垂直磁各向異性

當鐵磁層非常薄的時候，原子中的軌道各向異性得體現，就有可能使得界面各向異性超過形狀各向異性，從而實現了垂直磁各向異性。可以利用該性質套用於垂直磁各向異性磁性隨機存儲器。

基本介紹

• 中文名：垂直磁各向異性
• 外文名：Vertical magnetic anisotropy
• 套用：垂直磁各向異性磁性隨機存儲器
• 所屬學科：自旋電子學
• 原理：鐵磁層非常薄
• 來源：原子中的軌道各向異性

基本原理

磁晶各向異性與軌道磁矩各向異性的聯繫非常密切，因而軌道磁矩各向異性顯得特別重要。當磁性薄膜比較厚時，軌道磁矩幾乎是各向同性的，因此由於材料的形狀各向異性占主導而使材料表現出面內磁各向異性。而當磁層很薄時，軌道各向異性就很大，使得薄膜易於產生垂直磁各向異性。在材料中兩種相反的力作用於自旋磁矩，其中偶極場使自旋方向轉向面內，而自旋軌道耦合則使自旋轉向軌道磁矩（根據洪特第三法則），即垂直於膜面。

界面軌道磁矩的各向異性與鐵磁層的磁晶各向異性是密切相關的。當鐵磁層非常薄的時候，原子中的軌道各向異性得體現，就有可能使得界面各向異性超過形狀各向異性，從而實現了垂直磁各向異性。

垂直磁記錄

圖給出了垂直磁記錄原理。垂直磁記錄技術對磁記錄的整體結構進行了改良。它的磁頭採用"”型的單開頭式樣，磁頭的S極跟N極藉助一個額外的“軟磁底層”進行發生作用，而不再直接發生作用。軟磁層位於磁碟記錄介質層下方，起中介輔助的作用，如此磁頭的兩磁極和軟磁層構成了閉合的磁迴路。磁力線變為垂直分布，一個磁極位於磁碟表面與記錄介質相互作用，另一個磁極則位於記錄介質層的深處與軟磁底層互動。

這種結構產生了如下增益。第一，在更高的記錄密度下有更小的退磁場，很好的熱穩定性；第二，磁極讀寫頭軟磁底層的構成可以產生兩倍於環狀讀寫頭的場，因此寫入場是矯頑場的兩倍；第三，可在更厚的垂直記錄介質層中實現快速翻轉；第四，垂直磁記錄介質有很強的單軸取向（更高的信號和信噪比）。在記錄時，硬碟寫頭按照時間脈衝將介質分成一個個記錄位。在記錄1時，寫入電流經過記錄位時將產生正向的磁場，記錄位下方的磁介質單元就會被磁化成相應的正方向。反之亦然。隨面密度提高，磁性品粒的長徑比會逐漸變大，表面退磁因子會變小，從而退磁場會減小，有利於記錄信息的穩定，這也是垂直磁記錄完全取代縱向磁記錄的根本原因。

垂直磁記錄材料

磁性材料，特別是對磁記錄介質材料的研究，是實現硬碟存儲最為重要的一環。目前的磁記錄方式以垂直磁記錄為核心，因而尋找垂直磁記錄材料，是現在科研工作的當務之急。未來的垂直磁記錄材料必須要滿足如下條件：

1、高矩形比與適中的飽和磁化強度

高剩餘磁化強度和飽和磁化強度的比值，是滿足足夠大的信噪比和讀出信號的必然要求，當前要求材料的矩形比都要在以上。過高的飽和磁化強度會使讀出信號的信噪比降低；低飽和磁化強度的材料，要得到大的讀出信號，須相對較厚，這就對生長工藝提出了額外的要求，同時增加了寫入信息的困難，並且這樣做也不利於面密度的提高。

2、高矯頑力

矯頑力是磁矩翻轉難易程度的標誌，為了能在熱擾動和雜散場的影響下使得記錄數據保持穩定性，必須要有高矯頑力。

3、適中的居里溫度

考慮到熱輔助的垂直磁記錄方式，磁性材料應該有適中的居里溫度，因為若是磁性材料的居里點過高，那么在該技術適用溫度下（如左右），矯頑力隨溫度的變化微弱，就達不到熱輔助的效果；而若是磁性材料的居里點過低，會使其熱穩定性差，硬碟在使用時會發熱，則記錄信息容品丟失。

4、磁性晶粒之間足夠低的耦合

在磁記錄介質的製備工藝中，若晶粒間過強的稱合則會降低信噪比，並且在一個記錄位進行寫入信息時，還會影響到周圍記錄位信息。目前主要是通過在薄膜生長時摻入硼或二氧化陸等材料來實現磁性晶粒之間的足夠低的稱合，目的也是要提高信噪比。

5、直徑分布均勻的、小的磁性晶粒

磁性品粒直徑過大與不均勻都會導致信噪比降低；並且小的磁性粒子也是提高面密度的必然選擇。除此以外，介質也必須有足夠強的機械耐磨性、非常光滑平整的表面、良好的抗氧化能力和縱向結晶等等。

綜上，磁記錄技術對磁記錄介質的要求極高，並且隨著面密度的提高將會提出更多的要求。

垂直磁各向異性磁性隨機存儲器

典型的自旋閥結構主要是由鐵磁層、非磁性層（中間層）鐵磁層（參考層）反鐵磁層（釘扎層）構成。上表面保護層的作用主要是防止內部結構被氧化；底端緩衝層的作用一方面體現在誘導上層結構晶向的作用，另一方而還可以起到防止外界對自旋閥內部結構的影響。釘扎層是反鐵磁材料構成的，它可以位於三明治結構的頂部或底部，並對與它相鄰的鐵磁層產生交換偏置，進而將相鄰鐵磁層的磁化方向釘扎在某一個特定方向上，在所加外場強度較小狀態下並不會隨外場的變化而翻轉，故與反鐵磁相鄰的一層被稱為被釘扎層。相對應的，未與反鐵磁層相鄰的一層為自由層，由於未受到交換偏置作用，而且與被釘扎層的耦合作用很小，因而其磁化方向更易於隨外場而翻轉，故而被稱作自由層。自旋閥結構的基本工作原理如下，釘扎層與被釘扎層間有很強的稱合作用，所以被釘扎層的磁矩方向被釘扎在一個方向很難改變，而被釘扎層與自由層之間由於非磁性中間層的隔離作用，耦合作用很小，因此自由層的磁矩很容易受外磁場作用發生改變。所以，外加磁場發生變化時，自由層與被釘扎層的磁矩方向就在平行與反平行兩種狀態之、變化，分別對應著低阻態和高阻態。同時值得注意的是，使自由層發生翻轉所需的磁場由其各向異性場、被釘扎層的散磁場及層間截合相作用場共同決定。將自旋閥中的中間層材料換成絕緣體，就構成了磁性隧道結的結構。磁性隧道結的核心結構為即鐵磁金屬絕緣層鐵磁金屬。當電子穿過絕緣層壁時，其隧穿幾率和自旋方向有關，故該效應即稱之為磁性隧道結中的隧穿磁電阻效應，磁性隧道結比自旋閥結構有更高的磁電阻和信號輸出屯壓，因而在存儲讀操作中有非常重要的套用價值。

納米結構的自旋閥或磁性隧道結器件是構成的核心存儲單元。在的早期研究中，其核心存儲單元自旋閥或隧道結器件中鐵磁層的磁化方向通常是沿面內隨著記錄密度的不斷提高，面內磁化的存儲單元就出現了很多問題，限制密度進一步提高，具體原因如下：對於結構中的面記憶體儲單元，尺寸若小到一定程度時，如果長寬比小於，器件邊緣磁化將會出現渦旋效應，不利於信息的讀寫。若自旋閥或隧道結器件中的鐵磁層是垂直磁各向異性的材料可以有效的解除這個問題，這種材料的磁化狀態對於形狀很不靈敏，且器件尺寸越小反而更有利於垂直方向磁化強度的穩定。另外，在基於自旋轉矩效應由電流驅動的磁化翻轉中，垂直材料擁有更低的臨界翻轉電流密度，以及較高的熱穩定性，這些優異性能使垂直磁各向異性薄膜材料在高密度自旋轉矩型中具有潛在的套用價值。