专利名称：磁性材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及磁性材料，特别是涉及利用旋转对称性制作材料的磁特性。
在过去的40年中能够存储在一个计算机硬盘中的信息量已经上升了107倍，并且在未来的数十年中看起来还会继续以指数速率上升。今天的常规磁性材料将不能满足明天的磁数据存储工业对磁性能的需求。当前正在考虑的一种选择是纳米技术和量子力学的最佳协同作用，以便制成称为纳米磁体的纳米量级的磁性粒子。这些纳米磁体，由于它们的大小非常小，具有与它们的大块母材非常不同的磁特性。每个纳米磁体都类似于一个人造元素的一个巨大原子，允许巨大原子接着巨大原子地制成新的磁性材料。特别是迅速增长的纳米磁学领域可以提供代替硬盘的先进媒体和新一代的高速，低功率，非易失的计算机存储芯片。
一个自然地发生的磁元素或合金的最重要的特性是它的各向异性。这指的是在材料中存在诸优先的磁化方向并最终负责确定一种磁性材料的行为方式和可以适合它的技术应用。在一个常规的磁性材料中各向异性来自电子费米表面的形状和对称性，所以对于具体的元素或合金是固有的，不能轻易地被改变。然而，在纳米磁体中，各向异性不仅与母材的能带结构有关而且与纳米磁体的形状有关。人造磁性材料的最吸引人的特点之一就是能够通过选择作为组成部分的纳米磁体的形状，设计它们的磁特性。
根据本发明的一个方面，一个存储元件包括具有一个为了提供高剩磁和一个适当的矫顽磁力而选出的旋转对称性的诸纳米磁体。
根据本发明的一个第二个方面，一个传感器单元包括具有一个旋转对称性的诸纳米磁体，选择该旋转对称性是为了使诸纳米磁体是超顺磁的并且显示出基本上为零的磁滞，从而使得纳米磁体的磁化强度只与所加场的电流值有关而与场的历史无关。
根据本发明的一个第三个方面，一个磁逻辑元件包括具有一个旋转对称性的诸纳米磁体，选择该旋转对称性是为了使诸纳米磁体是超顺磁的并且显示出基本上为零的磁滞，从而使得纳米磁体的磁化强度只与所加场的电流值有关而与场的历史无关。
本发明的器件是用一种技术如电子束印刷，在一块基片如一个硅片上形成的人造磁性材料。该器件的大小可以在40-500nm范围内，其厚度可以在3-10nm范围内，可以是三角形或五角形的几何形状，它们分别与3级和5级的旋转对称性相对应。然而级别可以更大。母材可以是超透磁合金(Ni80Fe14Mo5)，选择它是因为下述两个原因。第一，这种合金固有地几乎都是各向同性的，所以在纳米磁体中的任何各向异性必须来自它们的形状。第二，超透磁合金和它的无钼的相关坡莫合金是工业和研究中的普遍使用的诸软磁性合金中的两种，从而可以作为一个能够通过纳米结构给予一个简单材料新的和不同的诸特性的有效证明。如下所述，我们能够简单地通过改变作为组成部分的诸纳米磁体的对称性制成有一个非常宽广的范围的磁特性的人造磁性材料。
现在我们将参照所附诸图描述与本发明有关的诸例子，其中
图1表示一些人造磁性材料的扫描电子显微镜图；图2表示不同大小，厚度和几何形状的纳米磁体的剩磁环；图3表示一个超顺磁三角形纳米磁体的剩磁环；图4表示实验测得的矫顽磁力与纳米磁体大小的函数关系；图5表示实验测得的在不同的纳米磁体内的各向异性场；图6画出了对于图5的不同的纳米磁体表示为一个各向异性场(A)和每个纳米磁体的一个各向异性能量(B)的主要的各向异性项；图7表示磁化率与纳米磁体大小和对称性的函数关系；图8表示一个用作一个磁场传感器或逻辑单元的超顺磁纳米磁体的一个简略的安排。
我们能够根据本发明用一个标准的基于发射的电子束印刷过程形成诸器件。我们用单晶硅作为样本基片。在每个纳米磁体之间的间隔总是至少等于纳米磁体的直径，并且对于最小的结构该间隔大到直径的三倍。纳米磁体的表面粗糙性小于0.5nm，微结构显示出诸5nm的随机定向颗粒。为了防止氧化每个纳米磁体的顶部表面被一个5nm厚的金膜覆盖。我们发现在尺寸小到50nm的结构中仍然保持着几何形状的完整性。图1表示一些结构的扫描电子显微镜图。
为了确定这些不同的人造材料的磁特性，我们用一种已知的高灵敏度的磁光方法测量它们的磁滞环(M-H环)。当一个激光点(大小≈5μm)在表面上方移动直到被聚焦在人造材料的诸地区中的一个的顶部上时在一个光学显微镜下观察硅表面。对反射的激光束进行极化分析，以便读取纵向克尔效应，该反射的激光束作为一个位于光入射平面中的磁化强度分量的探针。然后当在样本的平面上加上一个强度高到1000 Oe的27Hz的交变磁场时记录下这个磁化强度。所有的测量都是在室温下进行的。
图2和3表示从不同大小，厚度和几何形状的纳米磁体测得的一些剩磁环。我们立即可以看到这些剩磁环彼此之间是非常不同的，并与从常规的非构造材料得到的剩磁环十分不同。在这个图中显示的诸样本包含的工艺应用的变化是相当大的。图2B所示的已知的小矩形能够适合于制造一种代替硬盘的人造媒体这里所用的纳米磁体原理上能够达到超过100千兆比特/英寸2的数据存储密度，即比今天技术发展水平的常规媒体大10倍。图2D中的已知的较大矩形能够很好地适用于磁随机存取存储器(MRAM)，一个正在显露出来的对半导体存储器的代替物一个用这种大小的磁单元的存储芯片能够提供1千兆比特的非易失的高速存储器。令人惊奇的是由三角形和五角形的纳米磁体显示出广阔范围的磁特性。图2E中的三角形，它有高的剩磁和低的矫顽磁力，能够用作一个存储器单元，而图2F的五角形和图3的超顺磁三角形能够制成一个非常好的高灵敏度的磁场传感器或硬盘读取头，它有一个3000的有效相对导磁率和零磁滞。这些不同的应用是改变构成人造材料的纳米磁体的大小，厚度，最重要的是对称性的直接结果。
为了对这种重要效应进行定量，我们已经从磁滞环测量了矫顽磁力作为纳米磁体的大小，厚度和对称性级别的函数。矫顽磁力是为了将磁化强度减小到零(即磁滞环有一个两倍于矫顽磁力的中央宽度)必须加上的场的度量，并且也是一个外场能够如何容易地反转一个纳米磁体的磁化方向的度量。这是一个评估一种给定的磁性材料对于技术应用的适合性的关键参数。图4表示这些结果，其中为了能够比较不同的几何形状，我们用纳米磁体面积的平方根表示纳米磁体的大小。我们已经证实了这些实验结果中某些对于第二组样本的可重复性。
从图4的数据可以看到的第一个明显的特点是2重(2-fold)和4重的对称性显示出一类行为，而3重和5重的对称性显示出另一类行为2重/4重纳米磁体显示出高的矫顽磁力，它开始时随着长度的减小而增大；3重/5重纳米磁体显示出低的矫顽磁力，它随着长度的减小而降低到零。关于图4能够得到的第二观察是在所有的情形中增加厚度导致矫顽磁力的强烈上升，在非结构磁性薄膜中没有这种现象。
2重纳米磁体的行为是非常简单明了的，它是由于一种称为形状各向异性的已经很好了解了的现象产生的。为了使极面的表面面积最小，磁化优先发生在包含纳米磁体最长轴的“流线”中。驱动这种效应的场是去磁化场，该去磁化场通过磁体内部在诸极面之间经过。去磁化场近似地由比t/a度量，其中t是纳米磁体的厚度，a是纳米磁体的大小，所以我们在图4A中看到矫顽磁力随着纳米磁体大小的减小而增大。
与此相反，3重，4重和5重的对称性不那么容易理解。这是因为任何结构的去磁化场都是由一个二级笛卡尔张量描述的，所以只能显示出单轴(2重)对称性。因此至少在常规的意义上，在这些较高级对称性结构的平面中不存在形状各向异性。但是，正方形纳米磁体显然在改变磁化方向上经受了某些合理的强阻碍，所以必然存在某种各向异性。在三角形磁体中这种各向异性显然较弱这个事实表示尽管它不是经典的形状各向异性，但是它仍然与纳米磁体的形状相关联。
近来在正方形纳米磁体中发现了一个称为配置各向异性的特点。这是由于几乎在所有的纳米磁体中都发生的对均匀磁化的非常微小的偏离引起的。至今我们还不清楚这种新的各向异性对于确定纳米磁体的磁特性有何等程度的重要性。为了试验我们在图2到4中看到的不同行为是由于配置各向异性引起的假设，我们已经用一种我们称为调制场磁-光非等轴法的技术直接测量纳米磁体的各向异性。将一个强静磁场H(＝350Oe)加到诸纳米磁体的平面上并将一个垂直于H的较弱的振荡磁场Ht(振幅14 Oe)加到诸纳米磁体的平面上。由与用于得到图2和3的磁滞环相同的磁光技术记录磁化强度的由此引起的振荡振幅，并将该振幅直接与纳米磁体中存在的任何各向异性的振幅和对称性连联系起来。我们已经实验测量了大小在50-500nm范围中厚度为5nm的三角形，正方形和五角形的纳米磁体的各向异性，并将结果表示在图5中。在这些极座标图中，角度给出在纳米磁体内的共面方向φ，半径给出纳米磁体的在该方向上的半径，颜色给出对于一个该大小的纳米磁体的实验测得的量 ，其中Ma是饱和磁化强度(800 emu cm-3)，E(φ)是当在方向φ中当磁化时纳米磁体的平均磁能密度。虽然Ha不是各向异性场的通常的定义，但是我们能够指出在Ha中的任何振荡都有与作为基础的各向异性相同的对称级，并且它的振幅等于各向异性场的大小。图5表示来自人造磁性材料的22个不同的样本(8个是三角形大小，8个是正方形大小，6个是五角形大小)的实验数据，每个实验数据都是在19个或37个不同的方向φ(对于三角形和正方形在0-180°中以10°为步长，对于五角形在0-180°中以5°为步长)上测得的，总共有526个测量数据。
从图5我们可以立即看出在研究的所有纳米磁体中存在着强的各向异性场。三角形纳米磁体显示出有6重对称性的各向异性，正方形纳米磁体显示出有4重对称性的各向异性，五角形纳米磁体具有显着的10重对称性的各向异性。因为在磁化中能量总是二次方的，在三角形和五角形结构中发生倍频，所以不能支持奇对称级的出现。
为了得到各向异性场的大小作为纳米磁体的大小和对称性的函数，我们对图5的曲线进行傅氏分析，并以两种不同的形式将结果显示在图6中。在图6A中我们直接画出了各向异性场，而在图6B中我们用理论关系式Ua＝2MsHaV/n2画出了单个纳米磁体的各向异性能量(以kT为单位，其中k是波尔兹曼常数，T为298K)。在这个公式中Ua是单个纳米磁体的各向异性能量(单位为ergs)，Ha是各向异性场(单位为Oe)，n是各向异性的对称级(对于正方形为4，对于三角形为6，对于五角形为10)，V是纳米磁体的体积(单位为cm3)。在我们了解对称级对诸磁特性的影响时一个重要的因素是由该公式中的n2提供的。这意味着虽然所有的几何形状在图6A中显示出近似类似的各向异性场，但是它们在图6B中显示出非常不同的各向异性能量。
因为一种称作超顺磁性的现象使各向异性能量特别另人感兴趣，超顺磁性的现象是能够由纳米量级磁体中的kT热能涨落克服各向异性能量势垒的过程。作为一个近似的指导，一旦当一个势垒在高度上小于10 kT时在我们的测量时间尺度内就能够克服该势垒。这意味着一旦当各向异性能量小于10 kT时，我们可以预期矫顽磁力会迅速地下降到零。根据图6B，一旦当单元的尺寸小于近似150nm时这就会发生，当尺度减小时正方形是最后一个下降的。相反地，一旦当各向异性能量大于10 kT时，矫顽磁力应该近似地接近各向异性场。这就解释了在图4中观察到的在一方面正方形和另一方面三角形和五角形之间行为上的不同。当单元尺度减小时正方形的各向异性场(图6A)显示出一个峰值，在正方形矫顽磁力数据中(图4C)直接反映出这个峰值。虽然由于热激励，在矫顽磁力数据中比在各向异性场中下降到零发生在稍微大一些的尺度上，但是五角形的各向异性场不显示出峰值，在矫顽磁力数据中(图4D)也直接反映出这一点。最后，三角形的各向异性场就像正方形一样确实显示出一个峰值，但是因为在三角形中各向异性能量较低，所以热激励发生在较大的尺寸上，并且热激励防止在矫顽磁力数据(图4B)中看到峰值。这样我们能够解释实验确定的矫顽磁力数据是由于配置各向异性和热激励的组合引起的。
具有有限的矫顽磁力(和因此一个存储功能)的高剩磁材料不是技术上唯一重要的磁性材料。零剩磁，零矫顽磁力材料也有同样的重要性，零剩磁，零矫顽磁力材料在磁传感器和逻辑单元中和在磁化率x成为关键参数的情形中找到应用。x定义为4πM/H，其中M是一个纳米磁体的磁化强度，H是所加的磁场。于是x直接正比于磁滞环的零场斜率如图2F所示。我们已经用我们的磁光实验(在频率27Hz下)测得x作为在厚度为恒定的3.7±0.5nm时的纳米磁体的大小和对称性的函数，并将结果显示在图7中。当矫顽磁力为零时x唯一有意义的参数，所以我们限于讨论该情形。为了进行比较，我们在图中也已经画出了从兰杰文函数导出的理论磁化率曲线。这是一个统计热力学概念，可应用于自由空间中的单个大自旋。从图7可以得到三个观察结果。第一，尽管没有用匹配参数，但是最小纳米磁体的实验确定的磁化率都与自由空间的兰杰文模型接近，表明我们的实验系统受到很好的控制。第二，与兰杰文模型的偏差对于正方形对称性的纳米磁体最大。这与具有最强配置各向异性能量的那些纳米磁体一致，这意味着包含在一个正方形纳米磁体中的大自旋看起来最少类似于自由空间的一个大自旋。正是配置各向异性最终使所有的对称性随着尺寸的增加偏离兰杰文模型。第三，这里测得的磁化率比从同样形状和纵横大小比的但是长度量级大于纳米(即微米及微米以上，如大多数常规的磁场传感器中使用的)的磁性粒子得到的磁化率大两个数量级。在后一种情形中，磁化率来自畴壁反对内部去磁化场的运动，它可以非常强。于是我们清楚地证明了纳米量级结构的独特的作用。
图4和图5很好地说明了纳米结构实际上确实能够产生新磁化材料的方式。超透磁合金随着通常导致2重或4重各向异性的f.c.c.结晶学一起发展起来。但是，图5A显示出通常由h.c.p.结晶学保留在磁性材料中的6重对称性。在这种情形中，可以用纳米磁体形状(三角形)的对称性实现结晶学状态中的变化。类似地，通常只能在有高各向异性和弱耦合微结构的磁性材料中找到正方形和矩形纳米磁体的相对高的矫顽磁力(图4A和图4C)。在这种情形中，小心地选择纳米磁体的对称性能够在单元中引起一个变化和在微结构中引起一个变化。最后，基本的结晶学决定了一个晶格不能具有10重对称性，所以我们不应该预期找到一个具有10重磁各向异性的自然发生的结晶单元或合金。然而，图5C表示我们已经在用纳米结构人造地产生它们上取得了成功。在这种情形中，我们已经用纳米形状给予结晶材料一种通常只有准晶体具有的性能。
图8简略地画出了用一个超顺磁纳米磁体作为一个传感器或逻辑单元的一部分的一种可能的安排。一个三层自旋阀门12在两边与连接器引线14连接。阀门12包括一个磁性底层16，一个非磁性间隔层18和一个或多个处于超顺磁状态的作为顶层的纳米磁体20。箭头22指出电流通过阀门12的流动方向，箭头24指出在磁性底层16中的磁化方向。
作为结论，我们已经确定了纳米磁体的形状的对称性与它们的磁特性的相关性并将这种相关性用在实际的应用中。我们发现对称性起着一个决定性的作用，允许在一个非常广阔的范围内对诸磁特性进行控制。我们已经指出将对称性与诸磁特性联系起来的关键效应是配置各向异性。这能提供新的人造磁性材料，在这些人造磁性材料中我们能够以非常高的精度制作诸磁特性以便适合于特殊的应用。
第一个新思想是通过单元的对称性用配置各向异性制作诸磁特性。至今，技术界的人们只考虑了矩形，正方形或圆形单元。我们已经确定可以用由其它形状如三角形，五角形和六角形导致的配置各向异性控制单元的诸磁特性。第二个新思想是用纳米结构中的超顺磁性除去磁滞。在常规的磁性材料中，超顺磁性导致非常高的饱和场，这样它对磁传感器没有用处。然而这里我们指出在纳米结构中超顺磁特性能够导致非常低的饱和场(数Oe-请参见图2F)。这本身就非常适合于传感器或逻辑单元。然而甚至更有兴趣的是这样一个事实，即超顺磁性保证有作为对于一个优良传感器的一个先决条件的接近零的磁滞(请参见图3)。当前使用纳米结构作为传感器所面对的最大问题是这样一个事实，即一般地当器件的侧面尺度减小时磁滞变大。
能够通过选择一个适合的形状(三角形，五角形或圆形)，该形状允许纳米结构变成超顺磁性的从而能像一个优良的传感器或逻辑单元那样的进行工作，将配置各向异性设置在一个低值，使这两个思想结合起来。
权利要求
1.一个存储单元，它包括有为了提供高剩磁和适当的矫顽磁力而选出的转动对称性的诸纳米磁体。
2.一个根据权利要求1的存储单元，它是由一个在一块基片的表面上形成的一个人造磁性材料制成的。
3.一个根据权利要求1或2的存储单元，它是由超透磁合金(Ni80Fe14Mo5)制成的。
4.一个根据权利要求1，2或3的存储单元，它的大小在每边40-500nm的范围内并且厚度在3-10nm的范围内。
5.一个根据权利要求1，2或3的存储单元，它有3级或5级的旋转对称性。
6.一个传感器单元，它包括具有一个旋转对称性的诸纳米磁体，选择该旋转对称性是为了使诸纳米磁体是超顺磁性的并且显示出基本上为零的磁滞，从而使得诸纳米磁体的磁化强度只与所加场的电流值有关，而与场的历史无关。
7.一个根据权利要求6的传感器单元，它是由一个在一块基片的表面上形成的一个人造磁性材料制成的。
8.一个根据权利要求7或8的传感器单元，它是由超透磁合金(Ni80Fe14Mo5)制成的。
9.一个根据权利要求7，8或9中任何一项的传感器单元，它的大小在每边40-500nm的范围内并且厚度在3-10nm的范围内。
10.一个根据权利要求6到9中任何一项的传感器单元，它有3级或5级的旋转对称性。
11.一个磁逻辑单元，它包括具有一个旋转对称性的诸纳米磁体，选择该旋转对称性是为了使诸纳米磁体是超顺磁性的并且显示出基本上为零的磁滞，从而使得诸纳米磁体的磁化强度只与所加场的电流值有关，而与场的历史无关。
12.一个根据权利要求11的逻辑单元，它是由一个在一块基片的表面上形成的一个人造磁性材料制成的。
13.一个根据权利要求11或12的逻辑单元，它是由超透磁合金(Ni80Fe14Mo5)制成的。
14.一个根据权利要求11，12或13中任何一项的逻辑单元，它的大小在每边40-500nm的范围内并且厚度在3-10nm的范围内。
15.一个根据权利要求11到14中任何一项的逻辑单元，它有3级或5级的旋转对称性。
全文摘要
一个存储单元包括具有一个为了提供高剩磁和一个适当的矫顽磁力而选出的旋转对称性的诸纳米磁体。也有一个传感器单元,它包括具有一个旋转对称性的诸纳米磁体,选择该旋转对称性是为了使诸纳米磁体是超顺磁性的并且显示出基本上为零的磁滞,从而使得诸纳米磁体的磁化强度只与所加场的电流值有关,而与场的历史无关。
文档编号H03K19/168GK1346498SQ0080607
公开日2002年4月24日 申请日期2000年4月7日 优先权日1999年4月9日
发明者拉塞尔·考苯, 马克·沃兰德 申请人:剑桥大学技术服务有限公司