[科普中国]-垂直磁各向异性

当铁磁层非常薄的时候，原子中的轨道各向异性得体现，就有可能使得界面各向异性超过形状各向异性，从而实现了垂直磁各向异性。可以利用该性质应用于垂直磁各向异性磁性随机存储器。

基本原理着磁晶各向异性与轨道磁矩各向异性的联系非常密切，因而轨道各向异性显得特别重要。当磁性薄膜比较厚时，轨道磁矩几乎是各向同性的，因此由于材料的形状各向异性占主导而使材料表现出出面内磁各向异性。而当磁层很薄时，轨道各向异性就很大，使得薄膜易于产生垂直磁各向异性。在材料中两种相反的力作用于自旋磁矩，其中偶极场使自旋方向转向面内，而自旋轨道赖合则使自旋转向轨道磁矩（根据洪特第三法则），即垂直于膜面。

界面轨道磁矩的各向异性与铁磁层的磁晶各向异性是密切相关的。当铁磁层非常薄的时候，原子中的轨道各向异性得体现，就有可能使得界面各向异性超过形状各向异性，从而实现了垂直磁各向异性。1

垂直磁记录

图给出了垂直磁记录原理。垂直磁记录技术对磁记录的整体结构进行了改良。它的磁头采用"”型的单开头式样，磁头的S极跟N极借助一个额外的“软磁底层”进行发生作用，而不再直接发生作用。软磁层位于磁盘记录介质层下方，起中介辅助的作用，如此磁头的两磁极和软磁层构成了闭合的磁回路。磁力线变为垂直分布，一个磁极位于磁盘表面与记录介质相互作用，另一个磁极则位于记录介质层的深处与软磁底层交互。

这种结构产生了如下增益。第一，在更高的记录密度下有更小的退磁场，很好的热稳定性；第二，磁极读写头软磁底层的构成可以产生两倍于环状读写头的场，因此写入场是矫顽场的两倍；第三，可在更厚的垂直记录介质层中实现快速翻转；第四，垂直磁记录介质有很强的单轴取向（更高的信号和信噪比）。在记录时，硬盘写头按照时间脉冲将介质分成一个个记录位。在记录1时，写入电流经过记录位时将产生正向的磁场，记录位下方的磁介质单元就会被磁化成相应的正方向。反之亦然。随面密度提高，磁性品粒的长径比会逐渐变大，表面退磁因子会变小，从而退磁场会减小，有利于记录信息的稳定，这也是垂直磁记录完全取代纵向磁记录的根本原因。

垂直磁记录材料磁性材料，特别是对磁记录介质材料的研究，是实现硬盘存储最为重要的一环。目前的磁记录方式以垂直磁记录为核心，因而寻找垂直磁记录材料，是现在科研工作的当务之急。未来的垂直磁记录材料必须要满足如下条件：

1、高矩形比与适中的饱和磁化强度

高剩余磁化强度和饱和磁化强度的比值，是满足足够大的信噪比和读出信号的必然要求，当前要求材料的矩形比都要在以上。过高的饱和磁化强度会使读出信号的信噪比降低；低饱和磁化强度的材料，要得到大的读出信号，须相对较厚，这就对生长工艺提出了额外的要求，同时增加了写入信息的困难，并且这样做也不利于面密度的提高。

2、高矫顽力

矫顽力是磁矩翻转难易程度的标志，为了能在热扰动和杂散场的影响下使得记录数据保持稳定性，必须要有高矫顽力。

3、适中的居里温度

考虑到热辅助的垂直磁记录方式，磁性材料应该有适中的居里温度，因为若是磁性材料的居里点过高，那么在该技术适用温度下（如左右），矫顽力随温度的变化微弱，就达不到热辅助的效果；而若是磁性材料的居里点过低，会使其热稳定性差，硬盘在使用时会发热，则记录信息容品丢失。

4、磁性晶粒之间足够低的耦合

在磁记录介质的制备工艺中，若晶粒间过强的称合则会降低信噪比，并且在一个记录位进行写入信息时，还会影响到周围记录位信息。目前主要是通过在薄膜生长时掺入硼或二氧化陆等材料来实现磁性晶粒之间的足够低的称合，目的也是要提高信噪比。

5、直径分布均匀的、小的磁性晶粒

磁性品粒直径过大与不均匀都会导致信噪比降低；并且小的磁性粒子也是提高面密度的必然选择。除此以外，介质也必须有足够强的机械耐磨性、非常光滑平整的表面、良好的抗氧化能力和纵向结晶等等。

综上，磁记录技术对磁记录介质的要求极高，并且随着面密度的提高将会提出更多的要求。2

垂直磁各向异性磁性随机存储器

典型的自旋阀结构主要是由铁磁层、非磁性层（中间层）铁磁层（参考层）反铁磁层（钉扎层）构成。上表面保护层的作用主要是防止内部结构被氧化；底端缓冲层的作用一方面体现在诱导上层结构晶向的作用，另一方而还可以起到防止外界对自旋阀内部结构的影响。钉扎层是反铁磁材料构成的，它可以位于三明治结构的顶部或底部，并对与它相邻的铁磁层产生交换偏置，进而将相邻铁磁层的磁化方向钉扎在某一个特定方向上，在所加外场强度较小状态下并不会随外场的变化而翻转，故与反铁磁相邻的一层被称为被钉扎层。相对应的，未与反铁磁层相邻的一层为自由层，由于未受到交换偏置作用，而且与被钉扎层的耦合作用很小，因而其磁化方向更易于随外场而翻转，故而被称作自由层。自旋阀结构的基本工作原理如下，钉扎层与被钉扎层间有很强的称合作用，所以被钉扎层的磁矩方向被钉扎在一个方向很难改变，而被钉扎层与自由层之间由于非磁性中间层的隔离作用，耦合作用很小，因此自由层的磁矩很容易受外磁场作用发生改变。所以，外加磁场发生变化时，自由层与被钉扎层的磁矩方向就在平行与反平行两种状态之、变化，分别对应着低阻态和高阻态。同时值得注意的是，使自由层发生翻转所需的磁场由其各向异性场、被钉扎层的散磁场及层间截合相作用场共同决定。将自旋阀中的中间层材料换成绝缘体，就构成了磁性隧道结的结构。磁性隧道结的核心结构为即铁磁金属绝缘层铁磁金属。当电子穿过绝缘层壁时，其隧穿几率和自旋方向有关，故该效应即称之为磁性隧道结中的隧穿磁电阻效应，磁性隧道结比自旋阀结构有更高的磁电阻和信号输出屯压，因而在存储读操作中有非常重要的应用价值。

纳米结构的自旋阀或磁性隧道结器件是构成的核心存储单元。在的早期研究中，其核心存储单元自旋阀或隧道结器件中铁磁层的磁化方向通常是沿面内随着记录密度的不断提高，面内磁化的存储单元就出现了很多问题，限制密度进一步提高，具体原因如下：对于结构中的面内存储单元，尺寸若小到一定程度时，如果长宽比小于，器件边缘磁化将会出现涡旋效应，不利于信息的读写。若自旋阀或隧道结器件中的铁磁层是垂直磁各向异性的材料可以有效的解除这个问题，这种材料的磁化状态对于形状很不灵敏，且器件尺寸越小反而更有利于垂直方向磁化强度的稳定。另外，在基于自旋转矩效应由电流驱动的磁化翻转中，垂直材料拥有更低的临界翻转电流密度，以及较高的热稳定性，这些优异性能使垂直磁各向异性薄膜材料在高密度自旋转矩型中具有潜在的应用价值。2

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学