一种控制铁磁单层膜的多畴结构实现十态数据存储的方法与流程

本发明涉及一种控制铁磁单层膜的多畴结构实现十态数据存储的方法，属于信息技术的数据存储领域。

背景技术：

磁性材料与科技的发展紧密联系在一起，从古代的指南针开始，到现代的硬盘及硬盘读头，再到新型的磁随机存储器件，都离不开磁性材料的贡献。例如：硬盘中的磁存储功能就是基于磁性材料两个显著不同的磁状态来记录“0”和“1”；而在磁性隧道结中则是利用自由层和钉扎层磁矩的平行与反平行排列导致隧道结有高、低两个电阻态来表示“0”和“1”。也正是因为现实中容易实现两种不同的磁或电阻状态，目前的计算机都是基于二进制。但是，随着信息技术的快速发展，人们对器件高存储密度、低功耗的需求越来越迫切。这就要求我们不仅要充分利用现有的材料或器件，而且要进一步在现有的材料或器件结构中找到新的性能。假如实验上可以给出稳定的十重磁和电阻态，那么基于十进制的计算机就有可能被开发出来，不仅能极大地提高存储密度，而且能促进人工智能、类脑计算的快速发展。

然而目前为止，磁性薄膜还只是用于二进制存储，或者作为功能器件的一个组成部分来辅助多态存储，磁性薄膜本身还未被直接用作多态磁和电阻态的载体。

中国专利文献cn103824588a公开了一种对磁多畴态进行调控的方法，该方法是在磁性薄膜中通入电流的同时，施加一个磁场强度为0至4×10⁵a/m的外磁场来调控磁性薄膜的磁化状态，其中电流用于推动磁性薄膜磁多畴态中的磁畴移动，外磁场用于调控磁性薄膜中新磁畴的产生和已有磁畴在移动过程中的状态，从而使磁性薄膜处于一个稳定的磁多畴态。但是，该专利存在以下缺陷或不足：第一，需要同时施加电流和外磁场才能对磁畴进行有效调控，而且当电流密度小于1×10⁴a/cm²时外磁场和电流的调控具有一定的磁滞效应；第二，外磁场是通过在磁性薄膜附近生长铁磁层或放置永磁体，或借助电流产生的奥斯特场及传统硬盘中的移动磁头来实现的，通常只能产生较弱的磁场(<1特斯拉)；第三，磁畴状态的检测仅利用了霍尔效应。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种控制铁磁单层膜的多畴结构实现十态数据存储的方法；

本发明预期在高密度、低功耗磁电子存储器件方面有广阔的应用前景。

术语解释：

1、多畴磁性薄膜，是指磁性薄膜包含大量的方向各异的小型磁化区域，每一个小型磁化区域内包含大量原子，且所有原子磁矩沿某一方向平行排列，该小型磁化区域称为磁畴。相邻磁畴之间的原子磁矩排列方向不同。

2、单畴(singledomain)状态，是指磁性材料的尺度小于临界值时，原有的磁畴结构消失，而所有的磁矩只沿某一方向平行排列的磁状态。

3、十态，是指十个剩磁态或电阻态；

4、noovershot模式，在到达目标磁场前，所加磁场在任何时刻都不超过目标磁场的加场模式。

本发明的技术方案为：

一种控制铁磁单层膜的多畴结构实现十态数据存储的方法，包括：

(1)在负磁场方向施加一个大于多畴磁性薄膜饱和磁场的磁场(可施加磁场范围±7特斯拉)，使多畴磁性薄膜处于单畴状态；为数据存储提供了统一的初始状态。

进一步优选的，所述步骤(1)中，利用超导量子干涉仪磁强计，在负磁场方向施加一个大于多畴磁性薄膜饱和磁场的磁场。

(2)对步骤(1)操作后的多畴磁性薄膜施加正方向磁场，通过noovershot模式，以0～200奥斯特/秒的增加速率，将外磁场增大到目标磁场(写入磁场)，得到某一多磁畴状态；

(3)改变目标磁场的大小，并执行步骤(1)至步骤(2)，得到另一多磁畴状态；重复执行该步骤(3)直至获得十种多磁畴状态；

通过控制目标磁场的大小，影响磁畴的数量、大小及方向，将磁性薄膜“写入”到不同的多磁畴状态。随着目标磁场的增大，越来越多的磁矩会沿着目标磁场方向排列，导致与目标磁场同向的磁畴数目增多或区域增大，而与目标磁场磁矩排列反向的磁畴数目会减少或者方向趋向目标磁场方向排列。每一个多磁畴状态作为一个独立的存储单元；不同的多磁畴状态既可以通过剩余磁化强度、磁光克尔效应等磁性测量“读出”，又可以通过反常霍尔效应、磁电阻等电输运特性测量“读出”。

(4)读出步骤(3)得到的十种多磁畴状态。

在多畴磁性薄膜中，本发明通过外磁场，改变磁畴数量、大小和方向，从而在磁性薄膜中获得稳定的十个剩磁态或电阻态，实现在一个物理存储单元直接存储0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十个数值，以区别于目前在一个物理存储单元只能存储0和1两个数值的传统技术。

根据本发明优选的，所述步骤(4)，包括：通过剩余磁化强度或磁光克尔效应磁性测量读出不同的多磁畴状态，或者，通过反常霍尔效应或磁电阻电输运特性测量读出不同的多磁畴状态。

根据本发明优选的，通过磁控溅射、脉冲激光沉积、分子束外延或电子束蒸发制备所需的多畴磁性薄膜。

根据本发明优选的，所述多畴磁性薄膜的材质为铁磁金属薄膜、铁磁半导体薄膜或稀土金属铁磁薄膜；所述铁磁金属薄膜的材质为fe、co、ni、copt、copd、nife、cofe、cofeb、fesi、fesial或feal；所述铁磁半导体薄膜的材质为gamnas、inmnas或cozno；所述稀土金属铁磁薄膜的材质为lasrmno或lacamno。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种在磁性薄膜中获得稳定十个剩磁态或电阻态的方法，能够在一个物理存储单元直接存储0,1,2,3,4,5,6,7,8,9十个数值，以区别于目前在一个物理存储单元只能存储0和1两个数值的传统技术，在高密度、低功耗磁电子存储器件方面有广阔的应用前景，还有助于开发直接利用十进制运算的计算机。

2、本发明具有普适性强、易操作、可室温工作的优点。

3、本发明只需要通过超导磁体控制所施加外磁场(±7特斯拉)，不需要电流的辅助就可以实现多达10个稳定的磁和电阻态，而且不同的磁和电阻状态不仅可以用反常霍尔效应测量，也可以通过磁性测量、磁光性能的测量“读出”。

附图说明

图1为[co/pt]5磁性薄膜逐渐增加写入磁场时的磁滞回线示意图。

图2为[co/pt]5磁性薄膜逐渐增加写入磁场时的反常霍尔效应曲线示意图。

图3(a)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第一种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(b)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第二种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(c)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第三种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(d)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第四种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(e)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第五种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(f)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第六种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(g)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第七种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(h)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第八种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(i)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第九种剩磁状态下的磁畴图像。

图3(j)为[co/pt]15磁性薄膜逐渐增加写入磁场后的第十种剩磁状态下的磁畴图像。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例

一种控制铁磁单层膜的多畴结构实现十态数据存储的方法，包括步骤如下：

(1)用磁控溅射仪在(001)取向的si衬底上依次溅射ta(1nm)/pt(6nm)/[pt0.3nm/co0.5nm]n/ta(3nm)，其中pt和co的生长速率分别为每秒和结合光刻和离子刻蚀制备宽10微米、长70微米的霍尔效应测试结构，用于反常霍尔效应的测量。

(2)[co/pt]5薄膜中，通过外磁场调控磁畴状态，将薄膜“写入”到十个不同的磁状态，步骤包括：

a、利用超导量子干涉仪磁强计，在负磁场方向施加一个-1500奥斯特的磁场，将所有磁矩沿负磁场方向排列；此时，整个[co/pt]5薄膜处于单畴状态。

b、对步骤(1)操作后的[co/pt]5薄膜施加正方向磁场，通过noovershot模式，以0～200奥斯特/秒的增加速率，将写入磁场在615奥斯特到670奥斯特之间改变，得到图2所示0～9的磁滞回线。为直观的检测磁畴状态，对[co/pt]15薄膜执行了步骤a-步骤b的磁写过程，并测量了不同“写入”过程后剩磁状态下的磁畴图像。在此过程中初始负饱和磁场为-1000奥斯特，写入磁场范围676奥斯特～850奥斯特。具体情况如下：将外磁场增大到676奥斯特(写入磁场)，得到第一种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(a)所示；

c、改变写入磁场为701奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第二种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(b)所示；

改变写入磁场为703奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第三种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(c)所示；

改变写入磁场为704奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第四种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(d)所示；

改变写入磁场为707奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第五种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(e)所示；

改变写入磁场为720奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第六种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(f)所示；

改变写入磁场为726奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第七种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(g)所示；

改变写入磁场为750奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第八种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(h)所示；

改变写入磁场为775奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第九种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(i)所示；

改变写入磁场为850奥斯特，执行步骤a-步骤b，得到第十种磁状态；其对应的磁畴图像如图3(j)所示；

逐渐增加写入磁场，改变磁畴数量、大小和方向，将磁性薄膜诱发到不同的多磁畴状态；并用超导量子干涉仪测量负饱和磁场到“写入”磁场之间的磁滞回线。[co/pt]5磁性薄膜逐渐增加写入磁场时的磁滞回线如图1所示，实验发现，当写入磁场在615奥斯特至670奥斯特之间时，薄膜磁滞回线有明显的区别，将剩余磁化强度作为信息的记录载体，可以得到十进制中的0-9。

磁性材料中反常霍尔效应、磁电阻与磁化强度有密切的关联，因此我们可以利用更简便的电输运测量来检测样品所处的不同磁状态。图2给出了[co/pt]5薄膜在不同“磁写”过程中的反常霍尔效应测量结果。可以看到在不同剩磁状态，霍尔电压也有显著的不同，而且剩磁与霍尔电压成正比。因此，用霍尔电压可以很好的“读出”不同的剩磁状态，用霍尔电压作为信息记录载体，同样可以实现一个物理存储单元直接存储十个数值。

图3(a)-图3(j)的磁光克尔效应测量给出了不同“磁写”过程后，磁性薄膜中剩磁状态下磁畴的分布及其随外场的演化过程。为了提高信噪比，该测量用了重复15个周期的[co/pt]15薄膜。测试过程中，初始饱和场为-1000奥斯特，然后单调增加写入磁场后，测量剩磁状态下的磁畴分布。图中灰色(黑色)区域代表磁矩沿磁场负(正)方向。从图3(a)-图3(j)中可以看出，外磁场可以很好的控制磁畴分布，将磁性薄膜“写入”到不同的剩磁状态，而且磁光效应也可以直观的将剩磁状态“读出”。可以用不同取向畴的面积占比作为信息记录载体，实现一个物理存储单元直接存储十个数值。