专利名称:基于交换偏置的多状态磁存储器和逻辑器件以及磁稳定的磁存储器的制作方法
本申请要求2004年7月13日提交的、题为“基于磁邻近效应的磁存储媒介”的第60/587,789号美国临时专利申请的优先权，该申请的内容通过引用合并于此，以作为本申请说明书的一部分。
关于政府资助的声明本发明是第FA9550-04-1-0160和DE-FG03-87ER-45332号政府支持项目的一部分。本发明的某些权利归于政府。
背景技术：
本申请涉及磁性材料和磁存储媒介。
磁性材料可用于数据存储。由各种磁性材料制成的存储装置的示例包括磁卡、磁带、磁盘和硬磁盘机。在大多数商用磁记录媒介中，每个已记录的位(bit)具有“0”和“1”两种逻辑状态，其分别由记录媒介的两种不同的磁状态表示。例如，磁性材料中磁畴的相反磁化方向可用于二元状态。在这种材料中，存储信息的密度与磁畴或承载信息的“位”的密度相一致。因此，在这种二元磁记录媒介中，磁畴的尺寸决定存储密度。
增加磁存储密度的一种方法是降低磁畴尺寸或位尺寸。可通过多种技术来实现这一点。例如，富士通和其他公司开发的具有较小畴尺寸的高密度记录材料具有约100G位/平方英寸的存储密度。然而，磁位尺寸的减小可能会导致磁存储信息的热和磁稳定性下降。有多种因素可导致磁媒介中的不稳定性，包括温度的升高、对邻近位进行操作时来自于记录磁头的杂散场(stray field)的存在、以及来自于相邻位的相互作用的杂散场的存在。
发明内容本申请公开了能够基于由铁磁层和反铁磁层之间的磁耦合导致的磁交换偏置，获得高密度磁存储的技术、材料和器件。可以使用所述的磁耦合来稳定二元磁存储器件以及构建多状态磁存储器件。
在一个实现中，描述了一种稳定二元磁存储器件的方法。该方法包括提供一种磁存储材料作为二元存储媒介，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以提供磁滞回线。配置所述铁磁层和邻近的反铁磁层，以使得所述磁滞回线的中心离开H＝0处，从而使各个二元状态相对于杂散磁场是稳定的。
在另一种实现中，描述了这样一种器件，其包括磁存储材料，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以在工作温度下存储数据，所述工作温度低于所述反铁磁层的阻塞温度。所述阻塞温度低于所述铁磁材料的居里温度。在该器件的一个配置结构中，所述磁存储材料被配置为具有多于两种的磁状态。在该器件的另一个配置结构中，所述铁磁层和所述反铁磁层被选择为，能够将所述磁存储材料的磁滞回线从零场偏移到大于所述器件中的杂散磁场的磁场。
上述器件还包括温度控制机制，以当向选择的磁畴写入数据时，局部地控制所选择的磁畴和所述磁存储材料的温度。温度控制机制可具有各种配置结构。例如，温度控制机制可包括激光器，并在写的过程中将来自所述激光器的激光束聚焦到所选择的磁畴。所述温度控制机制包括导电扫描探针显微镜(SPM)的探针尖，用来加热所选择的磁畴。所述温度控制机制包括阻抗(电阻)加热机制作为各个磁畴的一部分，或者与所选择的磁畴接触的阻抗(电阻)加热元件。
本申请还描述了这样一种用于磁记录的方法。提供一种磁存储材料，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以在工作温度下存储数据，所述工作温度低于所述反铁磁层的阻塞温度。所述阻塞温度低于所述铁磁材料的居里温度。进行局部加热以使所述磁存储材料中的所选择的磁位的温度高于所述阻塞温度。在高于所述阻塞温度的温度下，对所选择的磁位应用磁化处理，以将剩磁设置为从用于多状态存储媒介的预定剩磁集合中所选择的值，以对位进行写操作。去除所选择的磁位处的外磁场，并且在所述零场，将所选择的磁位的温度降低到所述阻塞温度之下，以将剩磁存储在所选择的位中。
本申请还描述了另外一种用于磁记录的方法。提供一种磁存储材料，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以在工作温度下存储数据，所述工作温度低于所述反铁磁层的阻塞温度，所述阻塞温度低于所述铁磁材料的居里温度。进行局部加热以使所述磁存储材料中的所选择的磁位的温度高于所述阻塞温度。在高于所述阻塞温度的温度下，对所选择的磁位应用磁化处理，以将剩磁设置为从用于多状态存储媒介的预定剩磁集合中所选择的值，以对位进行写操作。在保持所述磁化处理的磁场的同时，将述所选择的磁位的温度降低到所述阻塞温度之下，以将所述剩磁存储在所选择的位中。
在附图、说明书和权利要求
书中将描述这些和其他实现、应用和变化。
图1示出了铁磁-反铁磁耦合的媒介的实施例；图2示出了使用铁磁性-反铁磁性耦合的媒介的磁性存储器件的实施例；图3和图4示出了对铁磁-反铁磁耦合的媒介进行的不同测量结果；图5A和5B示出了在5mm×5mm的FeF2(70nm)/Ni(70nm)/Al(4nm)样品上的、沿着易磁化轴的具有磁光克尔效应(MOKE)的磁滞回线，如图所示，在样品的不同部分具有～500μm的激光点。该测量是在样品从MR≈0的消磁状态在零磁场内冷却后、在FeF2的转换温度下进行的。图5A中的背景颜色表示交换偏置的局部方向，红色表示负向，蓝色表示正向；
图6示出了在铁磁体的预设剩磁中的零磁场内冷却的反铁磁体中磁畴结构；图7A和7B示出了铁磁-反铁磁耦合的媒介与铁磁媒介相比较的磁滞回线中的偏移和变化；图8示出了MgF2/FeF2/Ni样品的、温度高于TB或低于TB的易磁化轴的磁滞曲线，所述样品在2kOe场内冷却，图中示出了由反铁磁体引入到铁磁体内的单轴各向异性；图9A和9B示出了与单独的铁磁性材料(仅为Fe)相比较的、从连续的AF层(例如FeF2)上的铁磁层(例如Fe)构图的磁点；图10A和10B进一步示出了仅有Fe的点媒介与Fe/FeF2点媒介的测量的稳定性数据；图11示出了在特定磁场中冷却的MgF2/FeF2/Ni/Al样品的易磁化轴的磁滞曲线。剩磁取决于冷却场，并且固定在样品被冷却到FeF2的TN以下之后的值；图12示出了在MgF2/FeF2/Ni样品的TN(T＝10K)以下测量的易磁化轴磁滞曲线，所述样品从各种剩磁状态在零磁场内冷却。由FeF2的TN之上的部分消磁决定的剩磁在样品被冷却到TN以下后保留。黑色的曲线示出了TN(T＝80K)之上的磁滞曲线。
图13和14示出了用于在多状态存储媒介中写入数据的两种不同写入方法。
具体实施方式本申请中所述的磁性材料、存储技术和存储器件使用两个磁性地耦合的磁层，即铁磁(F或者FM)层和与之相邻的反铁磁(AF或者AFM)层，以提供稳定的二元磁性存储媒介和多状态磁性存储媒介。本文所述的稳定的二元磁性存储媒介可耐受由于多种因素(包括来自于读/写头、相邻磁位、以及其他来源的杂散磁场)所导致的磁性干扰，因此可用于实现媒介上的高度密集的磁位。本文所述的多状态磁性存储媒介提供有多个剩磁值，以表示各个磁性位中的多个状态，从而增加每个位中所存储的信息量。
图1示出了具有耦合的铁磁层与反铁磁层的磁性媒介的一个实施例。如图所示，在MgF2基底(110)上形成AF层(如FeF2)和F层(如Fe、Co、Ni或者其他F金属或者金属合金)。在本实施例中，AF层直接淀积在基底上。在其他实施方式中，当用于AF层和基底的材料差异较大(例如晶格结构差异较大)时，可在基底和AF层之间形成一个或者多个籽层。AF层可由AF材料制成，其中，AF材料可为单晶材料(单晶)或多晶材料。多晶材料的颗粒尺寸应大于每一个被用于定义位的磁畴。一个可选的表层(如铝层)可形成于F-AF层的顶部，以保护磁性媒介，表层材料的选择可依赖于F材料的选择。这种表层并不直接参与记录过程。数据在高于AF层的阻塞温度(blockingtemperature)的温度下，以特定剩磁的形式磁性地写入到F-AF耦合的媒介。接着，温度降低至阻塞温度之下，从而使得在磁存储器的正常操作中，写入的磁性状态(二元状态或多状态的状态)在不会受到任何现有磁场影响的情况下被写入到“位”，所述磁场包括来自于读/写头和相邻位的磁场。接着，在温度降低到低于AF层的阻塞温度的情况下，执行随后的读出操作。阻塞温度即，在低于该温度的温度下，双层的F-AF系统表现出交换偏置。交互偏置通常作为磁化曲线(磁滞回线)的水平偏移被观察到，并同时伴随有系统轿顽磁场的增大。阻塞温度小于或者等于AF的转换温度，即奈尔温度。本申请中的F-AF耦合的媒介可被设计为使得F层的居里温度高于AF层的阻塞温度，并且AF层的AF材料被选择为其阻塞温度高于这些器件的工作温度的上限(例如80℃或者更高)。这样，媒介的温度通常低于阻塞温度，并且可通过加热升高到阻塞温度之上以写入数据。因此，除了其他部分之外，使用F-AF位的磁性器件包括磁性读/写头和温度控制机制。
图2示出了F-AF耦合的媒介的磁存储器件200，在稳定的二元配置或者多状态配置下的实施例。提供媒介固定机构以使得存储媒介201与耦合的F和AF层固定在一起。譬如，如果器件200是一种磁盘驱动器，媒介固定机构可包括用于固定磁盘的盒子，以及用于旋转磁盘的机动化轴。读/写头210以及与头210结合的头致动装置，可用于控制头210并使得头210位于媒介201上方。温度控制220被提供以控制F-AF媒介201的温度。温度控制器220可被设计为对选定的位局部地加热，从而使它的温度升高到阻塞温度之上。加热被限定为仅针对选定的位进行，而不会使得相邻位的局部温度显著升高至高于阻塞温度。在这种设计下，媒介的每个磁畴或者位可被单独加热以写入新的数据。
可使用多种方法来实现局部加热。譬如，温度控制220可使用激光以将聚焦的激光束导向媒介201上的选定位，以进行局部加热。可通过使用近场光学器件(如固态浸入式透镜)来实现激光束的聚焦。在另一实施例中，可使用电阻抗(欧姆)加热来控制F-AF媒介中的每一个单独位的位置的加热和温度。电阻抗加热可被实施为F-AF媒介的一部分，以在各个位的位置通有加热电流来对各个位本身进行加热。另一种方式则为可使用与位的区域相接触的单独的电阻加热元件，例如，在位/字线的交叉点处，如在将位写入CMOS型存储器的过程中。在另一实施例中，导电扫描探针显微镜(SPM)的探针尖可用于将电流导向选定的位以进行局部加热。值得注意的是，热控制器220可被集成为读/写头210的一部分，从而可使用单独的定位机制来控制局部加热和磁头的定位。
本申请中所述的F-AF材料也可被用于构造不包括任何可移动部件的MRAM。这种MRAM包括温度控制，以单独控制MRAM的每个位位置的温度。
下面的部分首先叙述了基于交换偏置的F-AF耦合媒介的材料设计及其性质。其次，叙述了用于二元F-AF媒介和多状态F-AF媒介的畴稳定性。
铁磁-反铁磁耦合的媒介的性质由于F和AF层磁耦合而导致的交换偏置，导致了F层和AF层中的磁各向异性中的变化。用于解释交换偏置的一种理论模型为横向长度比例(lateral length scales)模型。参见Igor Roshschin等人的、2005年6月17日在线发表于http:/www.edpsciences.org/epl上的Europhysics Letters中的“交换偏置中的横向长度比例”，并且该文章将在卷71(2005年7月)上公开，该文章的全部公开内容通过引用并入本申请，以作为本申请说明书的一部分。其他的解释也是可能的。在此使用用于解释交换偏置的局部体制(local regime)的实验性研究结果，以有助于理解稳定技术和多状态存储技术之后的交换偏置，并且所述研究结果被构建为用于限制本申请中描述的各种实施方式。
当铁磁体与反铁磁体接近时，横向长度比例(例如各磁畴尺寸)能够显著地影响交换偏置。通过使用SQUID(超导量子干涉器件)和空间分辨的MOKE对FeF2与Ni、Co或Fe中之一的双层进行研究。当反铁磁性磁畴大于或者相当于铁磁性磁畴时，可观测到局部的、不平均的交换偏置。这导致了不寻常的及可调整的磁滞曲线。
当两个相异的材料接触时，通常可观测到邻近效应，即一种材料改变了另一种材料的性质。由于电子波函数的有限范围，邻近效应典型地被描述为跨越交界面的序参数(order parameter)的空间变化。譬如，在超导体-正常体两层中出现的邻近效应的特征为超导序参数衰退到正常材料范围内，并具有被称为相干长度的长度比例。令人感兴趣的是，在平行于界面的平面内改变的物理量的特征化长度比例之间的相关未被指出在邻近效应中起作用。
界面两侧的横向特征长度比例之间的关系对于交换偏置十分重要。交换偏置(EB)是铁磁体(F)与反铁磁体(AF)在彼此紧密接触时的邻近效应[1]。EB通常被描述为由AF进入F(通过界面处的交换耦合)引入的附加的单轴各向异性。这产生了在AF有序化温度(TN)之下沿着磁场轴线偏移的单磁滞回线。所述偏移的幅度被定义为交换偏置场He，并且可以是正向或负向的。与AF影响F不同，F对AF性质的影响并不显著，并且通常更难观察到[2]。F和AF均可形成磁畴，其导致在平行于界面的平面内、F中磁化的空间变化以及AF中的交错磁化的空间变化。由于F与AF之间的相互影响，界面扭转(interfacial spin)结构将显著地背离AF和F块的结构。在该报告中，交换偏置系统中的AF畴是指引入相同的单轴各向异性的区域。
当AF畴大于F畴或与其相当时，可以观察到局部的非平均的EB[3]。这种样品可被磁性地分为两个子系统，其所具幅度相同但符号相反的有的He。通过零磁场冷却部分消磁的样品或者通过在施加有适当选择的量的磁场中进行冷却可以实现这种状态。在所有情况下，两个磁子系统具有彼此独立的表现，并且未出现EB的平均。这清楚地显示出其本身为双磁滞回线。此外，局部EB的符号可乘以消磁过程中F内产生的畴，或者通过改变磁场冷却过程而在F内产生的畴[4]。这些结果揭示了新的物理异类的磁结构和邻近效应(具有不同类的序参数)。
典型地，在300℃下在(110)MgF2基底上生长38-100nm厚的FeF2层，然后在150℃下生长4-70nm厚的铁磁层(Co、Fe或Ni)，所述铁磁层覆盖有3-4nm的Al层，以防止磁性层氧化[5]。以在(110)MgF2基底上由X射线衍射决定的(110)方向，外延地以及非双晶地生长FeF2反铁磁体(TN＝78.4)。基于体结构，(110)FeF2的理想表面被假定为具有在补偿扭转(spin)，在平面内定向为沿[001]方向具有易磁化轴[6]。X射线衍射测量显示用于所有样品的铁磁层是多晶的。即使在远高于TN的温度下，所有样品(其易磁化轴沿着FeF2的易磁化轴)中存在的单轴磁畴各向异性也归因于生长引入的各向异性。所有三个铁磁体的铁磁转换温度适当地高于室温。利用SQUID磁力计和磁光克尔效应(MOKE)测量平行于所施加场的平面内样品的极化。样品在冷却过程中的磁化方向被定义为负向，磁滞回线转移的符号限定了EB的符号。所有样品的、磁矩与所施加磁场之比的曲线示出了在TN之上的典型铁磁行为相对于原点(origin)对称的单磁滞回线。
在第一组实验中，将样品在300K下消磁到沿着易磁化轴MR的、在饱和磁化MS与0之间的选定的剩磁值。从而形成易磁化轴在相反方向内极化的F畴。两种类型畴的极化之间的平衡决定了样品最终的极化。当样品在零磁场(ZFC)中被冷却到TN以下后，低场磁矩作为各种温度下所施加磁场的函数被测量。由满剩磁(MR≈MS)冷却的样品示出了由He(T)交换偏置到负磁场的单磁滞回线(图3A)。相反，冷却为具有降低的剩磁的样品示出了双磁滞回线(例如，图3A中的MR≈0.5MS和MR≈0)。各个回线沿着磁场轴线偏移，其偏移量为取决于温度的He(T)的相同的绝对值，但是方向相反。回线高度比由剩磁状态设定，样品在剩磁状态内被冷却，并且回线高度比等于所述状态内两种类型畴的磁化比。因此，系统“记住了”TN之上的剩磁状态。
在第二组实验中，首先沿着易磁化轴(位于磁滞曲线的不可逆场上方)施加磁场，从而将相同的样品在150K磁化。然后在所施加的场(FC)HFC内冷却样品(图3)。对于较小的HFC来说，位于TN之下的磁化曲线包括负的He(T)偏移的单磁滞回线。对于较大的HFC来说，位于TN之下的磁化曲线也具有单磁滞回线，但是通过He(T)的相同的绝对值被转移到正场。对于介于中间的HFC来说，位于TN之下的磁化曲线包括两个磁滞回线，其中一个被转换为负而另一个被转换为相同的正场He(T)，如第一组实验所示。典型的冷却场范围依赖于F和AF的材料和厚度。例如，对于FeF2(38nm)/Co(4nm)的样品(图3)，用于冷却场的双回线的范围在0.1KOe到30KOe之间。
应该注意到，在两组实验中，在所有低于TN的温度下，正和负He(T)具有相等的绝对值(如图4所示)。在任意特殊的温度下，两个回线的宽度等于单磁滞回线的宽度(两倍于矫顽磁场，2Hc)。当垂直地缩放时，两个单回线和各个双回线具有非常相同的形状和温度变化。因此，两种类型的独立区域被形成为具有一致的属性，一个进行正向交换偏置，而另一个进行负向交换偏置。
在这些样品中，回线的半宽度小于其偏移，即Hc＜He。能够清楚地观察到双磁滞回线的基本条件是Hc≤He。相反，在[7，8]中表示的结果是在相反的限制条件下得到的，即Hc＞＞He，因此，不能够分辨双回线。
空间分辨的MOKE明确地确认了最先两组实验的结论(被测量为反射的p极化的光的浓度差异[9])。图5A和5B示出了相关的测量结果。
对于该实验，5mm×5mm的FeF2(70nm)/Ni(70nm)/Al(4nm)的样品在高于Tn的温度被消磁，接着在零施加磁场中、在低于TN的温度下被冷却，如第一组实验中的那样。首先，从整个样品表面区域(用宽束光照亮)收集作为所施加磁场函数的MOKE信号(通常被认为[9]与磁化成比例)。曲线构成了双磁滞回线(图5B)。在对该实验条件未作任何改动的情况下，在图5A显示的位置上，在4×4的矩阵排列的16个位置使用直径为～500μm的激光束进行MOKE测量。所得到的信号(图5A)与磁化成比例，并在空间上变化在样品的一侧，单回线负向偏移，而在另一侧，单回线正向偏移，在二者之间为双磁滞回线。这些16个曲线的归一化的和(在图5B中用蓝色的三角形表示)与从整个样品中获得的磁滞曲线(黑色圆圈表示)相当一致。在两个曲线之间存在的轻微差异是由于16个位置并未完全覆盖整个表面区域。当样品为ZFC时，在所有的剩磁中未观察到空间变化。
该实验证明了样品具有两种区域；单磁滞回线由相同的He在一个区域正向偏移，而在另一区域负向偏移。当激光束覆盖了两个区域的部分时，磁化曲线由两个正向偏移的回线构成，它们相对的高度由两个区域的比率来确定。
从这些实验的结果可以得出两个结论。第一，样品能够分为两个独立的、EB符号相反的子系统。这能够在零施加磁场中通过冷却部分地或完全消磁的样品来实现，或者通过在特意选择的中间施加磁场中冷却样品来实现。适当的磁场范围由以下样品参数来确定材料、层的厚度、界面粗糙程度等。第二，对于各个F畴的交换偏置并不是所有AF畴的平均。因此，能够看到双磁滞回线。
EB现象引起了人们的高度重视。人们提出了几个EB机制，其中几个机制都忽略了在F畴尺度下的EB变化。人们研究了HC和He对于模式化的F-AF双层(或在稀释的AF)中的AF和/或F畴大小的依赖性。通过抑制小F畴中的F-F交换相互作用，能够解释F-AF双层(具有被模式化的F层)中He的增强。AF畴到F畴的对应关系、以及EB值的小空间变化被报道。双磁滞回线以及F和AF中的畴结构的相关在从消磁状态进行零场冷却的CoO/NiFe样品中观察到，并使用交换弹簧模型[20，21]来解释。在零施加磁场中进行冷却的过程中，Fef2/Fe[22]和Fe0.6Zn0.4F2/Fe[23]双层中的交换偏置场和双磁滞回线的形状依赖于剩磁。置于各种小磁场(0-40 Oe)中的FeMn/FeMnC样品[24]中，发现了双磁滞回线和负向偏移的单磁滞回线(没有任何明显的趋势)。在置于零磁场的NiFe/NiFeMn样品中，沿着难磁化轴测量的MOKE信号的空间变化被要求获得专利保护[25]，但是未示出支持的图示。
已经报导的对不同样品进行的大量实验显示出了看上去相互矛盾和不关联的结果。将多种解释结合起来考虑将指向复杂并令人困惑的情况，从而无法得出任何结论。显然，只有通过几个不同的实验对同一样品进行深入的研究，才能够得到EB中的AF和F畴的相对大小究竟扮演者何种角色。
在EB中，我们发现依赖于AF和F畴大小的关系的两种不同体制(regime)。第一，在AF畴小于F畴时，F畴在几个AF畴上平均了He的方向和幅度。这就可以得到作为冷却场函数的He的连续变化和单磁滞回线，如在双晶的FeF2/Fe[26]和MnF2/Fe[27]样品中发现的那样。如果AF畴非常小，与各个F畴交互的AF畴的个数是非常大的。在这种情况下，能够将各个F畴作为单独的样品来处理。当ZFC样品时，用于各个畴的最后净(net)EB的符号通过F畴的磁化方向来设置，因此，可以偶尔观察到双回线[20-22]。X射线反射测量结果[6]暗含了在(100)MgO上生长的双晶的(110)FeF2中的面内结构相干性(coherence)为6-10nm，并且微晶的易磁化轴相对90度。易磁化轴的这种空间变化以及颗粒(grain)的小尺寸建立了AF畴的最大尺寸，从而得到EB的平均体制。
当AF畴的大小与F畴的大小相当，或大于F畴时，各个F畴仅耦合到具有特殊方向的EB的一个AF畴，因此没有平均。这对于不同的冷却场和双磁滞回线可得到具有相同绝对值的He，如该工作所报导的那样。在这种体制中，当样品被零场冷却时，通过分界面的F和AF力矩之间的反铁磁耦合局部地设置AF中的单轴各向异性[26]。因此，用于各个F畴的EB的局部符号在样品冷却过程中由这些畴的磁化方向确定。因此，在TN温度之上，具有相反磁化方向的F畴具有相同的幅度，但是在TN温度之下，具有相反的EB符号。
同样地，当样品被场冷却时，仅是上述符号而并非He的幅度依赖于冷却场HFC。在易磁化轴上的Htotal的投影的符号确定局部EB的符号。由AF的界面扭转检测到的总局部冷却场Htotal是所施加的磁场HFC和由于界面F力矩HF而产生的局部交换场的总和。样品的空间的不均匀性(inhomogeneity)使得HF不均匀，这反过来这又使得Htotal不均匀。在介于中间的HFC，这使得Htotal的幅度变小，并导致空间上的不均匀性，从而引起与正负Htotal相交接的区域。因此，在这种场中将样品冷却到低于TN的温度之下，将分别导致正和负的EB。根据X射线反射测量结果[6]，在(110)MgF2单晶基底上生成的非双晶的(110)FeF2的面内结构相干性为～28nm。此外，由于缺少双晶现象，AF畴大于微粒的大小，这与双晶的FeF2的情况是不同的。已经在单晶氟化物块中发现毫米级的AF畴[28]。在ZFC的情况下，AF和F畴可与激光束的大小相比较并比其大。仿真的结果表明，相对的磁畴大小决定将样品分为两种磁性子系统和EB体制(将被发表)。
在这里描述的观察结果与其他系统的关联性在模仿AF-F系统的多层系统中示出[29]。对于具有在层中扮演界面AF旋转角色的大磁畴的样品而言，能够观察到用于中间冷却场的双磁滞回线。还不太清楚这种模型系统是否能够正确地模仿真实AF-F系统中的畴结构。然而，这些结果提供了额外的、在其中相对的畴大小起作用的实验配置结构。
因此，相对的AF和F畴大小影响交换偏置。当AF畴大于或可与F畴相比拟时，在冷却通过AF的转换温度TN后，结构或磁性不均匀性导致样品分为两种独立的子系统。各个子系统中的EB具有相同的幅度但是相反的符号。这导致了具有双磁滞回线的磁化曲线，因此，明确显示了非平均的局部EB。在具有三种不同的FNI、Fe以及Co，并具有变化的F和AF层厚度的样品中能够观察到这种行为。所观察的结果还表明，不仅F的属性而且AF的属性在EB中被修改。我们认为，在其他的邻近效应中相对横向长度比例可与空间不均匀的序参数相关，例如，与标准金属相邻的粒状的超导体(S)，或与具有磁畴的F相邻的超导体(S)[30]。
本发明的基于铁磁(F)层和反铁磁(AF)层之间磁耦合的磁存储材料和器件使用F层中的剩磁对AF层刻记(imprint)。AF-F耦合产生交换偏置。图6示出了通过从具有F层中的特殊剩磁值的状态进行零场冷却来设置AF的单轴各向异性(AF的界面扭转)。这种刻记还用来在各个位写入数据。交换偏置的一个结果是M(H)磁化曲线水平偏移由被称为交换偏置场He的值表示出。在连续的多层和构图于纳米结构的多层中能够获得大的交换偏置。
磁稳定二元记录媒介上述畴刻记允许局部地控制从AF引入到F的附加单轴各向异性的方向。通过增加用于磁开关的有效能垒，这种附加的单轴各向异性提高了F位和F纳米结构的磁稳定性。
图7A显示了用于多种传统二元磁存储器件的示例性铁磁性材料的磁滞回线。两个相反方向(正向和负向)的最大磁化表示两种逻辑状态。回线在H＝0处回到中心。因此，场强度与铁磁性材料的矫顽磁场Hc相似或比其大的杂散场能够使上述位改变其磁状态，并因此擦除所存储的信息。然而，基于F-AF耦合的新材料从H＝0处向H＝0的正侧或负侧偏移磁滞回线H∑。图7B示出了这种偏移。因此，幅度小于|Hc|+|H∑|的杂散场不再影响材料的磁状态，即便是杂散场的幅度与Hc相似或比其大。这样，基于F-AF耦合的新材料相对于各种杂散场来说是稳定的。此外，在F和AF层之间的交换偏置还增加了矫顽磁场Hc或新材料的磁滞回线的宽度，这还进一步增加了存储的位抵制杂散场的稳定性。
因此，磁媒介中的F-AF耦合的使用允许较小的位大小，并减轻铁磁存储媒介中的某些限制。如上所述，铁磁存储媒介会受到由对邻近位进行操作的记录头产生的杂散场的不利影响，而存在部分或完全擦去存储的信息的危险。这种偏移磁滞回线和增加媒介的矫顽磁场的F-AF耦合的媒介设计，能够有效地降低杂散场带来的不利影响。作为另一个实施例，本发明的技术还能够去除或减少对操作温度范围的限制，所述限制用于防止由于磁位内的磁矩的温度波动而部分或完全擦去存储的信息。本发明的磁稳定技术可用于磁记录装置，例如，高密度和高稳定的硬盘驱动器件、磁带、磁性RAM和其他磁存储器或逻辑器件。
本发明的磁稳定技术可用在进行面内或垂直磁记录的磁记录器件和磁记录媒介中，以稳定存储在构图或未构图的媒介中存储的信息，以及提高记录密度并达到100G位/平方英寸和1T位/平方英寸的密度及更高的范围。此外，本发明的磁稳定技术可用来增加磁记录带上的信息密度，和增加记录于磁随机存储器(MRAM)中的信息的密度和稳定度。此外，为了相似的目的，本发明的磁稳定技术可以用于其他的磁记录应用。
本文中描述的磁稳定技术可应用于具有多层薄膜的磁记录媒介，包括铁磁及反铁磁或所谓的合成反铁磁(SAF)，在下文中，SAF也包括在AF类型中。在位记录过程中，记录头将包含F和AF层的位局部加热到高于AF阻塞温度TB的温度。在存储器为磁RAM的情况下，能够使用欧姆加热来进行阻抗加热。通过利用类似于现有的或任意将来给出的技术，施加记录头产生的局部磁场，对位的F层磁化进行切换。接着停止加热，位被冷却到低于TB的温度，从而设置引入到F中的AF层的单轴各向异性。图8示出了沿着MgF2/FeF2/Ni样品的易磁化轴测量的磁滞曲线，所述样品在2kOe场内冷却，图中示出了由F层引入的单轴各向异性被刻记在AF层。
在此之后，将磁场关闭。作为一种替换处理，可在冷却样品之前关闭磁场，以获得和图8示出的同样的结果。这种设计和处理增加了用于位切换的能垒，并防止由于温度的波动、或在处理记录邻近的位时擦除上述位。可以通过任意的方法进行局部加热，例如，使用例如组合位/字线(例如，在CMOS型的存储器中写入位)的设计，利用激光、近场光学器件、导电扫描探针显微镜探针尖、或对位本身或与所述位的区域接触的部件进行阻抗(电阻)加热。
可以使用现有的或将来的磁信息读出技术来进行读出操作。读取头检测由于F层的位的磁矩而导致的杂散磁场。由于与AF层的交换偏置，上述位的磁滞回线被偏移到正向场或负向场。如果回线负向偏移，剩磁是正的，反之亦然。这定义了状态“0”和“1”。AF材料需要TB＞80℃。这包括但不限于NiO、IrMn和FeMn。
F-AF耦合的媒介还可以被构图，以将不同的磁位相互分开从而进一步提高稳定性、和对杂散场的容忍性。图9A和9B示出了与单独的铁磁性材料(仅为Fe)相比较的、从连续的AF层(例如FeF2)上的铁磁层(例如Fe)构图的磁点。
图10A和10B进一步示出了仅有Fe的点媒介与Fe/FeF2点媒介的测量的稳定性数据。
来自F-AF耦合的、具有多状态的磁存储上述从F层到AF层的印记能够被用来局部地设置向正向或负向的交换偏置方向。因此，能够创建双畴的磁状态，其中两个磁畴具有相反的交换偏置方向。两个畴的大小比率决定用作存储数据的磁“位”的磁域的剩磁。在一个位位置处使用两个磁畴允许建立具有多状态磁“位”的磁存储器，所述多状态磁“位”被很好地定义并在广泛的磁场中是稳定的。上述状态与饱和的磁化Ms的正值和负值之间的剩磁Mr的值对应，从而使得Mri＝Ms/n，其中，2n+1为状态的总数，i可以是-n和+n之间的任意值。多状态的最大数量由器件的磁感应限制来设置。
图11和12示出了从高于奈尔温度TN(在这种情况下与阻塞温度一致)的温度到低于奈尔温度TN的温度，通过在各种磁场中冷却，或通过在所选择的剩磁状态进行零场冷却，将F-AF媒介中的F层的剩磁设置为不同的值的实施例。
在上述多状态存储器件中，读出上述多状态“位”的处理可以通过各种方法来实现，包括磁光(magneto-optical)或磁阻(magneto-resistive)的方法。多状态的磁材料可以在用于面内和垂直磁记录的多状态的磁记录器件以及磁记录媒介中使用。在大量的有益效果中，通过将信息记录在存储多于一位信息的多状态磁“位”中，上述材料可以用来增加磁存储器的密度。基于上述的多状态位可以创建多状态磁逻辑部件和器件。
在各种实现中，上述材料可用来形成包括铁磁及反铁磁或所谓的合成反铁磁(SAF)(在下文中，SAF也包括在AF类型中)的多层薄膜。两个磁畴的大小比率决定用作磁“位”的磁域的剩磁。剩磁的准确值可以通过各种磁化处理来设置和控制。
可以使用各种写的方法在各个位中产生期望的剩磁水平。下面示出了其两个实施例。图13示出了第一个写的方法，其中在没有外场的情况下执行冷却。更具体地，在这种方法中执行下面的步骤。
1.将所选择的磁位加热到其阻塞温度TB之上，TB即设置交换偏置方向的温度。
2.通过跟随局部磁滞回线获得选择的剩磁Mr0。一个可能的处理是通过施加足够大的、方向与Mr0相反的磁场来使磁位的磁化饱和，接着施加方向为Mr0的较小磁场，以在去掉所施加的磁场后，产生等于Mr0的剩磁。然后去除磁场。
3.在不施加磁场的情况下，将位冷却到低于TB的温度。
4.剩磁值被印记在该AF-F位中，并不受用于对邻近位进行写入的磁场的影响，或受来自邻近磁位的杂散场的影响，只要将特殊的位保持在低于TB的温度。
下面描述第二个写处理方法，其中，在冷却的过程中施加外场。
1.将所选择的磁位加热到其阻塞温度TB之上，TB即设置交换偏置方向的温度。
2.施加特殊幅度的磁场。
3.在施加的磁场中将位冷却到低于TB的温度。
4.对特殊幅度的磁场中的位的冷却允许设置双磁畴结构，该双磁畴结构具有双磁滞回线(具有选择的剩磁值)。剩磁值被印记在该AF-F位中，并不受用于对邻近位进行写入的磁场的影响，或受来自邻近磁位的杂散场的影响，只要将特殊的位保持在低于TB的温度。
在宽泛的场范围内非常稳定的范围-Ms和Ms之间，记录的信号能够被设置成与位的任意选择的剩磁对应。可以通过任意的方法进行局部加热，例如，使用例如组合位/字线(例如，在CMOS型的存储器中写入位)的设计，利用激光、近场光学器件、导电扫描探针显微镜探针尖、或对位本身或与所述位的区域接触的部件进行阻抗(电阻)加热。AF材料需要具有对于应用有用的TB＞80℃。合适的AF材料的例子包括但不限于NiO、IrMn和FeMn。对于多状态“位”的读出处理能够通过各种方法来实现，包括磁光或磁阻的方法。一个可能的情况是测量与剩磁的值(与记录的状态对应)成比例的磁光克尔效应(MOKE)。
这种多状态位可用作生成新的多状态逻辑部件和器件的基础。在这种情况下，作为对激光加热的替换，电阻性加热可以用于上述的写处理。读出器可以是磁光和磁抗的。用于可能的磁抗读出器的实施例可以是磁“位”顶部的磁抗传感器。传感器的阻抗值应该独特地对应(成比例)于局部磁场的值，这与在GMR读头中使用的技术相似。
上述和其他材料的应用包括磁记录，例如高密度和高稳定的硬盘驱动器件、磁带、磁性RAM、其他的磁记录器件，以及多状态逻辑器件和逻辑电路的元件。其他的应用也是可能的。
以上仅描述了少数应用的实施例，还可以进行其他的变化和修改。
权利要求
书(按照条约第19条的修改)1.一种器件，包括磁存储材料，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以在工作温度下存储数据，所述工作温度低于所述反铁磁层的阻塞温度，所述阻塞温度低于所述铁磁材料的居里温度。
2.如权利要求
1所述的器件，其中，所述磁存储材料被配置为具有多于两种的磁状态。
3.如权利要求
1所述的器件，其中，所述铁磁层和所述反铁磁层被选择，以将所述磁存储材料的磁滞回线从零场偏移到大于所述器件中的杂散磁场的磁场。
4.如权利要求
1所述的器件，还包括磁头，读写所述磁存储材料；以及温度控制机制，当向所选择的磁畴写入数据时，局部地控制所选择的磁畴和所述磁存储材料的温度。
5.如权利要求
4所述的器件，其中，所述温度控制机制包括激光器，并在写的过程中将来自所述激光器的激光束聚焦到所选择的磁畴。
6.如权利要求
5所述的器件，其中，所述温度控制机制包括近场光学器件，以对所述激光束进行聚焦。
7.如权利要求
4所述的器件，其中，所述温度控制机制包括导电扫描探针显微镜(SPM)的探针尖，用来加热所选择的磁畴。
8.如权利要求
4所述的器件，其中，所述温度控制机制包括阻抗(电阻)加热机制作为各个磁畴的一部分。
9.如权利要求
4所述的器件，其中，所述温度控制机制包括与所述所选择的磁畴接触的阻抗(电阻)加热元件。
10.如权利要求
1所述的器件，还包括温度控制机制，以在向所选择的磁畴写入数据时，局部地控制所述所选择的磁畴和所述磁存储材料的温度11.如权利要求
10所述的器件，其中，所述温度控制机制包括激光器，并在写的过程中将来自所述激光器的激光束聚焦到所选择的磁畴。
12.如权利要求
11所述的器件，其中，所述温度控制机制包括近场光学器件，以对所述激光束进行聚焦。
13.如权利要求
10所述的器件，其中，所述温度控制机制包括导电扫描探针显微镜(SPM)的探针尖，用来加热所选择的磁畴。
14.如权利要求
10所述的器件，其中，所述温度控制机制包括阻抗(电阻)加热机制作为各个磁畴的一部分。
15.如权利要求
10所述的器件，其中，所述温度控制机制包括与所述所选择的磁畴接触的阻抗(电阻)加热元件。
16.一种方法，包括提供一种磁存储材料，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以在工作温度下存储数据，所述工作温度低于所述反铁磁层的阻塞温度，所述阻塞温度低于所述铁磁材料的居里温度；进行局部加热以使所述磁存储材料中的所选择的磁位的温度高于
权利要求
1.一种器件，包括磁存储材料，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以在工作温度下存储数据，所述工作温度低于所述反铁磁层的阻塞温度，所述阻塞温度低于所述铁磁材料的居里温度。
2.如权利要求
1所述的器件，其中，所述磁存储材料被配置为具有多于两种的磁状态。
3.如权利要求
1所述的器件，其中，所述铁磁层和所述反铁磁层被选择，以将所述磁存储材料的磁滞回线从零场偏移到大于所述器件中的杂散磁场的磁场。
4.如权利要求
1所述的器件，还包括磁头，读写所述磁存储材料；以及温度控制机制，当向所选择的磁畴写入数据时，局部地控制所选择的磁畴和所述磁存储材料的温度。
5.如权利要求
4所述的器件，其中，所述温度控制机制包括激光器，并在写的过程中将来自所述激光器的激光束聚焦到所选择的磁畴。
6.如权利要求
5所述的器件，其中，所述温度控制机制包括近场光学器件，以对所述激光束进行聚焦。
7.如权利要求
4所述的器件，其中，所述温度控制机制包括导电扫描探针显微镜(SPM)的探针尖，用来加热所选择的磁畴。
8.如权利要求
4所述的器件，其中，所述温度控制机制包括阻抗(电阻)加热机制作为各个磁畴的一部分。
9.如权利要求
4所述的器件，其中，所述温度控制机制包括与所述所选择的磁畴接触的阻抗(电阻)加热元件。
10.如权利要求
1所述的器件，还包括温度控制机制，以在向所选择的磁畴写入数据时，局部地控制所述所选择的磁畴和所述磁存储材料的温度。
11.如权利要求
10所述的器件，其中，所述温度控制机制包括激光器，并在写的过程中将来自所述激光器的激光束聚焦到所选择的磁畴。
12.如权利要求
11所述的器件，其中，所述温度控制机制包括近场光学器件，以对所述激光束进行聚焦。
13.如权利要求
10所述的器件，其中，所述温度控制机制包括导电扫描探针显微镜(SPM)的探针尖，用来加热所选择的磁畴。
14.如权利要求
10所述的器件，其中，所述温度控制机制包括阻抗(电阻)加热机制作为各个磁畴的一部分。
15.如权利要求
10所述的器件，其中，所述温度控制机制包括与所述所选择的磁畴接触的阻抗(电阻)加热元件。
16.一种方法，包括提供一种磁存储材料，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以在工作温度下存储数据，所述工作温度低于所述反铁磁层的阻塞温度，所述阻塞温度低于所述铁磁材料的居里温度；进行局部加热以使所述磁存储材料中的所选择的磁位的温度高于所述阻塞温度；在高于所述阻塞温度的所述温度下，对所述所选择的磁位应用磁化处理，以将剩磁设置为从用于多状态存储媒介的预定剩磁集合中选择的值，以对位进行写操作；去除所述所选择的磁位处的外磁场；以及在所述零场，将所述所选择的磁位的温度降低到所述阻塞温度之下，以将剩磁存储在所述所选择的位中。
17.如权利要求
16所述的方法，还包括当检测所述所选择的磁位以进行读出时，将所述所选择的磁位的温度保持为低于所述阻塞温度。
18.一种方法，包括提供一种磁存储材料，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以在工作温度下存储数据，所述工作温度低于所述反铁磁层的阻塞温度，所述阻塞温度低于所述铁磁材料的居里温度；进行局部加热以使所述磁存储材料中的所选择的磁位的温度高于所述阻塞温度；在高于所述阻塞温度的所述温度下，对所述所选择的磁位应用磁化处理，以将剩磁设置为从用于多状态存储媒介的预定剩磁集合中所选择的值，以对位进行写操作；在保持所述磁化处理的磁场的同时，将所述所选择的磁位的温度降低到所述阻塞温度之下，以将所述剩磁存储在所述所选择的位中。
19.如权利要求
18所述的方法，还包括当检测所述所选择的磁位以进行读出时，将所述所选择的磁位的温度保持为低于所述阻塞温度。
20.一种方法，包括提供一种磁存储材料作为二元存储媒介，所述磁存储材料包括铁磁层和邻近的反铁磁层，所述铁磁层和邻近的反铁磁层相互磁性地耦合以提供磁滞回线；以及配置所述铁磁层和邻近的反铁磁层，以使得所述磁滞回线的中心离开H＝0处，从而使各个二元状态相对于杂散磁场是稳定的。
专利摘要
用于使用铁磁和反铁磁耦合和交换偏置的磁材料和方法，所述材料和方法用于二元和多状态磁存储器件。
文档编号G11B5/66GK1997515SQ200580023848
公开日2007年7月11日 申请日期2005年7月13日
发明者伊戈尔·V·罗辛, 奥列格·彼得克, 拉斐尔·莫拉莱斯, 李志攀, 泽维尔·巴特勒, 伊万·K·舒勒 申请人:加利福尼亚大学董事会导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan