CN105679339B - 一种应力辅助磁存储器件、其制备方法以及磁场写入方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应力辅助磁存储器件。该器件具有多层膜结构，依次为衬底层、变磁性材料层、磁性介质层以及保护层。通过对柔性衬底层施加形变产生应力，或者对铁电衬底层施加电压并通过压电效应产生应力，在应力作用下使变磁性材料处于铁磁或者反铁磁的状态；当磁场写入时控制应力使其处于铁磁状态，通过耦合作用降低磁性介质层的矫顽力，从而降低写入磁头的写入磁场，降低能耗；当磁场写入完毕后控制应力使变磁性材料处于反铁磁状态，磁性介质层的矫顽力恢复到原来的状态，从而增加存储密度，提高磁性存储器件的数据存储安全性。

Description

一种应力辅助磁存储器件、其制备方法以及磁场写入方法

技术领域

本发明涉及磁存储技术领域，尤其涉及一种应力辅助磁存储器件、其制备方法以及磁场写入方法。

背景技术

近年来，随着磁记录密度的飞速增长以及每比特成本的降低，磁记录技术被应用到包括计算机在内的越来越多的领域，与人们的关系越来越密切，比如电脑中的磁盘，打电话的磁卡，银行的***等等，都是使用磁信号来记录信息的。

磁记录技术提高了人们的工作效率，也给我们的生活带来了很大方便。然而，磁记录密度的飞速增长也给传统的磁记录技术带来了挑战。通常，磁记录密度的提高主要是通过减小记录介质的颗粒尺寸而实现。然而，记录介质颗粒尺寸的减小会导致磁化翻转热稳定性降低。为此，可以通过增加磁各项异性K_U，即提高磁记录介质的矫顽力来补偿。另外，在硬盘等磁性存储装置中，数据安全性是主要的技术问题。出于数据记录的安全性考虑，也需要磁记录介质材料具有较大的矫顽力，从而保证能够在外界干扰状态下持续地保持磁矩的取向，用以保持数据记录的完整和安全。

因此，人们希望能在磁性存储器件中发展具有大磁矫顽力的材料作为存储介质，例如FePt、NdFeB、SmCo等。相应地，对该具有大矫顽力的磁记录介质进行磁场写入时如果写入磁场较低，就不能有效翻转该磁性介质颗粒的磁化方向，从而导致磁记录困难，因此需要提供一个更大的写入磁场。但是写入磁场越大将导致技术实现越困难，并且将大大增加器件的能耗。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供了一种磁存储器件，其具有磁存储密度高，写入磁场低的优点。

为了实现上述技术目的，本发明人利用如下所述的变磁性效应设计了一种应力辅助磁存储器件。

所述变磁性效应是指：在不同应力作用下，材料的磁有序状态磁性能够从反铁磁(AFM)性转变为铁磁(FM)性，或者从铁磁(FM)性转变为反铁磁(AFM)性，该磁性转变效应称为变磁性效应，具有磁性转变效应的材料称为变磁性材料。

本发明所采用的技术方案为：一种应力辅助磁存储器件，其具有多层膜结构，所述的多层膜结构包括：

衬底层；

变磁性材料层，所述变磁性材料层位于衬底层上，在应力作用下所述变磁性材料的磁性可在反铁磁性、铁磁性间发生转变；

磁性介质层，所述磁性存储层位于变磁性材料层上，具有磁各向异性，用于进行磁性记录；所述磁性介质层与变磁性材料层之间具有耦合作用；

保护层，所述保护层位于磁性记录层上，以保护所述磁性记录层；

所述衬底为柔性衬底，在磁场写入时，柔性衬底受到形变发生装置作用而发生形变、产生应力，变磁性材料在该应力作用下从反铁磁性转变为铁磁性；或者，

所述衬底为铁电材料衬底，该铁电材料衬底连接电压发生装置，在磁场写入时，电压发生装置对铁电材料衬底施加电压，通过压电效应产生应力，变磁性材料在该应力作用下从反铁磁性转变为铁磁性。

所述的柔性衬底材料不限，包括单晶、陶瓷、金属、有机物、塑料等。

所述的铁电材料材料不限，包括钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸钡的掺杂材料、铅基铁电材料、单相多铁材料等中的一种材料或几种的混合材料。其中，铅基铁电材料可以是钛酸铅(PbTiO₃)、锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O₃)、钛酸铅镧((La,Pb)TiO₃)、锆钛酸铅镧((La,Pb)(Zr,Ti)O₃)、铌镁酸铅(Pb(Mg,Nb)O₃)、铌锌酸铅(Pb(Zn,Nb)O₃)、铌钪酸铅(Pb(Sc,Nb)O₃)、铌镁酸铅-钛酸铅(Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃)、铌锌酸铅-钛酸铅(Pb(Zn,Nb)O₃-PbTiO₃)、铌钪酸铅-钛酸铅(Pb(Sc,Nb)O₃-PbTiO₃)、钛酸钡(BaTiO₃)、钛酸锶钡((Ba,Sr)TiO₃)、铁酸铋(BiFeO₃)等中的一种或两种以上的混合材料。

所述的变磁性材料包括但不限于FeRh、Mn3GaC、NiCoMnIn等中的一种或两种以上的混合材料。

所述的磁性介质层材料不限，包括磁性金属、磁性氧化物、有机磁性材料等具有大的磁各向异性材料，例如FePt、NdFeB、SmCo等中的一种或两种以上的混合材料。

所述的保护层采用非磁性材料构成，包括但不限于铂、金、钽及其合金等。

本发明还提供了一种制备上述应力辅助磁存储器件的方法，包括如下步骤：

形成柔性衬底层或者铁电材料衬底层；

在柔性衬底层或者铁电材料衬底层上制备变磁性材料层；

在变磁性材料层上沉积磁性介质层；

在磁性介质层上沉底保护层；

提供用于使柔性衬底层发生形变的形变发生装置，或者将铁电材料衬底与电压发生装置连接。

例如，当变磁性材料为具有B₂有序结构的FeRh，磁性介质层材料为具有高的磁各项异性L₁₀有序结构的FePt时，所述的步骤(2)与步骤(3)优选如下：

(2)利用磁控溅射技术在柔性衬底层或者铁电材料衬底层上沉积FeRh合金薄膜，控制Fe、Rh原子比为1：1，形成B₂有序结构，溅射结束后将柔性衬底层或者铁电材料衬底层原位退火；进一步优选地，FeRh薄膜厚度为10nm～50nm；

(3)利用磁控溅射技术在FeRh合金薄膜上沉积FePt合金薄膜，控制Fe、Pt原子比为1：1，形成L₁₀有序结构；进一步优选地，FePt薄膜厚度为10nm～50nm。

对本发明应力辅助磁存储器件进行磁场写入时，写入方法包括如下过程：

(1)在形变发生装置作用下柔性衬底发生形变，产生应力；变磁性材料层在该应力作用下产生变磁性转变效应，由反铁磁性转变为铁磁性；由于变磁性材料层和磁性介质层之间的耦合作用，变磁性材料层和磁性介质层形成的双层薄膜的矫顽力降低，从而降低所需的写入磁场；或者

电压发生装置对铁电衬底施加电压，由于压电效应，铁电衬底产生应力；变磁性材料层在该应力作用下产生变磁性转变效应，由反铁磁性转变为铁磁性；由于变磁性材料层和磁性介质层之间的耦合作用，变磁性材料层和磁性介质层形成的双层薄膜的矫顽力降低，从而降低所需的写入磁场；

(2)对该磁存储器件施加写入磁场，进行磁场写入；

(3)写入过程完成后，形变发生装置停止工作，柔性衬底的形变消失，变磁性材料层受到的应力撤消，由铁磁态转变为反铁磁态；或者，写入过程完成后，电压发生装置停止对铁电衬底施加电压，变磁性材料层受到的应力撤消，由铁磁态转变为反铁磁态。

综上所述，本发明通过应力的改变使变磁性材料处于铁磁或者反铁磁状态，当磁场写入时控制应力使其处于铁磁状态，从而通过耦合作用降低磁性介质层的矫顽力，以降低写入磁头的写入磁场，降低能耗；当磁场写入完毕后控制应力使变磁性材料处于反铁磁状态，磁性介质层的矫顽力恢复到原来的状态，从而增加存储密度，提高磁性存储器件的数据存储安全性。

附图说明

图1是本发明实施例1中应力辅助磁存储器件的多层膜结构示意图；

图2是本发明实施例2中应力辅助磁存储器件的多层膜结构示意图；

图1、2中的附图标记为：变磁性材料层2、磁性介质层3、保护层4，衬底层5，电压发生装置6，形变发生装置7。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细说明，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，如图1所示，应力辅助磁存储器件的多层膜结构自下往上依次为：衬底5、变磁性材料层2、磁性介质层3、保护层4、电压发生装置6、形变发生装置7。

衬底5为柔性衬底，采用商业购买的柔性并且耐高温的铜箔构成。

变磁性材料层2由FeRh构成，在应力作用下该FeRh材料可以在室温附近会发生从反铁磁到铁磁的变磁性转变。

磁性介质层3由高各项异性L₁₀有序结构的FePt构成。

保护层4为Ta材质。

在磁场写入时，柔性衬底5受到形变发生装置7作用而发生形变、产生应力，变磁性材料层2在该应力作用下从反铁磁性转变为铁磁性。

该应力辅助磁存储器件的制备方法如下：

步骤1：选择商用高纯铜箔(厚度为25微米)作为衬底；

步骤2：将衬底清洗干净后放入磁控溅射腔体，将温度升高至400度加热衬底1小时，使用FeRh合金作为靶材，利用磁控溅射技术在衬底上沉积FeRh合金薄膜，控制Fe、Rh原子比为1：1，FeRh薄膜厚度为10nm～50nm；溅射结束后，将样品原位退火，退火温度为600℃，退火时间为2时，即形成B₂有序结构的FeRh薄膜；

步骤3：使用FePt合金作为靶材，利用磁控溅射技术继续在FeRh薄膜上沉积FePt合金薄膜，控制Fe、Pt原子比为1：1，形成L₁₀有序结构的FePt薄膜，FePt薄膜厚度为10nm～50nm；

步骤4：使用Ta作为靶材，利用磁控溅射技术继续在FePt薄膜上沉积保护层Ta。

步骤5：将柔性衬底5固定在形变发生装置7上。

对该应力辅助磁存储器件进行磁场写入，其方法包括如下过程：

(1)在形变发生装置7作用下柔性衬底5发生形变，产生应力；变磁性材料层FeRh对应力非常敏感，在该应力作用下产生变磁性转变效应，由反铁磁性转变为铁磁性并且一直保持到居里温度；同时，由于变磁性材料层FeRh和磁性介质层FePt之间的耦合作用，形成FePt/FeRh双层薄膜，由于FeRh合金的磁各项异性K_U远小于FePt合金，而磁化强度相差不大，因此在FePt/FeRh双层薄膜中，FeRh层所提供的磁矩能够有效帮助高磁各项异性的FePt层在远低于矫顽力的条件下实现磁化翻转，即FeRh/FePt双层薄膜的矫顽力显著降低，从而显著降低了写入磁场。

(2)写入过程完成后，形变发生装置7停止工作，柔性衬底5的形变消失，变磁性材料层FeRh受到的应力撤消，由铁磁态转变为反铁磁态，FePt/FeRh双层薄膜体系的大矫顽力恢复，从而增加了存储密度，提高了磁性存储器件的数据存储安全性。

实施例2：

本实施例中，如图2所示，应力辅助磁存储器件的多层膜结构自下往上依次为：衬底5、变磁性材料层2、磁性介质层3、保护层4。

衬底5为铁电衬底，采用Pb(Mg,Nb)O₃-PbTiO₃(PMNPT)构成。

变磁性材料层2由FeRh构成，在应力作用下该FeRh材料可以在室温附近发生从反铁磁到铁磁的变磁性转变。

磁性介质层3由高各项异性L₁₀有序结构的FePt构成。

保护层4为Ta材质。

在磁场写入时，铁电衬底5连接电压发生装置6，电压发生装置6对铁电衬底5施加电压，通过压电效应产生应力，变磁性材料层2在该应力作用下从反铁磁性转变为铁磁性。

该应力辅助磁存储件的制备方法如下：

步骤1：选择P铁电材料MNPT作为衬底；

步骤2：将衬底清洗干净后放入磁控溅射腔体，将温度升高至500度加热衬底1小时，使用FeRh合金作为靶材，利用磁控溅射技术在铁电衬底PMNPT上沉积FeRh合金薄膜，控制Fe、Rh原子比为1：1，FeRh薄膜厚度为10nm～50nm；溅射结束后，将样品原位退火，退火温度为600℃，退火时间为2小时，即形成B₂有序结构的FeRh薄膜；

步骤3：使用FePt合金作为靶材，利用磁控溅射技术继续在FeRh薄膜上沉积FePt合金薄膜，控制Fe、Pt原子比为1：1，形成L₁₀有序结构的FePt薄膜，FePt薄膜厚度为10nm～50nm；

步骤4：使用Ta作为靶材，利用磁控溅射技术继续在FePt薄膜上沉积保护层Ta。

步骤5：铁电衬底5与电压发生装置6相连接。

对该应力辅助磁存储器件进行磁场写入，其方法包括如下过程：

(1)电压发生装置6对铁电衬底5施加一电压，由于压电效应，铁电衬底5产生应力；变磁性材料层FeRh对应力非常敏感，在该应力作用下产生变磁性转变效应，由反铁磁性转变为铁磁性并且一直保持到居里温度；同时，由于变磁性材料层FeRh和磁性介质层FePt之间的耦合作用，形成FePt/FeRh双层薄膜，由于FeRh合金的磁各项异性K_U远小于FePt合金，而磁化强度相差不大，因此在FePt/FeRh双层薄膜中，FeRh层所提供的磁矩能够有效帮助高磁各项异性的FePt层在远低于矫顽力的条件下实现磁化翻转，即FeRh/FePt双层薄膜的矫顽力显著降低，从而显著降低了写入磁场。

(2)写入过程完成后，形变发生装置7停止工作，柔性衬底5的形变消失，变磁性材料层FeRh受到的应力撤消，由铁磁态转变为反铁磁态，FePt/FeRh双层薄膜体系的大矫顽力恢复，从而增加了存储密度，提高了磁性存储器件的数据存储安全性。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应力辅助磁存储器件，其特征是：具有多层膜结构，该多层膜结构包括：

衬底层；

变磁性材料层，所述变磁性材料层位于衬底层上，在应力作用下所述变磁性材料的磁性可在反铁磁性、铁磁性间发生转变；

磁性介质层，所述磁性介质层位于变磁性材料层上，具有磁各向异性，用于进行磁性记录；所述磁性介质层与变磁性材料层之间具有耦合作用；

保护层，所述保护层位于磁性介质层上，以保护所述磁性介质层；

所述衬底为柔性衬底，在磁场写入时，柔性衬底受到形变发生装置作用而发生形变、产生应力，变磁性材料在该应力作用下从反铁磁性转变为铁磁性。

2.如权利要求1所述的应力辅助磁存储器件，其特征是：所述的柔性衬底材料包括单晶、陶瓷、金属、有机物中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的应力辅助磁存储器件，其特征是：所述的柔性衬底材料包括塑料。

4.如权利要求1所述的应力辅助磁存储器件，其特征是：所述的变磁性材料包括FeRh、Mn₃GaC、NiCoMnIn中的一种或两种以上的混合材料。

5.如权利要求1所述的应力辅助磁存储器件，其特征是：所述的磁性介质层材料包括磁性金属、磁性氧化物、有机磁性材料中的一种或两种以上的混合材料。

6.如权利要求5所述的应力辅助磁存储器件，其特征是：所述的磁性介质层材料是FePt、NdFeB、SmCo中的一种或两种以上的混合材料。

7.如权利要求1所述的应力辅助磁存储器件，其特征是：所述的保护层包括铂、金、钽及其合金。

8.制备权利要求1至7中任一权利要求所述的应力辅助磁存储器件的方法，其特征是：包括如下步骤：

形成柔性衬底层；

在柔性衬底层上制备变磁性材料层；

在变磁性材料层上沉积磁性介质层；

在磁性介质层上沉底保护层；

提供用于使柔性衬底层发生形变的形变发生装置。

9.如权利要求8所述的应力辅助磁存储器件的制备方法，其特征是：

所述变磁性材料为具有B₂有序结构的FeRh，磁性介质层材料为具有磁各项异性L₁₀有序结构的FePt，在柔性衬底层上制备变磁性材料层，以及在变磁性材料层上沉积磁性介质层如下：

利用磁控溅射技术在柔性衬底层上沉积FeRh合金薄膜，控制Fe、Rh原子比为1：1，形成B₂有序结构，溅射结束后将柔性衬底层原位退火；

利用磁控溅射技术在FeRh合金薄膜上沉积FePt合金薄膜，控制Fe、Pt原子比为1：1，形成L₁₀有序结构。

10.如权利要求1至7中任一权利要求所述的应力辅助磁存储器件的磁场写入方法，其特征是：包括如下过程：

(1)在形变发生装置作用下柔性衬底发生形变，产生应力；变磁性材料层在该应力作用下产生变磁性转变效应，由反铁磁性转变为铁磁性；由于变磁性材料层和磁性介质层之间的耦合作用，变磁性材料层和磁性介质层形成的双层薄膜的矫顽力降低，从而降低所需的写入磁场；

(2)对该磁存储器件施加写入磁场，进行磁场写入；

(3)写入过程完成后，形变发生装置停止工作，柔性衬底的形变消失，变磁性材料层受到的应力撤消，由铁磁态转变为反铁磁态。