СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ, ЛОКАЛИЗОВАННОГО В НАНОМЕТРОВОЙ ОБЛАСТИ ПРОСТРАНСТВА Российский патент 2012 года по МПК H01F1/12 

Область техники

Изобретение относится к способам и устройствам, предназначенным для формирования интенсивного неоднородного магнитного поля в ограниченном пространстве с целью а) записи информации на магнитные носители, б) обеспечения пространственного разрешения кантилеверов в магнитной силовой микроскопии, в) манипуляции магнитными метками в каналах биочипов, г) магнитной сепарации ферромагнитных, парамагнитных и диамагнитных веществ и объектов.

Возможные области применения изобретения: создание эффективных головок записи на магнитные носители с высокой плотностью информации и устройств для переключения спинтронных нанокомпонентов в электронике, повышение пространственного разрешения, чувствительности и функциональных возможностей магнитных сенсорных устройств, в частности магнитных силовых микроскопов, создание новых типов биочипов для биохимической диагностики среды на основе манипуляторов магнитными нанометками, сепарация биологических нанообъектов и химических веществ по их магнитным свойствам в микро- и нанообъемах и др.

Предшествующий уровень техники

Основными источниками локализованного в окружающем пространстве магнитного поля с высоким градиентом являются скачок нормальной к границе компоненты намагниченности тонкой пленки, например, в кантилеверах магнитных силовых микроскопов и управляющих элементах в запоминающих устройствах на цилиндрических магнитных доменах, либо особенность тангенциальной к поверхности компоненты магнитного поля на краю намагниченного нормально к этой поверхности бруска магнитного материала.

Известен способ формирования неоднородной нормальной к плоскости подложки компоненты магнитного поля, состоящий в намагничивании в плоскости пленочного элемента, полученного травлением пермаллоевой пленки на поверхности подложки с целью локализации магнитного поля в подложке вблизи границы элемента для манипуляций магнитными микрообъектами [1].

Известен также кантилевер для магнитной силовой микроскопии с нанесенным магнитным пленочным покрытием, состоящим из трех слоев - тонкого магнитотвердого слоя и связанных с ним антиферромагнитного слоя и толстого ферромагнитного слоя, последний слой намагничен вдоль своего острия и создает локальное неоднородное магнитное поле, нормальное к плоскости сканируемой поверхности [2].

Первым недостатком упомянутых устройств и их известных модификаций является недостаточная для многих применений локализация неоднородного магнитного поля, создаваемого магнитным полюсом в окрестности торца пленки. Принципиальными препятствиями для локализации поля являются: 1) дальнодействие магнитного поля от любого сколь угодно малого нескомпенсированного магнитного полюса, 2) собственное размагничивающее поле, вызывающее расширение распределения нормальной к границе компоненты намагниченности вместо скачка в области границы элемента или острия кантилевера. Размер такого распределения определяет предельные возможности для пространственной локализации и составляет не менее 1 мкм даже для пленки с толщиной до 10 нм. На краю пленочного элемента образуется доменная структура Ландау-Лифшица с внутренним замыканием магнитного потока (фиг.1), причем размеры доменов уменьшаются пропорционально уменьшению размеров аппликации в плоскости пленки вплоть до размера ширины доменной границы (~10 нм). Но и при таком размере на краю аппликации происходит отклонение намагниченности от нормали к торцу пленки, что вызывает уменьшение поля в окружающем пространстве вблизи торца аппликации.

Вследствие указанных эффектов пространственное разрешение магнитных силовых микроскопов, например, значительно превышает радиус кривизны острия кантилевера и составляет, в лучшем случае, 30-50 нм, что сильно уступает разрешению атомных силовых микроскопов.

Второй недостаток данных устройств заключается в том, что магнитная чувствительность кантилеверов обусловлена только нормальной к плоскости сканирования компонентой неоднородного поля исследуемого объекта, что сильно сужает функциональные возможности магнитной силовой микроскопии. Например, отсутствует чувствительность кантилевера к величине намагниченности объекта в плоскости сканирования в области, удаленной от границы объекта.

Третий недостаток данных устройств заключается в том, что слабая локализация поля кантилевера в пространстве, с другой стороны, приводит к дополнительному намагничиванию кантилевером исследуемого объекта, что искажает результаты исследования.

Наиболее близким к предлагаемому техническим решением по способу формирования области локализации магнитного поля является магнитная система, содержащая два сопряженных боковыми стенками одинаковых постоянных магнита с противоположными друг другу направлениями намагниченности, параллельными боковым стенкам. В такой системе над поверхностью магнитов в области зазора между верхними ребрами граней сопряжения возникает горизонтальная компонента магнитного поля рассеяния, которая в несколько раз превышает индукцию материала магнитов [3].

Первым недостатком этой магнитной системы и ее модификаций (например, [4]) является широкое (не менее 10 мкм) для целей нанотехнологий пространственное распределение магнитного поля и невозможность (в силу конструкции и технологии изготовления) масштабирования подобной системы до ширины зазора величиной 1 мкм и менее.

Вторым недостатком данной системы является отсутствие возможности управления величиной и знаком созданного локального магнитного поля посредством внешнего магнитного поля.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении пространственного разрешения устройства для создания локального магнитного поля до уровня минимального линейного размера, не превышающего 10 нм, и обеспечение возможности управления величиной и знаком локального поля посредством внешнего магнитного поля.

Раскрытие изобретения

Указанный технический результат достигается предлагаемым способом создания локализованного магнитного поля, которое формируют в пространстве над зазором между открытыми торцами, лежащими в одной плоскости, двух параллельных ферромагнитных слоев, разделенных слоем, обеспечивающим антиферромагнитную связь между ферромагнитными слоями, отличающийся тем, что размеры локализации задают толщиной разделительного слоя между ферромагнитными слоями, которые выполняют из магнитомягких материалов с толщинами слоев h₁ и h₂, удовлетворяющих соотношению M₁h₁=M₂h₂, где M₁ и M₂ - намагниченности насыщения ферромагнитных слоев, а направление поля над зазором задают разностью суммарных магнитных моментов ферромагнитных слоев.

Указанный результат достигается также тем, что устройство для создания локализованного магнитного поля содержит ограниченную общим открытым торцом трехслойную пленочную структуру из двух ферромагнитных слоев, выполненных из магнитомягких материалов, и разделительного слоя между ними, обеспечивающего антиферромагнитную связь между ферромагнитными слоями, нанесенную на полированную подложку, так что оси легкого намагничивания ферромагнитных слоев направлены перпендикулярно торцу трехслойной пленочной структуры.

В другом частном варианте выполнения изобретения произвольная часть площади верхнего ферромагнитного слоя трехслойной пленочной структуры, нанесенной на подложку, не примыкающая к торцу, удалена травлением.

В другом частном варианте выполнения изобретения в двух ферромагнитных слоях и разделительном слое, нанесенных на плоскую полированную подложку, торец трехслойной структуры сформирован травлением части пленки, не закрытой резистивной маской, причем травление верхнего ферромагнитного слоя и разделительного слоя производят на всю толщину (h₁+g), а травление нижнего ферромагнитного слоя производят на часть толщины слоя, равную величине h₁M₁/M₂.

Совокупность заявленных существенных признаков изобретения позволяет локализовать распределение магнитного поля в пределах области пустого пространства вблизи торца разделительного слоя трехслойной пленочной структуры с характерным линейным размером

L~g+(h₁+h₂)/2,

где h₁, h₂ - толщины ферромагнитных слоев, g - толщина разделительного слоя.

Достигаемая изобретением локализация магнитного поля над зазором между торцами двух ферромагнитных слоев обусловлена 1) наличием двух магнитных полюсов нанометровой толщины с одинаковой величиной магнитного заряда, но противоположного знака, расположенных с нанометровым зазором, 2) отсутствием пространственного распределения намагниченности (расплыванием магнитных полюсов) возле торцов ферромагнитных слоев в связи с круговым замыканием магнитного потока пленочной структуры. Наличие двух одинаковых по величине полюсов разного знака позволяет компенсировать магнитное поле рассеяния за пределами торца структуры и удвоить компоненту магнитного поля в плоскости торца в области зазора между ферромагнитными слоями.

Разделительный слой, создающий антиферромагнитную связь между ферромагнитными слоями, обеспечивает противоположное направление намагниченности в ферромагнитных слоях, в том числе в присутствии внешнего магнитного поля, направленного в плоскости слоев перпендикулярно или под углом к торцу трехслойной структуры.

Антиферромагнитная связь между ферромагнитными слоями осуществляется благодаря формированию волны спиновой плотности в разделительном слое. В отличие от объемного антиферромагнетика период такой волны в структуре с нанометровыми толщинами при определенных условиях может составлять не 2 монослоя, а 10-20 монослоев, т.е. несколько нанометров, как, например, в системе Fe/Cr/Fe (100). Для данной системы диаграмма распределения параллельного и антипараллельного направления намагниченностей в слоях Fe показана на фиг.2a, b [5]. Такое значение толщины позволяет формировать трехслойную пленочную структуру с выраженными границами между слоями обычными средствами напыления или молекулярно-лучевого осаждения на стандартные подложки, используемые в микроэлектронике (Si, GaAs и др.).

Антиферромагнитная связь между слоями Fe может осуществляться нанометровым разделительным слоем из различных материалов, в т.ч. не обладающих магнитными свойствами в объемном макроскопическом состоянии, например, Au, Al и др.

Ферромагнитные слои могут иметь различный суммарный магнитный момент, так что при намагничивании трехслойной структуры ферромагнитный слой с большим магнитным моментом ориентируется по направлению внешнего магнитного поля, а ферромагнитный слой с меньшим магнитным моментом ориентируется против направления внешнего магнитного поля, определяя полярность поля в зазоре. При этом в плоскости торцов ферромагнитных слоев необходимо сохранить равенство зарядов разноименных магнитных полюсов. После выключения внешнего поля состояние намагниченности в ферромагнитных слоях сохраняется благодаря полному замыканию магнитного потока и отсутствию размагничивающего поля у торцов слоев.

Разность магнитных моментов ферромагнитных слоев может быть сформирована различными способами. Например, удалением части, не примыкающей к торцу, верхнего по отношению к подложке ферромагнитного слоя. В другом способе исполнения ближайший к подложке (нижний) ферромагнитный слой может иметь большую толщину, причем при формировании торца травление нижнего слоя производят на глубину, равную h₁M₁/M₂.

При формировании рисунка в трехслойной структуре нижний слой может быть протравлен на часть своей толщины, так что намагниченность оставшейся части сплошного нижнего слоя дополнительно стабилизирует направление намагниченности у протравленного торца нижнего слоя и позволяет производить поворот намагниченностей всех слоев структуры в соответствии с вращением внешнего магнитного поля в плоскости подложки.

С помощью предложенного способа в пространстве над торцом разделительного слоя формируют интенсивную компоненту магнитного поля, параллельную торцу пленочной структуры с высоким градиентом, перпендикулярном торцу (фиг.3).

Краткое описание чертежей.

На фиг.1 представлена фотография доменной структуры размагниченного края намагниченной однослойной пермаллоевой аппликации толщиной 20 нм, шириной 8 мкм.

На фиг.2 представлен результат определения направления намагниченности в верхнем слое Fe трехслойной структуры Fe/Cr/Fe (100) с клиновидным разделительным слоем Cr в зависимости от толщины разделительного слоя [6]. Черный цвет соответствует антиферромагнитной связи ферромагнитных слоев. На фиг.2а и 2b период структуры соответствует 12 атомным слоям Cr в связи с формированием волны спиновой плотности. На фиг.2с период смены направления намагниченности верхнего слоя соответствует 2 атомным слоям.

На фиг.3 представлены варианты выполнения заявляемого устройства.

На фиг.3 цифрами обозначены:

1 - торец первого ферромагнитного слоя с толщиной h₁,

2 - торец второго ферромагнитного слоя с толщиной h₂,

3 - торец разделительного слоя с толщиной g,

4 - магнитное поле, локализованное в пространстве между торцами ферромагнитных слоев,

5 - полость после удаления части первого ферромагнитного слоя, не примыкающей к торцу слоя,

6 - часть второго ферромагнитного слоя, стабилизирующая направления намагниченности второго и первого ферромагнитных слоев.

Вариант осуществления изобретения.

Для экспериментальной проверки изобретения на кремниевую подложку с ориентацией (100) при температуре 200°С магнетронным распылением мишеней (Fe 20% - Ni 80%, Cr - 100%) в одном процессе была нанесена трехслойная пленочная структура FeNi/Cr/FeNi с толщинами слоев соответственно 15 нм / 3 нм / 10 нм. Толщина контролировалась по времени напыления, производимого со скоростью 0,1 нм/с. Затем проведено ионно-лучевое травление трехслойной структуры на части подложки, не закрытой маской из фоторезиста, на глубину 22 нм. С помощью регистрации сигнала экваториального эффекта Керра проведено магнитооптическое исследование перемагничивания верхнего и нижнего (на оставшейся после несквозного травления структуры) пермаллоевых слоев во внешнем магнитном поле вдоль оси легкого намагничивания, перпендикулярной границе протравленной области на подложке. Обнаружено, что параметры петли гистерезиса обоих ферромагнитных слоев идентичны по форме, но взаимно противоположны по знаку намагниченности, причем намагниченность верхнего (тонкого) слоя пермаллоя направлена против направления внешнего магнитного поля, что доказывает наличие антиферромагнитной связи между слоями FeNi.

Промышленная применимость.

Области возможного применения изобретения: создание эффективных головок записи на магнитные носители с высокой плотностью информации и устройств для переключения спинтронных нанокомпонентов в электронике, повышение пространственного разрешения, чувствительности и функциональных возможностей магнитных сенсорных устройств, в частности магнитных силовых микроскопов, создание новых типов биочипов для биохимической диагностики среды на основе манипуляторов магнитными нанометками, сепарация биологических нанообъектов и химических веществ по магнитным свойствам в микро- и нанообъемах и др.

Предложенная трехслойная структура позволит обеспечить чувствительность магнитных силовых микроскопов к однородной намагниченности нанообъектов в плоскости сканирования с высоким пространственным разрешением и минимальным воздействием на сканируемый объект. Возможность управления намагниченностью ферромагнитных слоев внешним полем с синхронным изменением величины и знака магнитного поля в зазоре позволяет также использовать магнитную модуляцию взаимодействия кантилевера с объектом вместо или совместно с механической модуляцией, что существенно расширяет функциональные возможности магнитного силового микроскопа.

Предложенный способ формирования нанометровой области локализации неоднородного магнитного поля с управляемыми величиной, знаком и положением на подложке открывает новые возможности для осуществления операций с магнитными наночастицами в биочипах.

Источники информации

1. S.Anandakumar, V. Sudha Rani, Sunjong Oh, B.L.Sinha, Migaku Takahashi, Cheol Gi Kim. Translocation of bio-functionalized magnetic beads using smart magnetophoresis. Biosensors and Bioelectronics, 2010, doi:10.1016/j.bios. 2010.08.033.

2. W u Yihong. Magnetic force microscopy having a magnetic probe coated with exchange coupled magnetic multiple layers. Patent US 2003102863 (A1), 2003.

3. Самофалов В.Н., Равлик А.Г., Белозоров Д.П., Авраменко Б.А. Сильные магнитные поля рассеяния в системах из высокоанизотропных магнетиков. Физика металлов и металловедение, 2004, том 97, №3, с.15-23.

4. Глебов В.А., Ильяшенко Е.И., Глебов А.В. Способ формирования высокоградиентного магнитного поля и устройство для разделения веществ на его основе. Патент РФ №2370319, зарегистрирован в Гос. реестре изобретений 20 октября 2009 г.

5. D.Т.Pierce, J.A.Stroscio, J.Unguris and R.J.Celotta. Influence of Crgrowth on exchange coupling in Fe/Cr/Fe (100). Phys. Rev. Lett., v.49, No 20, p.14564 1994.

Изобретение относится к формированию интенсивного неоднородного магнитного поля в ограниченном пространстве и может быть использовано для эффективных головок записи на магнитные носители с высокой плотностью информации и устройств для переключения спинтронных нанокомпонентов в электронике, повышения пространственного разрешения, чувствительности и функциональных возможностей магнитных сенсорных устройств, в частности магнитных силовых микроскопов, создание новых типов биочипов для биохимической диагностики среды на основе манипуляторов магнитными нанометками, сепарации биологических нанообъектов и химических веществ по их магнитным свойствам в микро- и нанообъемах и др. Технический результат состоит в повышении пространственного разрешения и управлении величиной и знаком локального поля посредством внешнего магнитного поля. Локализованное магнитное поле формируют в пространстве над зазором между открытыми торцами, лежащими в одной плоскости, двух параллельных ферромагнитных слоев, разделенных слоем, обеспечивающим антиферромагнитную связь между ферромагнитными слоями. Размеры локализации задают толщиной разделительного слоя между ферромагнитными слоями, которые выполняют из магнитомягких материалов с толщинами слоев h₁ и h₂, удовлетворяющих соотношению M₁h₁=M₂h₂, где M₁ и М₂ - намагниченности насыщения соответствующих ферромагнитных слоев, а направление поля над зазором задают разностью суммарных магнитных моментов ферромагнитных слоев. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ создания локализованного магнитного поля, которое формируют в пространстве над зазором между открытыми торцами, лежащими в одной плоскости, двух параллельных ферромагнитных слоев, разделенных слоем, обеспечивающим антиферромагнитную связь между ферромагнитными слоями, отличающийся тем, что размеры локализации задают толщиной разделительного слоя между ферромагнитными слоями, которые выполняют из магнитомягких материалов с толщинами слоев h₁ и h₂, удовлетворяющих соотношению M₁h₁=M₂h₂, где M₁ и М₂ - намагниченности насыщения соответствующих ферромагнитных слоев, а направление поля над зазором задают разностью суммарных магнитных моментов ферромагнитных слоев.

2. Устройство для создания локализованного магнитного поля содержит ограниченную общим открытым торцом трехслойную пленочную структуру из двух ферромагнитных слоев, выполненных из магнитомягких материалов, и разделительного слоя между ними, обеспечивающего антиферромагнитную связь между ферромагнитными слоями, нанесенную на полированную подложку, так что толщины ферромагнитных слоев h₁ и h₂ удовлетворяют соотношению M₁h₁=M₂h₂, где M₁ и M₂ - намагниченности насыщения ферромагнитных слоев, а оси легкого намагничивания ферромагнитных слоев направлены перпендикулярно торцу трехслойной пленочной структуры.

3. Устройство по п.2, в котором часть верхнего ферромагнитного слоя, не примыкающая к торцу трехслойной пленочной структуры, удалена травлением.

4. Устройство по п.2, в котором торец трехслойной пленочной структуры сформирован травлением части пленки, не закрытой резистивной маской, причем травление верхнего ферромагнитного слоя и разделительного слоя производят на всю толщину слоев, а травление нижнего ферромагнитного слоя производят на часть толщины слоя, равную величине h₁M₁/М₂.