A中示出了两个磁畴(“左”和“右”畴)，每一个畴都包含两个磁性区110、130的贡献。对磁化强度(以及净磁)的这些贡献垂直于Co和Ni层之间的界面取向。这些贡献的磁化强度的方向用黑色箭头(指向“上”或“下”)指示。这两个磁畴由畴壁分开，它们的来自第一和第二磁性区110、130的贡献分别用150a、150b表示。
[0020]在图1A的左畴中，磁化强度在第一磁性区110中向上取向，在第二磁性区中向下取向。由于反铁磁性耦合层120 (由Ru形成并且厚度被选择成提供反铁磁性耦合)提供的反铁磁性耦合，第一磁性区110中磁化强度的方向与第二磁性区中磁化强度的方向反平行。在图1A的右畴中，第一磁性区110中的磁化强度反平行于第一磁性区中左畴的磁化强度取向。类似地，在图1A的右畴中，第二磁性区130中的磁化强度反平行于第二磁性区中左畴的磁化强度取向。图1A还示出了下层100中的区域160a，该区域160a呈现出由于其靠近邻近的Co层引起的磁矩。类似地，上层中的区域106b由于其靠近邻近的Co层变成有磁性。图1B示出了另一优选实施例，其中磁性区110、130中每一个现在包括Co/Ni/Co三层结构。图1A和IB中的畴壁和/或其对应的畴代表数据(信息)，该数据可以使用集成到所述线中的一个或多器件写入所述线和/或从所述线读出。
[0021]通过磁控管溅射，在覆盖有用于电隔离目的的25nm的SiO2和IOnm的Al2O3的Si晶片上，沉积具有垂直磁各向异性(PMA)的均厚膜。该合成反铁磁性结构(SAF)叠层的典型结构如下:20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/x Ru/1.5Co/7Ni/l.5Co/50TaN (此处所有厚度均以
人为单位)。在此处的优选膜中，Co和Ni层具有fee结构并且在(111)方向上取向。Ru耦合层厚度X在0-16人之间变化。使用垂直于膜(图2)的面施加的磁场测量的克尔磁滞回线揭示了所有样品都具有强PM。
[0022]对于4-10Λ之间的X，观察到了清楚的反铁磁性(AF)耦合的证据，这由剩余磁化强度的减少证明。我们发现，与x=4 (图2D)和8 (图2F)相比，x=6时AF耦合更弱。注意当X=O时，叠层中间的两个1.5Λ厚的Co层形成单个3人厚的层(图2B)。为了完整起见，
我们也示出了 x=0且中间的Co层仅1.5Λ厚的情况(图2A)。
[0023]使用通过UV光刻和Ar离子研磨形成的2微米宽的器件研究电流驱动的DW运动。图3A示出了典型器件的光学显微图像。在图3A的中央部分中的线是50 m长，在该线处拍摄到了 DW运动。该线的两端连接到用作用于电连接的接合衬垫的更宽的区域。在大多数情况下，我们发现PMA在线接合处显著减小，使得DW在接合附近成核并且可以在外部场的作用下在线中蔓延。一旦在线中注入了单个DW，就将场减小到零，通过向器件施加一系列长度为tP的电流脉冲来研究DW运动。
[0024]使用不同模式的克尔显微来监视响应于所述一系列电流脉冲的DW的位置。图像以规则间隔保存，选择所述间隔使得DW在这些存储的图像之间移动可测量的量。图3B示出了对于由 20TaN/15Pt/3Co/7Ni/l.5Co/8Ru/l.5Co/7Ni/l.5Co/50TaN (再次地，所有厚度
以I为单位)制造的2μπι宽的线，在两个不同电流极性的情况下的两个图像序列的例子。此处所使用的电流脉冲是5ns长的，且相关联的电流具有±1.8108A/cm2的密度。注意，对比度(白或黑)由DW的运动而扩展的畴的净磁化方向决定。通过沿着所述线的克尔对比度的自动分析(图3C)根据所述图像确定DW位置；该图中示出的轮廓是示例性的并且是针对+1.8108A/cm2的电流密度和各种teP值取得的，tCP是tP与施加到器件的脉冲数的乘积。然后通过假设DW仅在电流脉冲期间移动来确定DW速度。我们使用DW位置与积分电流脉冲长度tCP的关系的线性拟合(图3D)。图3D示出了与具有1.0、1.8和2.8108A/cm2的电流密度的5ns长的电流脉冲对应的结果(其中增加的电流密度对应于图中增加的斜率)。在一些情况下，DW可能在其再次移动之前被局部缺陷钉扎一段时间。在这些情况下，我们仅拟合其中位置线性依赖于的曲线的部分。使用为DW位置与关系曲线的所有点计算的差分速度值的标准偏差，来确定速度测量的误差棒。
[0025]图4A-J示出了对于具有图2所示的磁滞回线的所有10个样品，DW速度随电流密度J的变化。在所有情况下，在电流密度超过阈值Jc时，DW响应于电流脉冲移动。DW移动方向取决于电流极性，其在DW运动由源自自旋极化电流的自旋转移矩(STT)驱动时被观察至|J。然而，这些结果显示DW在电流方向上移动，表明STT不是电流驱动的DW动力学的唯一贡献，并且实际上被另一效应压倒。已经确定Pt/Co界面对与由邻近Co层在Pt层中诱导的磁矩相关的该反常行为负责。所诱导的磁矩很大程度上平行于Co层的磁矩，然而，由于Pt/Co界面处的Dzyaloshinski1-Moriya相互作用，所诱导磁矩的相当大的分量可以平行于界面。
[0026]图4A-J突出显示了 SAF结构在电流驱动的DW动力学中的作用。通过比较图2和图4，DW速度与磁滞回线相关这一点变得清楚。当两个磁性层是AF耦合的时，即，当x=4 A
(图4D)，x=8 A (图4F)以及.χ=10人(图4G)时，电流驱动的DW速度增强。在没有间
隙Ru耦合层层(X=O)的情况下，DW动力学强烈依赖于中间Co层的厚度。当该层为3人厚
(图4Β)而不是.1.5Α厚(图4Α)时，JC从0.8IOVcm2增加至Ij 3.3108A/cm2。值得注意的是，
仅需要在两个Co层之间 插入2人的Ru，来将J。减小到~0.5IOVcm2 (图4C)，即使两个Co层由于该Ru厚度而强烈铁磁性耦合也是如此。
[0027]为了更详细分析DW动力学与AF耦合之间的关系，在图5A-D中示出了器件的几个属性随Ru耦合层厚度X的变化。这些图示出了剩余磁化强度和饱和磁化强度之比率MK/MS(图5 ;注意饱和磁化强度对应于来自线中的两个磁性区的贡献的总和)、均厚膜的矫顽场H。(图5B)、对于5ns长的电流脉冲用于DW运动的临界电流密度J。(图5C)以及对应于电流密
度1、2和3108A/cm2的电流驱动DW速度(图OT)。注意，X=O处的点对应于具有1.5Λ.厚度
的中间Co层的样品。图5E-G示出了随仏/Ms变化的与图5B-D中相同的量。正如上面已经讨论的在x=4、6和8时的AF耦合的开始由MK/MS的剧烈减小证实。H。正如预期的那样相应地增加(图5E)，这是因为SAF器件对外部场不是那么敏感。有趣的是，在实验不确定性内Jc与X不相关(图5F)，这与强烈依赖于X的电流驱动DW速度(图5G)相反。如图5G所示，速度以随电流密度增加而增加的速率随MK/MS线性变化。对于SAF器件，在3.0lOVcm2下的速度接近400m/s，这比铁磁性耦合的层的值的两倍还大。这表明当MK/MS小于例如0.75时，实现了显著的提高。值得注意的是，尽管有相当强的DW钉扎，还是观察到了 SAF结构的增强的电流驱动的DW速度。对于这些器件，Dff传播场大于400e。
[0028]为了确认增加的电流驱动DW速度是由于SAF结构而不是由于Ru耦合层的插入，我们已经调整了 Co层的厚度以修改SAF结构的补偿(图6)。所述器件由20TaN/15Pt/wCo/7Ni/x Co/8Ru/y Co/7Ni/z Co/50TaN 制成。图 6A 和 6B 示出了对应于 w=L 5、x=L 5、y=l.5> z=l.5 (实心符号)以及w=l.5、χ=1.5、y=l.5、z=3 (交叉)的数据。图6C和6D示出了对应于 w=3、x=l.5、y=l.5、z=l.5 (实心符号)以及 w=3、x=l.5、y=3、z=l.5 (交叉)的数据。由于与Pt下层相邻的最下面的Co层不同厚度W，可用于DW运动的电流密度的范围在第一种情况下(图6B)远小于第二种情况(图6D)。这是因为在大于成核阈值的电流密度下发生电流诱导的成核，所述成核阈值依赖于样品的PMA，而PMA强烈依赖于与Pt下层相邻的Co层的厚度。对于图6中示出的两组数据，当SAF结构的补偿改善时，DW速度显著增加。对于图6B所示的器件，甚至对于低电流密度都观察到这种增加。当MrZMs从0.45减小到0.2时，在108A/cm2下，DW速度增加到2倍(从~170到340m/s)。在1.5108A/cm2下，DW速度达到430m/s。这些数据显示，随MK/MS减小,例如减小到0.25或者甚至0.10,电流驱动的畴壁运动的特性改善。
[0029]在不脱离本发明精神和本质特征的情况下，可以以其它特定形式实现本发明。无论从哪一点来看，所描述的实施例都应当被认为是说明性的而非限制性的。因此本发明的范围由所附权利要求书而不是前面的描述表明。在权利要求的等价物的意思和范围内的所有变化都应当包含在所述范围中。
【权利要求】
1.一种方法，包括: 提供用作畴壁运动的轨道的磁线，所述线包括: 下层； 第一磁性区，位于所述下层之上并与其接触，所述第一磁性区具有与所述下层和所述第一磁性区之间的界面垂直的易磁化方向，其中所述第一磁性区是铁磁性的和/或亚铁磁性的； 耦合层，在所述第一磁性区之上并与其接触； 第二磁性区，在所述耦合层之上并与其接触，所述第二磁性区是铁磁性的和/或亚铁磁性的，并且其中所述第一磁性区和所述第二磁性区通过所述耦合层反铁磁地耦合；以及上层，在所述第二磁性区之上并与其接触； 其中(i)所述下层、所述第一磁性区、所述耦合层、所述第二磁性区和所述上层沿着所述线的长度的至少一部分延伸；并且(ii)所述下层和所述上层中的至少一个包括非磁性材料(NMM)，该非磁性材料选自一组元素，该一组元素由Pt、Pd和Ir构成；以及 向所述线施加电流，由此沿着所述线移动畴壁，其中所述畴壁(i)穿过所述第一磁性区、所述耦合层和所述第二磁性区延伸并且(ii)至少延伸到所述下层的一部分和/或所述上层的一部分中。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一磁性区包括至少20原子百分比的Co的层。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁性区包括至少20原子百分比的Co的`层。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一磁性区包括至少20原子百分比的Ni的层。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二磁性区包括至少20原子百分比的Ni的层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一磁性区和/或所述第二磁性区包括如下的层(i)和层(ii) 二者，其中所述层(i)是至少20原子百分比Co的层，所述层(ii)是至少20原子百分比Ni的层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一磁性区、所述第二磁性区以及包含所述非磁性材料的层均为fee且(111)取向。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一磁性区和/或所述第二磁性区包括至少一个三层结构，该三层结构选自由Co/Pt/Ni和Ni/Pt/Co构成的组，其中(i)所述至少一个三层结构中的每个Ni层是铁磁性的并且包含至少20原子百分比的Ni，(ii)所述至少一个三层结构中的每个Co层是铁磁性的并且包含至少20原子百分比的Co，并且(iii)所述至少一个三层结构中的每个Pt层包含至少70原子百分比的Pt。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个三层结构中的每个Ni层是fee且(111)取向。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个三层结构中的每个Ni层具有I与10埃之间的厚度。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述至少一个三层结构中的每个Ni层具有4与8埃之间的厚度。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和/或第二磁性区包括至少一个Co/Ni/Co三层结构，其中所述至少一个三层结构中的每个Co层是至少20原子百分比的Co，并且所述至少一个三层结构中的每个Ni层是至少20原子百分比的Ni。
13.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和/或所述第二磁性区包括至少一个Co/Ni/Pt/Co多层，其中所述至少一个多层中的每个Co层是至少20原子百分比的Co，所述至少一个多层中的每个Ni层是至少20原子百分比的Ni，以及所述至少一个多层中的每个Pt层是至少70原子百分比的Pt。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一磁性区和所述第二磁性区中的每一个包括选自由Co/Pt/Ni和Ni/Pt/Co构成的组的至少一个三层结构，其中(i)所述至少一个三层结构中的每个Ni层是铁磁性的并且包含至少20原子百分比的Ni，(ii)所述至少一个三层结构中的每个Co层是铁磁性的并且包含至少20原子百分比的Co，并且(iii)所述至少一个三层结构中的每个Pt层包含至少70原子百分比的Pt。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述耦合层包括Ru并且与(i)所述第一磁性区中的Pt层和/或(i i )所述第二磁性区中的Pt层接触。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述耦合层包括Ru和Os中的至少一种。
17.根据权利要求16所述的方法，其中Ru和Os—起构成所述耦合层的至少99的原子百分比。`
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述耦合层包括Ru并且厚度为在4与10埃之间。
19.根据权利要求1所述的方法，其中所述耦合层包括Os并且厚度在4与10埃之间。
20.根据权利要求1所述的方法，其中所述耦合层包括Ru并且与(i)所述第一磁性区中的Co层和(i i )所述第二磁性区中的Co层接触。
21.根据权利要求1所述的方法，其中所述线中的每一个Co层都为fee且(111)取向。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述线中的每一个Co层都具有I与10埃之间的厚度。
23.根据权利要求1所述的方法，其中所述线中的每一个Co层都具有I与4.5埃之间的厚度。
24.根据权利要求1所述的方法，其中包含NMM的所述上层或下层具有2与50埃之间的厚度。
25.根据权利要求1所述的方法，其中包含NMM的所述上层或下层具有5-15埃之间的厚度。
26.根据权利要求1所述的方法，其中所述下层或上层具有由于其靠近Co层而诱导的磁矩。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所诱导的磁矩的一部分平行于所述界面。
28.根据权利要求26所述的方法，其中所诱导的磁矩的一部分垂直于邻近的Co层中的Co磁矩的取向。
29.根据权利要求1所述的方法，包括向所述线施加电流，由此沿着所述线移动多个畴壁。
30.根据权利要求1所述的方法，其中所述畴壁在所施加的电流的方向上移动，所述第一和第二区中至少一个中的NMM/Co界面的数目大于所述区中的所述至少一个中的Co/NMM界面的数目。
31.根据权利要求1所述的方法，其中所述畴壁在与所施加的电流的方向相反的方向上移动，所述第一和第二区中至少一个中的Co/NMM界面的数目大于所述区中的所述至少一个中的NMM/Co界面的数目。
32.—种方法,包括: 提供用作畴壁运动的轨道的磁线，所述线包括: 铁磁性和/或亚铁磁性的第一磁性区； 在所述第一磁性区之上且与所述第一磁性区接触的耦合层，所述第一磁性区具有垂直于所述第一磁性区和所述耦合层之间的界面的易磁化方向；以及 在所述耦合层之上且与所述耦合层接触的第二磁性区，其中所述第二磁性区是铁磁性的和/或亚铁磁性的，并且其中所述第一磁性区和第二磁性区通过所述耦合层反铁磁耦合，使得所述线的剩余磁化强度的绝对值小于以下(i )和(ii )的和的0.50倍，其中(i )为所述第一磁性区的磁化强度的量值的绝对值，(ii)为所述第二磁性区的磁化强度的量值的绝对值；以及 其中所述第一磁性区、所述耦合层和所述第二磁性区沿着所述线的长度的至少一部分延伸；以及 向所述线施加电流，由此沿着所述线移动畴壁，其中所述畴壁延伸穿过所述第一磁性区、所述耦合层和所述第二磁性区。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述线的剩余磁化强度的绝对值小于所述和的0.25 倍。
34.根据权利要求32所述的方法，其中所述线的剩余磁化强度的绝对值小于所述和的0.10 倍。
35.根据权利要求32所述的方法，其中 所述线包括下层，所述下层包含选自由Pt、Pd以及Ir构成的组的元素，所述第一磁性区在所述下层之上并与所述下层接触；以及 所述畴壁延伸进入所述下层的至少一部分中。
36.根据权利要求32所述的方法，其中 所述线包括上层，所述上层包含选自由Pt、Pd以及Ir构成的组的元素，所述上层在所述第二磁性区之上并与所述第二磁性区接触；以及 所述畴壁延伸进入所述上层的至少一部分中。
37.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一磁性区和/或第二磁性区包括如下的层(i)和层(ii) 二者，其中所述层(i)是至少20原子百分比的Co的层，所述层(ii)是至少20原子百分比的Ni的层。
38.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一磁性区和第二磁性区均为fee且(111)取向。
39.根据权利要求32所述的方法，其中所述第一磁性区和/或第二磁性区包括选自由Co/Pt/Ni和Ni/Pt/Co构成的组的至少一个三层结构，其中(i)所述至少一个三层结构中的每个Ni层是铁磁性的并且包含至少20原子百分比的Ni，(ii)所述至少一个三层结构中的每个Co层是铁磁性的并且包含至少20原子百分比的Co，并且(iii)所述至少一个三层结构中的每个Pt层包含至少70原子百分比的Pt。
40.根据权利要求32所述的方法，其中所述耦合层包括Ru并且与(i)所述第一磁性区中的Pt层和/或(i i )所述第二磁性区中的Pt层接触。
41.根据权利要求32所述的方法，其中所述耦合层包括Ru和Os中的至少一种。
42.根据权利要求32所述的方法，包括向所述线施加电流，由此沿着所述线移动多个畴壁。
43.根据权利要求32所述的方法，其中所述畴壁在所施加的电流的方向上移动，所述第一和第二区中至少一个中的非磁性材料(NMM)/Co界面的数目大于所述区中的所述至少一个中的Co/NMM界面的数目。
44.根据权利要求32所述的方法，其中所述畴壁在与所施加的电流的方向相反的方向上移动，所述第一和第二区中至少一个中的Co/NMM (非磁性材料)界面的数目大于所述区中的所述至少一个中的NM`M/Co界面的数目。
【文档编号】G11C11/16GK103531708SQ201310283722
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年7月8日 优先权日:2012年7月6日
【发明者】S·S·P·帕金, L·托马斯, S-H·杨 申请人:国际商业机器公司