Многослойная магнитная пленка с взаимодействием Дзялошинского-Мория и способ управления асимметричностью движения доменных границ в ней Российский патент 2024 года по МПК G11B5/02 

Заявляемая группа изобретений относится к области электроники и наноэлектроники и может быть использована в устройствах спинтроники, таких как магнитные диоды на основе доменных границ и сдвиговые регистры.

Многослойные магнитные структуры, состоящие из чередующихся немагнитных слоев с сильной спин-орбитальной связью и ферромагнитных слоев, остаются в центре внимания научного сообщества из-за интересных и многообещающих интерфейсных явлений.

Спиновый эффект Холла [M.I. Dyakonov and V.I. Perel. Possibility of orienting electron spins with current. Pis'ma Zh. Eksp. Teor. Fiz. 13, 657 (1971)] и эффект Рашбы-Эдельштейна [V. M. Edelstein. Spin polarization of conduction electrons induced by electric current in two-dimensional asymmetric electron systems. Solid State Commun. 73, 233 (1990)] могут быть использованы для управления ориентацией намагниченности в ферромагнитных слоях многослойных структур [A. Manchon and S. Zhang. Theory of nonequilibrium intrinsic spin torque in a single nanomagnet. Phys. Rev. B. 78, 212405 (2008), K. Ando et al. Electric manipulation of spin relaxation using the spin Hall effect. Phys. Rev. Lett. 101, 36601 (2008)] Общим проявлением этих физических механизмов является передача индуцированного током вращательного момента намагниченности в ферромагнитных слоях, также называемого спин-орбитальным крутящим моментом (SOT-эффект). SOT-эффект может быть использован для переключения намагниченности в ячейках памяти [K. Garello et al. Spin-Orbit Torque MRAM for ultrafast embedded memories: From fundamentals to large scale technology integration. In Proceedings of the 2019 IEEE 11th International Memory Workshop (IMW), Monterey, CA, USA, 12-15 May 2019; pp. 1-4] или движения доменных границ и скирмионов в магнитных дорожках под действием импульсов зарядового тока [R. Bläsing et al. Magnetic Racetrack Memory: From Physics to the Cusp of Applications Within a Decade," in Proceedings of the IEEE, vol. 108, no. 8, pp. 1303-1321, Aug. 2020, S. Luo, L. You. Skyrmion devices for memory and logic applications. APL. Materials 9, 050901 (2021)]. Интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мория особенно важно в устройствах памяти на беговых дорожках, поскольку оно стабилизирует Неелевскую структуру доменных стенок с фиксированной киральностью или Неелевские скирмионы [G. Chen et al. Novel Chiral Magnetic Domain Wall Structure in Fe/Ni/Cu(001) Films. Phys. Rev. Lett. 110, 177204 (2013)].

Известен способ управления доменами в пленках с перпендикулярной магнитной анизотропией с помощью магнитных полей, прикладываемых под углами 0 и 90, 180 и 270 градусов в плоскости пленки [патент US9905310, МПК G11C11/14, G11C19/08, опубликован 27.02.2018].

Для движения доменных границ авторы предлагают прикладывать магнитное поле, ориентированное вдоль намагниченности в доменной границе и перпендикулярно направлению намагниченности в домене, а затем изменить направления магнитных полей на противоположное. При этом происходит последовательное смещение доменных границ и перемещение домена.

К недостаткам данного метода относятся физические ограничения, обусловленные суперпозицией двух перпендикулярных полей и переориентацией результирующего вектора поля. Это не позволит реализовать направленное движение доменов в пленках с перпендикулярной анизотропией методом, предложенным авторами.

Известен способ контроля направления движения доменных границ в ферромагнитных полосках с помощью ассиметричных выступов (треугольной формы) [Domain wall diodes in ferromagnetic planar nanowires D. A. Allwood; Gang Xiong; R. P. Cowburn // Appl. Phys. Lett. 85, 2848-2850 (2004); Depinning fields of a magnetic domain wall from asymmetric notches A. Himeno; S. Kasai; T. Ono // Journal of Applied Physics 99, 08G304 (2006); 2D magnetic domain wall ratchet: The limit of submicrometric holes Herrero-Albillos, J., Castán-Guerrero, C., Valdés-Bango, F., Bartolomé, J., Bartolomé, F., Kronast, F., García, L. M. // Materials & Design, 138, 111-118, (2018)].

Показано, что энергия распространения доменной границы при прохождении через вершину треугольника меньше, чем через более широкое основание. Это приводит к ассиметричному движению доменных границ. К недостаткам данного метода относится необходимость создания микрополосок с выступами треугольной формы с помощью электронной литографии, что усложняет производство и усиливает вклад от возможных дефектов формы.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) принят способ задания асимметричности движения доменных границ в аморфной магнитной пленки Co-Si толщиной 40 нм с помощью упорядоченных отверстий с формой в виде символа «Y» [Crossed-Ratchet Effects for Magnetic Domain Wall Motion A. Pérez-Junquera, V. I. Marconi, A. B. Kolton, L. M. Álvarez-Prado, Y. Souche, A. Alija, M. Vélez, J. V. Anguita, J. M. Alameda, J. I. Martín, and J. M. R. Parrondo // Phys. Rev. Lett. 100, 037203, 2008].

Массив отверстий с квадратной ячейкой 20х20 мкм формируют с помощью электронной литографии и последующего травления в аргоновой плазме. Для сдвига доменных границ прикладывают магнитное поле, величиной чуть больше коэрцитивной силы пленки. Поле направляют в плоскости пленки и перпендикулярно длинной оси отверстий «Y». В результате наблюдают однонаправленное движение доменной границы на модифицированном участке пленки: условно «левая» граница перемещается, а «правая» граница остается неподвижной.

К недостаткам ближайшего аналога (прототипа) можно отнести следующее:

- необходимость формирования отверстий сложной формы в виде символа «Y», что требует использования электронной литографии, травления и значительно удорожает реализацию метода;

- ограниченность наблюдаемого эффекта размерами массива отверстий;

- невозможность реализации данного способа в пленках с перпендикулярной магнитной анизотропией, имеющих более тонкую ширину доменной границы, высокую скорость движения доменных границ, которые отличаются более высокой плотностью записи информации и скоростью чтения/записи устройств хранения данных и работы логических устройств на основе магнитных пленок.

Проблемой, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, является создание в пленках с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория условий для однонаправленного движения доменных границ с регулируемой асимметрией их скоростей.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной проблемы, выражается в следующем:

- возможность реализации в пленках с перпендикулярной магнитной анизотропией, имеющих более тонкую ширину доменной границы и высокую скорость движения доменных границ, что увеличивает плотность записи информации и скорость чтения/записи устройств хранения данных и работы логических устройств на основе магнитных пленок;

- возможность управления асимметричностью однонаправленного движения доменных границ в пленках с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория;

- снижение трудоемкости путем изготовления пленок, в которых отсутствуют отверстия сложной формы.

Поставленная проблема решается тем, что:

1) многослойная магнитная пленка с взаимодействием Дзялошинского-Мория, содержащая подложку, на которой сформирована среда из немагнитного слоя с сильной спин-орбитальной связью и ферромагнитного слоя, отличается тем, что многослойная магнитная пленка типа «подложка/B/X1/Y/X2» с перпендикулярной магнитной анизотропией содержит полупроводниковую подложку из Si с ориентацией (111), буферный слой B из Cu толщиной 1-5 нм, немагнитный слой X1 из Pd толщиной 3-15 нм, который имеет среднеквадратичную шероховатость 0,25-0,8 нм и средний радиус островка 8,5-12,2 нм, ферромагнитный слой Y из Co толщиной 0,5-15 нм и немагнитный слой X2 из Pd толщиной 0,5-5 нм;

2) способ управления асимметричностью движения доменных границ в многослойной магнитной пленке с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория по п.1, включающий воздействие магнитным полем на указанную многослойную магнитную пленку, посредством которого задают направление движения доменных границ, отличается тем, что постоянное магнитное поле, определяющее направление движения доменных границ, прикладывают в плоскости многослойной магнитной пленки, а однонаправленное движение доменных границ осуществляют под действием индуцированного импульса магнитного поля, приложенного перпендикулярно плоскости многослойной магнитной пленки.

Сопоставительный анализ признаков заявляемой группы изобретений с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявляемых решений критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы устройства решают следующие функциональные задачи.

Признак, указывающий что «многослойная магнитная пленка типа «подложка/B/X1/Y/X2» содержит немагнитные слои X1 и X2, а также ферромагнитный слой Y» позволяет в сформированной таким образом среде индуцировать взаимодействие Дзялошинского-Мория и создавать гомохиральные доменные границы, которые одинаково реагируют на прикладываемые магнитные поля.

Признак, указывающий что «многослойная магнитная пленка выполнена с перпендикулярной магнитной анизотропией» способствует улучшению плотности записи информации и скорости реагирования устройств хранения данных и логических устройств на основе указанной пленки за счет более тонкой ширины доменной границы и высокой скорости движения доменных границ.

Признак, указывающий что многослойная магнитная пленка «содержит полупроводниковую подложку из Si с ориентацией (111)» делает способ совместимым с существующими полупроводниковыми производствами.

Признаки, указывающие, что «буферный слой B имеет толщину 1-5 нм, а немагнитный слой X1 имеет среднеквадратичную шероховатость 0,25-0,8 нм и средний радиус островка 8,5-12,2 нм» обуславливают зависимость асимметрии движения доменных границ от характеристик немагнитного слоя X1, поскольку толщина буферного слоя B позволяет:

- сгладить неровности подложки, задать структуру слоя Х1 и предотвратить силицидообразование;

- обеспечить эпитаксиальный рост материала Х1 с переходом от двухмерных к трехмерным островкам, тем самым обеспечивая изменение величины среднеквадратичной шероховатости от 0,25 до 0,8 нм и среднего радиуса островка от 8,5 до 12,2 нм.

Признаки, указывающие что «буферный слой B выполнен из Cu, немагнитный слой X1 толщиной 3-15 нм выполнен из Pd, ферромагнитный слой Y толщиной 0,5-15 нм выполнен из Co и немагнитный слой X2 толщиной 0,5-5 нм выполнен из Pd» позволяют сформировать многослойные магнитные пленки с перпендикулярной анизотропией типа «подложка/B/X1/Y/X2» (среду) из различных материалов для создания асимметрии скорости движения доменных границ.

При этом отличительные признаки формулы способа обеспечивают возможность управления асимметричностью движения доменных границ в многослойной магнитной пленке с перпендикулярной анизотропией вследствие того, что при внешнем постоянном магнитном поле, приложенном в плоскости многослойной магнитной пленки под воздействием индуцированного импульса магнитного поля, приложенного перпендикулярно плоскости многослойной магнитной пленки, в ферромагнитном слое Y происходит увеличение скорости доменных границ, в которых вектор намагниченности совпадает с направлением внешнего постоянного магнитного поля, приложенного в плоскости пленки, и уменьшение скорости движения доменных границ до 0 в противоположном направлении.

Другие отличительные признаки и преимущества группы изобретений ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые чертежи:

на фиг.1 изображена схема многослойной магнитной пленки типа «подложка/B/X1/Y/X2» описанной в примере 3, в которой были созданы условия, когда скорости движения доменных границ отличаются в 10 000 раз;

на фиг.2 приведены изображения (размер 500х500 нм²) поверхностей немагнитного слоя Х1, полученные с помощью сканирующей туннельной микроскопии и описанные:

а - в примере 1;

б - в примере 2;

в - в примере 3;

на фиг. 3 изображены зависимости:

а - среднеквадратичной амплитуды шероховатости от толщины слоя Х1;

б - среднего радиуса островков от толщины слоя Х1;

на фиг. 4 изображена зависимость отношения текущей скорости к максимально достижимой для примеров 1-3 от напряженности внешнего постоянного магнитного поля, приложенного в плоскости многослойной магнитной пленки;

на фиг.5 показано изображение доменной структуры многослойной магнитной пленки после воздействия магнитным полем, описанным в примере 1;

на фиг. 6 показано изображение доменной структуры многослойной магнитной пленки после воздействия магнитным полем, описанным в примере 2;

на фиг. 7 показано изображение доменной структуры многослойной магнитной пленки после воздействия магнитным полем, описанным в примере 3.

1. Заявляемую многослойную магнитную пленку с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория изготавливают на стандартном оборудовании в несколько этапов.

1.1. Подготовка полупроводниковой подложки из Si с ориентацией (111) - при этом можно использовать как подложку с собственными носителями зарядов, так и легированную примесными атомами.

Указанную полупроводниковую подложку из Si очищают, нагревают при 800 К косвенным нагревом в течение 12 часов.

После прогрева и удаления примесей испаряют слой оксида кремния. Удаление оксида кремния производят в условиях сверхвысокого вакуума (базовое давление в камере составляло 10^-10 Торр). Подложку нагревают постоянным током до температуры 1400 К в течение 10 секунд, а затем медленно остужают до 300 К в течение 300 секунд.

После охлаждения с помощью дифракции быстрых электронов контролируют качество поверхности полупроводниковой подложки из Si с ориентацией (111).

1.2. Формирование буферного слоя B из Cu на подготовленной поверхности полупроводниковой подложки из Si с ориентацией (111).

Для этого Cu испаряют из высокотемпературных эффузионных ячеек, скорость роста Cu составила 0,9 нм/мин. Осаждение останавливают, когда толщина слоя Cu равна 1-5 нм.

1.3. Формирование немагнитного слоя X1 из Pd на поверхности буферного слоя B из Cu.

Pd испаряют из высокотемпературных эффузионных ячеек, скорость роста Pd составила 0,26 нм/мин. Осаждение останавливают, когда толщина слоя X1 равна 3-15 нм.

Среднеквадратичная амплитуда шероховатости равна 0,25-0,8 нм, радиус островков 8,5-12,2 нм.

1.4. Формирование ферромагнитного слоя из Co на поверхности немагнитного слоя X1 из Pd.

Co испаряют из высокотемпературных эффузионных ячеек, скорость Со составила 0,28 нм/мин. Осаждение останавливают, когда толщина Со равна 0,5-15 нм.

1.5. Формирование немагнитного слоя X2 из Pd на поверхности ферромагнитного слоя из Сo.

Pd испаряют из высокотемпературных эффузионных ячеек, скорость роста Pd составила 0,26 нм/мин. Осаждение останавливают, когда толщина слоя X2 равна 0,5-5 нм.

2. Заявляемый способ управления асимметричностью движения доменных границ в многослойной магнитной пленке с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория осуществляют на стандартном оборудовании по следующей схеме.

Сначала находили стабильный цилиндрический домен, зарождающийся в одном и том же месте.

Включалось внешнее постоянное магнитное поле в плоскости (Нх) многослойной магнитной пленки величиной 300 Э.

Индуцировали импульс магнитного поля продолжительностью 2-100 мс и величиной 126 Э, приложенный перпендикулярно плоскости многослойной магнитной пленки (Нz), далее - импульс перпендикулярного магнитного поля (Нz).

При совместном воздействии магнитными полями (Нх) и (Нz) происходит однонаправленное движение доменных границ в многослойной магнитной пленке, причем за счет того, что при индицировании импульса перпендикулярного магнитного поля (Нz) в ферромагнитном слое Y увеличивается скорость доменных границ, в которых вектор намагниченности совпадает с направлением внешнего постоянного магнитного поля (Нх), и до 0 уменьшается скорость движения доменных границ в противоположном направлении, возникает асимметричность движения указанных доменных границ.

Величина магнитных полей (Нх) и (Нz) подбирается в зависимости от коэрцитивной силы образцов многослойной магнитной пленки с целью регистрации смещения доменных границ, регистрируемых магнитооптической микроскопией.

Регистрацию доменных границ производили с помощью магнитооптического микроскопа на эффекте Керра Evico-Magnetics. После определения величины смещения, обычно составляющего от единиц до десятков микрометров, зная время импульса перпендикулярного магнитного поля (Нz) рассчитывают скорость движения доменных границ.

Изменяя направление внешнего постоянного магнитного поля Нх возможно управлять направлением движения доменных границ.

Представленные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение.

Пример 1

Многослойная магнитная пленка типа «подложка/B/X1/Y/X2» с коэффициентом асимметрии скоростей движения доменных границ 40 содержит:

буферный слой B из Cu толщиной 5 нм;

немагнитный слой X1 из Pd толщиной 3 нм, который имеет среднеквадратичную шероховатость 0,25 нм и средний радиус островка 8,5 нм;

ферромагнитный слой Y из Co толщиной 15 нм;

немагнитный слой X2 из Pd толщиной 0,5 нм.

Результаты измерения изменения относительной скорости движения доменных границ представлены на фиг. 4, кривая для образца с толщиной X1 = 3 нм.

Снимки доменной структуры представлены на фиг. 5. Для смещения доменных границ создали импульс перпендикулярного магнитного поля Нz = 126 Э продолжительностью 10, 20 и 100 мс.

В отсутствие внешнего постоянного магнитного поля в плоскости многослойной магнитной пленки (Нх = 0) доменные границы распространяются симметрично относительно центрального домена (параметры импульса поля Нz: амплитуда 126 Э, продолжительность - 20 мс).

При включении внешнего постоянного магнитного поля в плоскости многослойной магнитной пленки (Hх = +300 Э) и импульса перпендикулярного магнитного поля Нz = 126 Э в течение 20 мс наблюдается ассиметричное движение доменных границ: доменная граница, направление намагниченности в которой совпадает с магнитным полем Нх, смещается на значительное расстояние, а в противоположном направлении скорость роста домена значительно меньше.

Изменяя направление внешнего постоянного магнитного поля Нх возможно управлять направлением движения доменных границ. Величина коэффициента асимметрии скоростей доменных границ равна 40. При увеличении времени импульса магнитного поля Нz величина коэффициента асимметрии сохраняется.

Пример 2

Многослойная магнитная пленка типа «подложка/B/X1/Y/X2» с коэффициентом асимметрии скоростей движения доменных границ 1000 содержит:

буферный слой B из Cu толщиной 1 нм;

немагнитный слой X1 из Pd толщиной 10 нм, который имеет среднеквадратичную шероховатость 0,3 нм и средний радиус островка 9,6 нм;

ферромагнитный слой Y из Co толщиной 0,5 нм;

немагнитный слой X2 из Pd толщиной 5 нм.

Результаты измерения изменения относительной скорости движения доменных границ представлены на фиг. 4, кривая для образца с толщиной X1 = 10 нм.

Для смещения доменных границ создали импульс перпендикулярного магнитного поля Нz = 160 Э продолжительностью 20 и 100 мс. Изображения доменов представлены на фиг. 6.

Величина коэффициента асимметрии скоростей доменных границ равна 1000. При увеличении времени импульса магнитного поля Нz величина коэффициента асимметрии сохраняется.

Пример 3

Многослойная магнитная пленка типа «подложка/B/X1/Y/X2» с коэффициентом асимметрии скоростей движения доменных границ 3600 содержит:

буферный слой B из Cu толщиной 2 нм;

немагнитный слой X1 из Pd толщиной 15 нм, который имеет среднеквадратичную шероховатость 0,8 нм и средний радиус островка 12,2 нм;

ферромагнитный слой Y из Co толщиной 0,7 нм;

немагнитный слой X2 из Pd толщиной 3 нм.

Результаты измерения изменения относительной скорости движения доменных границ представлены на фиг. 4, кривая для образца с толщиной X1 = 15 нм.

Для смещения доменных границ создали импульс перпендикулярного магнитного поля Нz = 240 Э продолжительностью 2 и 60 мс. Изображения доменов представлены на фиг. 7.

Величина коэффициента асимметрии скоростей доменных границ равна 3600. При увеличении времени импульса магнитного поля Нz величина коэффициента асимметрии сохраняется.

Таким образом, экспериментальным путем показана возможность однонаправленного движения доменных границ под действием импульса магнитного поля Нz, приложенного перпендикулярно плоскости многослойной магнитной пленки, при этом направление движения доменной границы задается внешним постоянным магнитным полем, приложенным в плоскости (Нх) многослойной магнитной пленки. Разработан способ управления асимметричностью движения доменных границ в многослойных магнитных пленках с перпендикулярной магнитной анизотропией и взаимодействием Дзялошинского-Мория, который позволяет:

- получить магнитные среды из многослойных магнитных нано- и микроструктур, а также пленок типа «подложка/B/X1/Y/X2» с контролируемой шероховатостью для однонаправленного движения доменных границ под действием импульса магнитного поля;

- реализовать однонаправленное движение доменных границ с контролируемым коэффициентом асимметрии скоростей доменных границ;

- разработать новые устройства спинтроники, такие как магнитные диоды на основе доменных границ и сдвиговые регистры.

Группа изобретений относится к области электроники. Многослойная магнитная пленка с взаимодействием Дзялошинского-Мория содержит подложку, на которой сформирована среда из немагнитного слоя с сильной спин-орбитальной связью и ферромагнитного слоя, при этом многослойная магнитная пленка типа «подложка/B/X1/Y/X2» с перпендикулярной магнитной анизотропией содержит полупроводниковую подложку из Si с ориентацией (111), буферный слой B из Cu толщиной 1-5 нм, немагнитный слой X1 из Pd толщиной 3-15 нм, который имеет среднеквадратичную шероховатость 0,25-0,8 нм и средний радиус островка 8,5-12,2 нм, ферромагнитный слой Y из Co толщиной 0,5-15 нм и немагнитный слой X2 из Pd толщиной 0,5-5 нм. Технический результат - повышение плотности записи информации, и скорости чтения/записи устройств хранения данных, и работы логических устройств на основе магнитных пленок. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Многослойная магнитная пленка с взаимодействием Дзялошинского-Мория, содержащая подложку, на которой сформирована среда из немагнитного слоя с сильной спин-орбитальной связью и ферромагнитного слоя, отличающаяся тем, что многослойная магнитная пленка типа «подложка/B/X1/Y/X2» с перпендикулярной магнитной анизотропией содержит полупроводниковую подложку из Si с ориентацией (111), буферный слой B из Cu толщиной 1-5 нм, немагнитный слой X1 из Pd толщиной 3-15 нм, который имеет среднеквадратичную шероховатость 0,25-0,8 нм и средний радиус островка 8,5-12,2 нм, ферромагнитный слой Y из Co толщиной 0,5-15 нм и немагнитный слой X2 из Pd толщиной 0,5-5 нм, причем многослойная магнитная пленка выполнена с возможностью организации в ней асимметричного движения доменных границ при приложении постоянного магнитного поля, определяющего направление движения доменных границ, в плоскости многослойной магнитной пленки, и однонаправленном движении доменных границ под действием индуцированного импульса магнитного поля, приложенного перпендикулярно плоскости многослойной магнитной пленки.

2. Способ управления асимметричностью движения доменных границ в многослойной магнитной пленке с взаимодействием Дзялошинского-Мория, включающий воздействие магнитным полем на указанную многослойную магнитную пленку, посредством которого задают направление движения доменных границ, отличающийся тем, что используют многослойную магнитную пленку, содержащую буферный слой B из Cu толщиной 1-5 нм, немагнитный слой X1 из Pd толщиной 3-15 нм, который имеет среднеквадратичную шероховатость 0,25-0,8 нм и средний радиус островка 8,5-12,2 нм, ферромагнитный слой Y из Co толщиной 0,5-15 нм и немагнитный слой X2 из Pd толщиной 0,5-5 нм, причем постоянное магнитное поле, определяющее направление движения доменных границ, прикладывают в плоскости многослойной магнитной пленки, а однонаправленное движение доменных границ осуществляют под действием индуцированного импульса магнитного поля, приложенного перпендикулярно плоскости многослойной магнитной пленки.