一种纳米磁性图案的构建系统及其构建方法

1.本发明涉及磁性材料领域，具体而言，涉及一种纳米磁性图案的构建系统及其构建方法。


背景技术：

2.磁性材料一直是工业的重要基础，它的应用非常广泛，尤其是在低功耗、高密度的信息存储和处理器件中备受关注。随着纳米技术的不断发展，磁性材料的研究已经从宏观材料逐渐变为纳米材料，在纳米尺度对磁性材料进行控制和观测是发展趋势；磁性材料的磁畴是指磁性材料内部具有均匀磁化强度的区域，它是磁性材料的重要基本单元，而在多尺度(尤其是纳米尺度)控制磁畴的产生、移动、翻转等过程在自旋电子学、磁光学、微机电系统中具有重要意义。
3.目前，控制磁畴常见的方法有：1、通过构建多铁异质结，在外加电场作用下，利用磁电耦合效应控制磁畴的翻转，该方法难以实现确定性翻转，为了实现确定性翻转，须通过施加辅助磁场；2、通过施加电流，通过自旋转移力矩效应(亦可通过自旋轨道力矩效应)实现磁畴翻转，但是利用该方法只能构筑预定的磁畴图案，无法随意构筑纳米尺度的磁性图案；3、通过外加磁场实现磁畴的翻转，这种方式在磁头的写入单元中被广泛使用，其特点是将电磁感应诱导出的磁力线通过导磁元件聚集在纳米区域，使其局部磁场超过样品的矫顽场，从而直接翻转局域磁畴，但是这种方法需要通过电流方式实现局域磁场的施加，其写入能耗较高。


技术实现要素：

4.本发明解决的问题是如何降低对磁性探针的磁性强度要求，同时还能实现纳米磁性图案的构建。
5.为解决上述问题，本发明提供一种纳米磁性图案的构建系统，包括：
6.具有具有自然磁化状态的磁性薄膜；
7.磁性探针，包括用于在磁性薄膜的表面构建磁性图案的磁性探针a和用于观测磁性图案的磁性探针b；
8.探针控制单元，用于驱动磁性探针在磁性薄膜的表面进行位移和振动；
9.探针信号采集单元，用于接收磁性探针的位移信号和振动信号；
10.外加磁体，包括用于磁化磁性探针的第一磁体和用于反向磁化磁性探针的第二磁体。
11.本发明的有益效果是：利用磁性探针a产生的磁场与磁性薄膜表面的磁畴相互作用，通过探针信号采集单元探测磁性探针a的位移信号和振动信号，并反馈控制磁性探针a与磁性薄膜表面的相对位置，重构出磁性薄膜表面的磁畴，然后采用磁性探针b与磁畴作用，使得磁畴的磁力梯度发生变化，同时使得磁性探针b的振幅和相位发生变化，探针信号采集单元采集磁性探针b的位移信号和振动信号，从而能够精确地构建出磁性图案，同时还
降低对磁性探针的磁性强度要求。
12.作为优选，所述构建系统还包括用于装载磁性探针的探针悬臂和计算机，所述磁性探针通过探针悬臂在磁性薄膜的表面移动和振动，所述探针控制单元与探针悬臂连接，所述探针信号采集单元和探针控制单元均与计算机连接。
13.一种纳米磁性图案的构建方法，基于上述构建系统，包括：
14.步骤1、将磁性薄膜置于平台上；
15.步骤2、通过第一磁体磁化磁性探针a，通过探针悬臂将磁化后的磁性探针a在磁性薄膜的表面进行扫描，将磁性薄膜的表面分成未扫描且磁化方向各异的自然磁畴区域和经过扫描后磁化方向一致取向的背景磁畴区域；
16.步骤3、将磁性探针a远离磁性薄膜后，通过第二磁体反向磁化磁性探针a；
17.步骤4、反向磁化的磁性探针a从自然磁畴区域拖拽磁畴壁进入背景磁畴区域并按照预设路线在背景磁畴区域移动，构建纳米磁性图案；
18.步骤5、探针控制单元驱动磁性探针b在构建了磁性图案的背景磁畴区域扫描，通过探针信号采集单元，采集构建的纳米磁性图案。
19.本发明的有益效果是：采用磁化的磁性探针a在具有面外磁的磁性薄膜表面移动，将磁性薄膜的表面划分成自然磁畴区域和背景磁畴区域，然后采用反向磁化的磁性探针a从自然磁畴区域拖拽磁畴壁进入背景磁畴区域进行磁畴运动，实现纳米磁性图案的构建，相较与利用磁性探针直接在背景磁畴区域内翻转磁畴构建磁性图案，本发明降低了对磁性探针的磁性强度要求，便于构建纳米尺度的磁畴图案。
20.作为优选，所述磁性探针b的磁场强度低于托拽背景磁畴区域磁畴壁的磁场强度，从而避免磁性探针b影响背景磁畴区域的磁畴。
21.作为优选，所述磁性探针a的磁场强度大于托拽背景磁畴区域磁畴壁的磁场强度，从而实现背景磁畴和纳米磁性图案的形成和构建。
附图说明
22.图1为本发明具体实施例1的结构示意图
23.图2为本发明具体实施例2进行纳米磁性图案构建的流程图；
24.图3为本发明具体实施例2构建的纳米磁性图案；
25.附图标记说明：
26.1、探针悬臂；2、探针控制单元；3、探针信号采集单元；4、第一磁体；5、第二磁体；6、磁性薄膜；7、计算机；8、磁性探针；a、自然磁畴区域；b、背景磁畴区域。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
28.具体实施例1
29.一种纳米磁性图案的构建系统，如图1所示，包括：
30.具有面外磁的磁性薄膜6，本具体实施例的磁性薄膜6为磁控溅射的磁性薄膜6，具体为在硅片表面镀有ta/pt/[co、pt]4/pt形成的磁性薄膜6；
[0031]
磁性探针8，包括用于在磁性薄膜6的表面构建磁性图案的磁性探针a和用于观测磁性图案的磁性探针b，本具体实施例的磁性探针a的型号为ppp-mfmr；磁性探针b的型号为sss-mfmr；
[0032]
探针控制单元2，用于驱动磁性探针8在磁性薄膜6的表面进行位移和振动；
[0033]
探针信号采集单元3，用于接收磁性探针8的位移信号和振动信号；
[0034]
外加磁体，包括用于磁化磁性探针8的第一磁体4和用于反向磁化磁性探针8的第二磁体5；
[0035]
还包括用于装载磁性探针8的探针悬臂1和计算机7，所述磁性探针8通过探针悬臂1在磁性薄膜6的表面移动和振动，所述探针控制单元2与探针悬臂1连接，所述探针信号采集单元3和探针控制单元2均与计算机7连接。
[0036]
工作原理：
[0037]
磁性探针a与磁性薄膜6表面的面外磁相互作用，通过探针信号采集单元3探测磁性探针a的位移信号和振动信号，并反馈控制磁性探针a与磁性薄膜表面的距离，从而精确重构出磁性薄膜6表面的磁畴；
[0038]
接着磁性探针b与磁畴相互作用，使得磁畴的磁力梯度发生变化，并使磁性探针b的振幅和相位发生变化，探针信号采集单元3采集磁性探针b的位移信号和振动信号，计算机7能够精确地描绘出重构的磁性图案。
[0039]
具体实施例2
[0040]
一种纳米磁性图案的构建方法，如图2所示，基于纳米磁性图案的构建系统，包括：
[0041]
步骤1、将磁性薄膜置于平台上；
[0042]
步骤2、通过第一磁体磁化磁性探针a，磁性探针a的磁场强度大于托拽背景磁畴区域磁畴壁的磁场强度，本具体实施例采用探针悬臂将磁化后的磁性探针a在磁性薄膜的表面进行扫描，将磁性薄膜的表面分成未扫描且磁化方向各异的自然磁畴区域和经过扫描后磁化方向一致取向的背景磁畴区域；
[0043]
步骤3、将磁性探针a远离磁性薄膜6后，通过第二磁体5反向磁化磁性探针a；
[0044]
步骤4、反向磁化的磁性探针a从自然磁畴区域拖拽磁畴壁进入背景磁畴区域并按照预设路线在背景磁畴区域移动，构建纳米磁性图案；
[0045]
步骤5、探针控制单元2驱动磁性探针b在构建了磁性图案的背景磁畴区域扫描，通过探针信号采集单元3，采集构建的纳米磁性图案，所述磁性探针b的磁场强度低于托拽背景磁畴区域磁畴壁的磁场强度。
[0046]
采用磁化的磁性探针a在具有面外磁的磁性薄膜表面移动，将磁性薄膜的表面划分成自然磁畴区域和背景磁畴区域，然后采用反向磁化的磁性探针a从自然磁畴区域拖拽磁畴壁进入背景磁畴区域进行磁畴运动，根据实验可知，直接翻转磁畴所需的临界磁场大小可估算为：而磁畴壁运动所需的临界磁场大小估算为：其中ku为各向异性常数，ms为饱和磁化强度，δ为磁畴壁宽度，a为磁性薄膜的晶格常数；显然δ》a，因此h
c2
《h
c1
。因此，拖曳磁畴壁所需的磁场更低，有利于降低器件的写入功耗，代替磁畴在背景磁畴区域内翻转，从而降低了磁性探针8的磁性强度，实现纳米磁性图案的构建。
[0047]
此外，本具体实施例的磁性探针的移动除借助计算机与探针悬臂控制移动外，磁
性探针的移动还能做成探针笔，手动在磁性薄膜上进行纳米磁性图案的构建。
[0048]
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。