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JP7137837B2 - microwave sensor - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロ波センサに関し、より具体的には、スピントルクオシレータ(STO)が発するマイクロ波磁界を検出するためのマイクロ波センサに関する。 The present invention relates to microwave sensors, and more particularly to microwave sensors for detecting microwave magnetic fields emitted by spin torque oscillators (STO).

次世代のハードディスク用の磁気ヘッドには、マイクロ波アシスト書き込み方式が有望である。この方式は、記録媒体にマイクロ波を与え、磁性媒体上の記録ビットをより効率的に書き込むことを可能とする方法である(例えば、特許文献1)。このマイクロ波の発信源は、磁気ヘッドの中あるいはごく近傍に設置し、情報を書き込む記録ビットに局所的にマイクロ波を照射する必要がある。そのような要請から、マイクロ波アシスト書き込みに有望なマイクロ波発信源として、磁気抵抗素子におけるスピントルク発振を用いたスピントルクオシレータ(以下、STOと記す)が注目されている。 The microwave-assisted writing method is promising for magnetic heads for next-generation hard disks. This method is a method that applies microwaves to a recording medium to enable more efficient writing of recording bits on the magnetic medium (for example, Patent Document 1). The source of this microwave must be installed in or very close to the magnetic head to locally irradiate the microwave onto the recording bit where information is to be written. Due to such demands, a spin torque oscillator (hereinafter referred to as STO) using spin torque oscillation in a magnetoresistive element attracts attention as a promising microwave transmission source for microwave assisted writing.

STOは有望なマイクロ波源として着目されているが、本当に局所的なマイクロ波(マイクロ波磁界)が出ているのかどうかを簡便に測定する手法が無いことが問題となっている。そのマイクロ波磁界を検出することの困難さは、STO素子自体の大きさが極小(せいぜい数100nm径)であること、STOから発生するマイクロ波磁界の空間的広がりも同程度の大きさであること、さらに、マイクロ波磁界は磁界発生源からの距離に対して距離の3乗で減衰することから生じている。このため、STOから生成されるマイクロ波磁界を検出できる極小のセンサ、およびそのセンサに対応した測定方法が求められている。 The STO is attracting attention as a promising microwave source, but there is a problem that there is no simple method for measuring whether or not a local microwave (microwave magnetic field) is really emitted. The difficulty in detecting the microwave magnetic field is that the size of the STO element itself is extremely small (a few hundred nanometers in diameter at most), and the spatial spread of the microwave magnetic field generated from the STO is about the same size. In addition, microwave magnetic fields arise from the attenuation of the distance from the source of the magnetic field with the cube of the distance. Therefore, a very small sensor capable of detecting the microwave magnetic field generated from the STO and a measurement method corresponding to the sensor are required.

特許文献2は、マイクロ波アシスト磁気ヘッドにより生成される面内高周波磁界の測定装置を開示する。その測定装置では、マイクロ波アシスト磁気ヘッド内に装備されたSTOへバイアス電流を流すことにより発生する面内高周波磁界をトンネル磁気抵抗(TMR)素子を有する磁気センサで測定する。しかし、特許文献2の測定装置は、STOが発するマイクロ波(マイクロ波磁界)を直接的に検出するマイクロ波センサを提供するものでもない。 Patent Document 2 discloses a measuring device for an in-plane high-frequency magnetic field generated by a microwave-assisted magnetic head. In this measuring device, a magnetic sensor having a tunnel magnetoresistive (TMR) element measures an in-plane high-frequency magnetic field generated by applying a bias current to an STO provided in a microwave-assisted magnetic head. However, the measuring device of Patent Document 2 does not provide a microwave sensor that directly detects microwaves (microwave magnetic field) emitted by the STO.

特開2017-224376号公報JP 2017-224376 A 米国特許出願公開US2017/0301162United States Patent Application Publication US2017/0301162

本発明の目的は、マイクロ波アシスト磁気ヘッド用のSTOが発するマイクロ波(マイクロ波磁界)を検出するための小型のマイクロ波センサを提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a compact microwave sensor for detecting microwaves (microwave magnetic field) emitted from an STO for a microwave assisted magnetic head.

本発明は、STOが発するマイクロ波磁界を検出するマイクロ波センサを提供する。そのマイクロ波センサは、交差する非磁性体からなる2つの信号線と、2つの信号線の交差点に接合し、各辺は略100nm以下の長さを有し、幅は長さよりも長い直方体形状の磁性体と、を備える。マイクロ波を発するSTOの表面を直方体形状の磁性体の表面から略10nm以下の間隔を空けて対向させた状態で、信号線の一方の長さ向に電流を流した時に得られる信号線の他方の幅方向の電圧信号からマイクロ波磁界を検出する。 The present invention provides a microwave sensor for detecting the microwave magnetic field emitted by the STO. The microwave sensor has two intersecting signal lines made of a nonmagnetic material and a rectangular parallelepiped shape joined to the intersection of the two signal lines, each side having a length of approximately 100 nm or less, and a width longer than the length. and a magnetic body of The other of the signal lines obtained when the surface of the STO that emits microwaves is opposed to the surface of the rectangular parallelepiped magnetic material with a gap of approximately 10 nm or less, and a current is caused to flow along one of the signal lines. The microwave magnetic field is detected from the voltage signal in the width direction of the .

本発明のマイクロ波センサによれば、STOと同程度の小さなサイズを有し、STOが発するマイクロ波と干渉することなく、STOの近傍においてマイクロ波磁界(局所磁界)を検出することが可能となる。 According to the microwave sensor of the present invention, it is possible to detect a microwave magnetic field (local magnetic field) in the vicinity of the STO without interfering with the microwaves emitted by the STO, which is as small as the STO. Become.

本発明の一実施形態のマイクロ波センサの適用対象となるマイクロ波アシスト磁気記録を説明するための模式図である。1 is a schematic diagram for explaining microwave-assisted magnetic recording to which the microwave sensor of one embodiment of the present invention is applied; FIG. 本発明の一実施形態のマイクロ波センサの基本構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the basic configuration of a microwave sensor according to one embodiment of the present invention; FIG. 本発明の一実施形態のマイクロ波センサとSTOの配置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the arrangement|positioning of the microwave sensor of one Embodiment of this invention, and STO. 本発明の一実施形態のSTOの磁界発生動作を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the magnetic field generating operation of the STO of one embodiment of the present invention; 本発明の一実施例のマイクロ波センサの異常ホール電圧の変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing changes in abnormal Hall voltage of the microwave sensor of one embodiment of the present invention; 本発明の一実施例のマイクロ波センサの異常ホール電圧の変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing changes in abnormal Hall voltage of the microwave sensor of one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態のSTOのマイクロ波磁界の周波数とマイクロ波センサの測定電圧の周波数との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the frequency of the microwave magnetic field of the STO and the frequency of the measured voltage of the microwave sensor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態のSTOのマイクロ波磁界の振幅とマイクロ波センサの測定電圧の振幅との関係を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the amplitude of the microwave magnetic field of the STO and the amplitude of the measured voltage of the microwave sensor according to one embodiment of the present invention; 本発明の一実施形態のマイクロ波センサの長さと測定電圧の振幅の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the length of the microwave sensor of one Embodiment of this invention, and the amplitude of a measured voltage.

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態のマイクロ波センサの適用対象となるマイクロ波アシスト磁気記録を説明するための模式図である。マイクロ波アシスト磁気記録では、記録層1の各記録ビット2の磁化の向き3をライトポール4が発するスイッチング磁場5によって反転させて書き込みを行う。その際に、STO6が発するマイクロ波磁界(局所磁界)7を記録層1に印加して、記録ビット2の磁化の歳差運動を励起して、ライトポール4による垂直方向での磁化反転をアシストする。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic diagram for explaining microwave-assisted magnetic recording to which the microwave sensor of one embodiment of the present invention is applied. In the microwave-assisted magnetic recording, the magnetization direction 3 of each recording bit 2 of the recording layer 1 is reversed by the switching magnetic field 5 generated by the write pole 4 to perform writing. At this time, a microwave magnetic field (local magnetic field) 7 generated by the STO 6 is applied to the recording layer 1 to excite the precession of the magnetization of the recording bit 2 and assist the magnetization reversal in the perpendicular direction by the light pole 4. do.

この場合、記録ビットサイズSは約15nm以下であり、直径Rが約30nm以下のSTOを記録層1の表面から約10nm以下の近傍に配置する必要がある。本発明のマイクロ波センサは、図1にイメージされるようなマイクロ波アシスト磁気記録において利用されるSTOが発生するマイクロ波磁界(局所磁界)を検出する。 In this case, the recording bit size S is approximately 15 nm or less, and the STO having a diameter R of approximately 30 nm or less must be arranged at a distance of approximately 10 nm or less from the surface of the recording layer 1 . The microwave sensor of the present invention detects a microwave magnetic field (local magnetic field) generated by STO used in microwave assisted magnetic recording as imaged in FIG.

図2は、本発明の一実施形態のマイクロ波センサの基本構成を示す模式図である。マイクロ波センサ10は、交差する非磁性体からなる2つの信号線11、12と、2つの信号線11、12の交差点に接合し、各辺W、l、dFが約100nm以下の長さを有し、幅Wは長さlよりも長い直方体形状の磁性体13とを備える。磁性体13は、概ね100nm角以下であり、測定対象のSTOと同程度の小さいサイズを有する。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the basic configuration of a microwave sensor according to one embodiment of the present invention. The microwave sensor 10 is joined to two signal lines 11 and 12 made of a non-magnetic material that intersect and the intersection of the two signal lines 11 and 12, and each side W, l, and d has a length of about 100 nm or less. and a rectangular parallelepiped magnetic body 13 having a width W longer than the length l. The magnetic body 13 is approximately 100 nm square or less, and has a size as small as the STO to be measured.

マイクロ波センサ10は、平面構造を有し、磁性体13の表面から約10nm以下の近傍の位置までSTOを接近させやすい構造となっている。磁性体13の表面から伸びる矢印14は磁化(磁化ベクトル)の向きを意味し、θは垂直方向からの磁化の最初の傾き角度を意味している。 The microwave sensor 10 has a planar structure, and has a structure in which the STO can be easily approached from the surface of the magnetic body 13 to a position in the vicinity of about 10 nm or less. An arrow 14 extending from the surface of the magnetic body 13 means the direction of magnetization (magnetization vector), and θ means the initial inclination angle of the magnetization from the vertical direction.

非磁性体からなる2つの信号線11、12は、例えばCu、Pt、Pd、Ta、Wなどを含む金属や合金を用いることができる。磁性体13は、Fe、Co、Niの何れか1つあるいは複数を含む強磁性の金属や合金、例えばCo-Fe-B、Fe-Co、Fe-Ni、Co-Fe-Ni、あるいはそれらに他の元素を添加した合金や金属間化合物、例えばFe-Pt、Fe-Pd、Co-Pt、Co-Pd、ホイスラー合金などを用いることができる。 For the two signal lines 11 and 12 made of non-magnetic material, metals or alloys containing Cu, Pt, Pd, Ta, W, etc. can be used. The magnetic body 13 is a ferromagnetic metal or alloy containing one or more of Fe, Co, and Ni, such as Co--Fe--B, Fe--Co, Fe--Ni, Co--Fe--Ni, or any of them. Alloys or intermetallic compounds to which other elements are added, such as Fe--Pt, Fe--Pd, Co--Pt, Co--Pd, Heusler alloys, etc. can be used.

図2のマイクロ波センサ10において、信号線11に電流ILを流した時に異常ホール効果によって直交する信号線12に電圧Vが発生する。その異常ホール効果による異常ホール電圧信号(以下、単に電圧信号と呼ぶ)V(θ)は下記の式(1)で与えられる。

Figure 0007137837000001
ただし、θ:磁性体13の磁化の最初の傾き角度、θAHE:異常ホール角、ρN:信号線11、12の非磁性体の抵抗率、ρF:磁性体13の抵抗率、dN:信号線11、12の厚さ、dF:磁性体13の厚さ、IL:信号線11に流す電流である。 In the microwave sensor 10 shown in FIG. 2, when a current IL is passed through the signal line 11, a voltage V is generated in the orthogonal signal line 12 due to the anomalous Hall effect. An anomalous Hall voltage signal (hereinafter referred to simply as a voltage signal) V(θ) due to the anomalous Hall effect is given by the following equation (1).
Figure 0007137837000001
where θ: the initial inclination angle of the magnetization of the magnetic body 13, θ AHE : anomalous Hall angle, ρ N : the resistivity of the non-magnetic material of the signal lines 11 and 12, ρ F : the resistivity of the magnetic body 13, d N : thickness of the signal lines 11 and 12 d F : thickness of the magnetic material 13 I L : current flowing through the signal line 11 .

マイクロ波センサ10の磁性体13の表面にSTOを近接させるとSTOが発するマイクロ波磁界によって電圧信号V(θ)が変化する。式(1)で言うと、磁性体13の磁化の傾き角度θが変化(振動)してV(θ)の振動状態が変化する。言い換えれば、STOが発するマイクロ波磁界の振幅電圧と周波数に応じてマイクロ波センサ10の電圧信号V(θ)の振幅電圧と周波数が変化する。マイクロ波センサ10は、測定される電圧信号V(θ)の振幅電圧と周波数からSTOが発するマイクロ波磁界の振幅電圧と周波数を推定する。 When the STO is brought close to the surface of the magnetic body 13 of the microwave sensor 10, the voltage signal V(θ) changes due to the microwave magnetic field generated by the STO. In expression (1), the tilt angle θ of the magnetization of the magnetic body 13 changes (oscillates), and the vibration state of V(θ) changes. In other words, the amplitude voltage and frequency of the voltage signal V(θ) of the microwave sensor 10 change according to the amplitude voltage and frequency of the microwave magnetic field generated by the STO. The microwave sensor 10 estimates the amplitude voltage and frequency of the microwave magnetic field emitted by the STO from the measured amplitude voltage and frequency of the voltage signal V(θ).

図3~図10を参照しながらマイクロ波センサ10における式(1)の電圧信号V(θ)によってSTOが発するマイクロ波磁界が検出できること、具体的には、電圧信号V(θ)の振幅電圧と周波数からSTOが発するマイクロ波磁界の振幅電圧と周波数を推定する方法について説明する。まず、図3、図4に示すようにマイクロ波センサ10とSTO6の各パラメータ値を設定する。すなわち、

・信号線11、12の厚さdN:3nm、材料:Cu
・信号線11に流す電流IL:0.15mA
・磁性体13の幅W:100nm、長さl:50nm、厚さdF:20nm
・磁性体13の材料:CoPt
・STO6の直径:20nm、厚さdSTO:3nm
・STO6の磁化M:1500emu/c.c.
・磁性体13の上面とSTO6の下面の間隔z:5nm

と設定する。
3 to 10, the microwave magnetic field generated by the STO can be detected by the voltage signal V(θ) of equation (1) in the microwave sensor 10. Specifically, the amplitude voltage of the voltage signal V(θ) A method for estimating the amplitude voltage and frequency of the microwave magnetic field emitted by the STO from the frequency and frequency will be described. First, parameter values of the microwave sensor 10 and the STO 6 are set as shown in FIGS. i.e.

・Thickness d N of signal lines 11 and 12: 3 nm, material: Cu
・Current I L applied to signal line 11: 0.15 mA
・Width W of magnetic body 13: 100 nm, length l: 50 nm, thickness d F : 20 nm
・Material of the magnetic body 13: CoPt
・Diameter of STO 6: 20 nm, thickness d STO : 3 nm
- Magnetization M of STO6: 1500 emu/c. c.
・Gap z between the upper surface of the magnetic body 13 and the lower surface of the STO 6: 5 nm

and set.

下記の式(2)、(3)によってSTO6がマイクロ波センサ10の磁性体13(計算例ではCoPt)の直上(計算例ではSTO6の下面から5nm離れた位置)に作るダイポール磁場(マイクロ波磁界)が計算できる。

Figure 0007137837000002
Figure 0007137837000003
ここで、MSTOは図4のMと同じであり、rはSTO6の半径(20nm)を意味し、ψは歳差運動(回転運動)しているSTO6の傾き角度で、ここでは85度、すなわちSTO6の磁化は面内(真横方向)から5度傾いて歳差運動していると仮定している。これらの値を式(2)、(3)に代入して計算すると、図4に示すSTO6によって作られるダイポール磁場のHac=605Oe、Hdc=106Oeという値が得られる。 Dipole magnetic field (microwave magnetic field ) can be calculated.
Figure 0007137837000002
Figure 0007137837000003
Here, M STO is the same as M in FIG. 4, r means the radius of STO 6 (20 nm), ψ is the tilt angle of STO 6 that is precessing (rotating), here 85 degrees, That is, it is assumed that the magnetization of the STO 6 is tilted by 5 degrees from the in-plane (right lateral direction) and is precessing. By substituting these values into equations (2) and (3) and calculating, values of Hac=605 Oe and Hdc=106 Oe of the dipole magnetic field produced by the STO 6 shown in FIG. 4 are obtained.

また、STO6の磁化の歳差運動の周波数fは下記の式(4)で与えられる。

Figure 0007137837000004
ここで、γは磁気回転比と呼ばれる量で、磁性体の材料にあまり依存せず約1.764×107rad/(Oe s)という値を持つ。またNSTO,zは反磁場係数と呼ばれる磁性体の形状を特徴付ける量で、STO6の形状で決まる。図3の半径r=20nm、厚さdSTOが3nmの円柱形状では約0.833という値を持つ。これらの値を式(4)に代入して計算すると図4に示すSTO6の磁化の歳差運動の周波数f=3.46GHzが得られる。 Also, the frequency f of the magnetization precession of the STO 6 is given by the following equation (4).
Figure 0007137837000004
Here, γ is a quantity called a gyromagnetic ratio, and has a value of about 1.764×10 7 rad/(Oes), which does not depend much on the magnetic material. N STO,z is a quantity that characterizes the shape of the magnetic material, called a demagnetizing coefficient, and is determined by the shape of STO 6 . The cylindrical shape of FIG. 3 with a radius r=20 nm and a thickness d STO of 3 nm has a value of about 0.833. By substituting these values into the equation (4) and calculating, the precession frequency f=3.46 GHz of the magnetization of the STO 6 shown in FIG. 4 is obtained.

上述したSTO6が作るダイポール磁場(マイクロ波磁界)を考慮した上でマイクロ波センサ10の磁性体(CoPt)の磁化のダイナミクスを計算する。具体的には、下記の式(5)で表される磁化のランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式(LLG方程式)の数値シミュレーションを行う。

Figure 0007137837000005
ここで、mは検出器の磁化方向の単位ベクトルである。αはダンピング定数と呼ばれ、磁性体では約0.01程度の大きさである(シミュレーションでは0.01としている)。 The magnetization dynamics of the magnetic material (CoPt) of the microwave sensor 10 is calculated in consideration of the dipole magnetic field (microwave magnetic field) generated by the STO 6 described above. Specifically, a numerical simulation of the Landau-Lifschitz-Gilbert equation (LLG equation) of magnetization represented by the following equation (5) is performed.
Figure 0007137837000005
where m is the unit vector of the magnetization direction of the detector. α is called a damping constant, and is about 0.01 in a magnetic material (it is 0.01 in the simulation).

Hはマイクロ波センサ10の磁性体(CoPt)の磁化に働く磁場で、下記の式(6)で与えられる。

Figure 0007137837000006

ここで、mx、my、mzは、m=(mx、my、mz)のようにベクトルmの成分を表している。またNx、Ny、Nzは、マイクロ波センサ10の磁性体の反磁場係数で、計算例(図3)で設定した長さl(x方向50nm)、幅W(y方向100nm)、厚さdF(z方向20nm)の場合は、Nx=0.26、Ny=0.13、Nz=0.61となる。HKは垂直異方性磁場と呼ばれ、シミュレーションでは1.0×104Oeとしている。 H is a magnetic field that acts on the magnetization of the magnetic material (CoPt) of the microwave sensor 10 and is given by the following equation (6).
Figure 0007137837000006

Here, mx, my, mz represent the components of vector m such that m=(mx, my, mz). Nx, Ny, and Nz are demagnetizing coefficients of the magnetic material of the microwave sensor 10, and the length l (50 nm in the x direction), the width W (100 nm in the y direction), and the thickness d set in the calculation example (FIG. 3) For F (20 nm in the z direction), Nx=0.26, Ny=0.13, and Nz=0.61. H K is called a perpendicular anisotropic magnetic field, and is set to 1.0×10 4 Oe in the simulation.

上記の磁場Hの式(6)中に上述したSTO6が作るダイポール磁場(マイクロ波磁界)のHdc、Hacおよび周波数fが入っている点が重要である。これはSTO6の磁性体が外部に作る磁場がマイクロ波センサ10の磁性体に届いているために発生することを示しているからである。この磁場Hdc、acおよび周波数fの存在下で起こるマイクロ波センサ10の磁性体の磁化が運動するために、その運動を測定すればSTO6からの磁場と周波数(Hdc、Hac、f)を見積もる(推定する)ことができる。 It is important that the above equation (6) for the magnetic field H includes H dc , H ac and the frequency f of the dipole magnetic field (microwave magnetic field) produced by the STO 6 described above. This is because the magnetic field generated by the magnetic material of the STO 6 reaches the magnetic material of the microwave sensor 10 . Since the magnetization of the magnetic material of the microwave sensor 10 that occurs in the presence of this magnetic field H dc , H ac and frequency f moves, if the movement is measured, the magnetic field from the STO 6 and the frequency (H dc , H ac , f ) can be estimated (estimated).

本発明では、図2を参照しながら説明したように、マイクロ波センサ10の異常ホール効果を利用してSTO6からの磁場を検出する。異常ホール効果は、ホール電圧がマイクロ波センサ10の磁性体13の磁化の向きに依存する現象で、具体的には上記した式(6)のmzの値に依存する。mz=cosθと書き直して磁性体13の磁化の垂直方向からの傾き角度θを定義すると、電圧信号V(θ)は上記した式(1)で与えられる。 In the present invention, as described with reference to FIG. 2, the anomalous Hall effect of microwave sensor 10 is used to detect the magnetic field from STO 6 . The anomalous Hall effect is a phenomenon in which the Hall voltage depends on the direction of magnetization of the magnetic material 13 of the microwave sensor 10, specifically on the value of mz in the above equation (6). Rewriting m z =cos θ to define the tilt angle θ of the magnetization of the magnetic body 13 from the perpendicular direction, the voltage signal V(θ) is given by the above equation (1).

式(1)のcosθ(=mz)に、式(5)のLLG方程式をシミュレーションして得られた解を代入すると、図5に示す電圧信号V(μV)の振動のグラフを得ることができる。図5から電圧信号Vの振動の大きさ(振幅)は40nV程度であり検出可能であることがわかる。図5の計算結果では40nVの電圧信号Vを得ることができる。 By substituting the solution obtained by simulating the LLG equation of equation (5) for cos θ (=m z ) of equation (1), the graph of the oscillation of voltage signal V (μV) shown in FIG. 5 can be obtained. can. From FIG. 5, it can be seen that the magnitude (amplitude) of vibration of the voltage signal V is about 40 nV and can be detected. A voltage signal V of 40 nV can be obtained from the calculation result of FIG.

さらに、その電圧振動の大きさ(振幅)を大きくして感度を高めるには、異常ホール効果を高めるために磁性体13により多くの電流が流れるようにする必要がある。そのために、非磁性体の信号線11、12にCuよりも抵抗率ρNの大きいタンタル(Ta)を用いることができる。その場合の電圧信号(θ)の計算結果を図6に示す。電圧信号Vは10倍の400nV程度まで大きくなり、検出感度を大幅に向上させることができる。なお、Taは一例であって、他のCuよりも抵抗率ρNの大きい例えばPt、Pd等の非磁性材料を用いることもできる。 Furthermore, in order to increase the magnitude (amplitude) of the voltage oscillation to increase the sensitivity, it is necessary to allow more current to flow through the magnetic body 13 in order to increase the anomalous Hall effect. For this reason, tantalum (Ta), which has a higher resistivity ρ N than Cu, can be used for the non-magnetic signal lines 11 and 12 . FIG. 6 shows the calculation result of the voltage signal (θ) in that case. The voltage signal V increases tenfold to about 400 nV, and the detection sensitivity can be greatly improved. Note that Ta is only an example, and other non-magnetic materials such as Pt and Pd, which have a higher resistivity ρ N than Cu, can also be used.

STO6の磁化Mを1000Oeから1500Oeに変えながら式(1)のcosθ(=mz)に、式(5)のLLG方程式をシミュレーションして得られた解を代入して、図7のSTOの発振周波数と電圧信号Vの周波数との関係を示すグラフと、図8のSTOのマクロ波磁場Hacと電圧信号Vの振動幅との関係を示すグラフを求めた。図7のほぼ線形なグラフは、STO6の磁化16が周波数fで振動する場合、マイクロ波センサ10の磁性体13の磁化14は図中の三日月形の振動軌跡で約2倍の周波数2fで振動することを示している。したがって、マイクロ波センサ10の電圧信号Vの周波数f1を検出することにより、その約半分(0.5f1)がSTO13のマイクロ波磁界の周波数であると見積もることができる。 While changing the magnetization M of STO 6 from 1000 Oe to 1500 Oe, substituting the solution obtained by simulating the LLG equation of Equation (5) into cos θ (=m z ) of Equation (1), the oscillation of STO in FIG. A graph showing the relationship between the frequency and the frequency of the voltage signal V and a graph showing the relationship between the STO microwave magnetic field H ac and the amplitude of the voltage signal V in FIG. 8 were obtained. 7 shows that when the magnetization 16 of the STO 6 oscillates at frequency f, the magnetization 14 of the magnetic body 13 of the microwave sensor 10 oscillates at a frequency 2f, which is about twice the crescent-shaped oscillation trajectory in the figure. indicates that Therefore, by detecting the frequency f1 of the voltage signal V of the microwave sensor 10, it can be estimated that about half (0.5f1) of it is the frequency of the microwave magnetic field of the STO13.

図8のグラフからマイクロ波センサ10の電圧信号Vの振動幅(振幅)から対応するSTOのマクロ波磁場Hacを得ることができる。したがって、マイクロ波センサ10の電圧信号Vの振動幅(振幅)を検出することによりSTOのマクロ波磁場Hacを見積もることができる。 From the graph of FIG. 8, the corresponding STO microwave magnetic field H ac can be obtained from the oscillation width (amplitude) of the voltage signal V of the microwave sensor 10 . Therefore, by detecting the oscillation width (amplitude) of the voltage signal V of the microwave sensor 10, the STO microwave magnetic field H ac can be estimated.

図7のマイクロ波センサ10の磁性体13の磁化14の三日月形の周波数2fの振動は、図3に示したように磁性体13の幅Wと長さlをそれぞれ100nm、50nmというように違う値にしていることから生じている。すなわち、この幅Wと長さlの差が図2の磁性体13の磁化14のθが一定でない運動(振動)を生じさせている。図9に磁性体13の長さlを10~100nmの範囲で変えた場合のマイクロ波センサ10の電圧信号Vの振動幅(振幅)の変化を示す。 The vibration of the crescent shape frequency 2f of the magnetization 14 of the magnetic body 13 of the microwave sensor 10 of FIG. It comes from making value. That is, the difference between the width W and the length l causes motion (vibration) in which θ of the magnetization 14 of the magnetic body 13 in FIG. 2 is not constant. FIG. 9 shows changes in the oscillation width (amplitude) of the voltage signal V of the microwave sensor 10 when the length l of the magnetic body 13 is changed in the range of 10 to 100 nm.

磁性体13の長さlを10nmから徐々に大きくすると、垂直方向の形状異方性磁場(半磁場)が大きくなって正味の垂直異方性が減ることで磁化14が振動しやすくなる。その結果、電圧信号Vの振動幅(振幅)が上昇し、長さlが約60nmで最大となる。60nm以降では、長さl方向と幅w方向の形状異方性が同じようになり、磁性体13の磁化14の歳差(回転)軌道が三日月形から円に近付く(磁化の傾き角度θが一定になる)ので、異常ホール効果による電圧から振動成分が消えてしまう。その結果、図のように電圧信号Vの振動幅(振幅)が小さくなっていく。したがって、磁性体13の幅Wと長さlの比(W:l)が5:3の関係にある場合に電圧信号Vが最大となる。なお、磁性体13の長さlを10~100nmの範囲で変えた場合でも図7のSTOの発振周波数と電圧信号Vの周波数との関係は変化せず、電圧信号の周波数はマイクロ波磁界の周波数の約2倍である。 As the length l of the magnetic body 13 is gradually increased from 10 nm, the perpendicular shape anisotropy magnetic field (half magnetic field) increases and the net perpendicular anisotropy decreases, thereby facilitating oscillation of the magnetization 14 . As a result, the oscillation width (amplitude) of the voltage signal V increases and reaches a maximum when the length l is approximately 60 nm. After 60 nm, the shape anisotropy in the length l direction and the width w direction becomes the same, and the precession (rotation) orbit of the magnetization 14 of the magnetic body 13 changes from a crescent shape to a circle (the magnetization inclination angle θ is constant), the oscillatory component disappears from the voltage due to the anomalous Hall effect. As a result, the oscillation width (amplitude) of the voltage signal V becomes smaller as shown in the figure. Therefore, the voltage signal V becomes maximum when the ratio (W:l) of the width W to the length l of the magnetic body 13 is in a relationship of 5:3. Note that even when the length l of the magnetic body 13 is changed in the range of 10 to 100 nm, the relationship between the oscillation frequency of the STO and the frequency of the voltage signal V in FIG. about twice the frequency.

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。 Embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings. However, the invention is not limited to these embodiments. Furthermore, the present invention can be implemented with various improvements, modifications, and variations based on the knowledge of those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

本発明のマイクロ波センサは、マイクロ波アシスト磁気ヘッド用のSTOのようなマイクロ波磁界を発生する微小なデバイスの近傍においてそのマイクロ波磁界を検出できる小型のマイクロ波センサとして幅広く利用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The microwave sensor of the present invention can be widely used as a compact microwave sensor capable of detecting a microwave magnetic field in the vicinity of a minute device that generates a microwave magnetic field such as an STO for a microwave assisted magnetic head. .

1 記録層
2 記録ビット
3、14、16 磁化(磁化ベクトル)の向き
4 ライトポール
5 スイッチング磁場
6 スピントルクオシレータ(STO)
7 マイクロ波磁界(局所磁界)
10 マイクロ波センサ
11、12 信号線
13 磁性体
REFERENCE SIGNS LIST 1 recording layer 2 recording bit 3, 14, 16 orientation of magnetization (magnetization vector) 4 light pole 5 switching magnetic field 6 spin torque oscillator (STO)
7 Microwave magnetic field (local magnetic field)
10 microwave sensor 11, 12 signal line 13 magnetic body

Claims (5)

スピントルク発振器(STO)が発するマイクロ波磁界を検出するマイクロ波センサであって、
交差する非磁性体からなる2つの信号線と、
前記2つの信号線の交差点に接合し、各辺は略100nm以下の長さを有し、幅は長さよりも長い直方体形状の磁性体と、を備え、
マイクロ波を発する前記STOの表面を前記直方体形状の磁性体の表面に近接して対向させた状態で、前記信号線の一方の前記長さ向に電流を流した時に得られる前記信号線の他方の前記幅方向の電圧信号から前記マイクロ波磁界を検出可能であり
前記電圧信号V(θ)は、下記の式、
Figure 0007137837000007
ただし、θ:前記磁性体の磁化の最初の傾き角度、θ AHE :異常ホール角、ρ N :前記信号線の非磁性体の抵抗率、ρ F :前記磁性体の抵抗率、d N :前記信号線の厚さ、d F :前記磁性体の厚さ、I L :前記信号線の一方に流す電流、
で与えられる、マイクロ波センサ。
A microwave sensor that detects a microwave magnetic field emitted by a spin torque oscillator (STO),
two intersecting signal lines made of a non-magnetic material;
a rectangular parallelepiped magnetic body joined to the intersection of the two signal lines, each side having a length of approximately 100 nm or less, and a width longer than the length;
the surface of the STO that emits microwaves is closely opposed to the surface of the rectangular parallelepiped magnetic body, and the signal line obtained when a current is caused to flow in one of the longitudinal directions of the signal line; the microwave magnetic field can be detected from the other voltage signal in the width direction;
The voltage signal V(θ) is obtained by the following formula:
Figure 0007137837000007
where θ: the initial inclination angle of the magnetization of the magnetic material, θ AHE : the anomalous Hall angle, ρ N : the resistivity of the non-magnetic material of the signal line, ρ F : the resistivity of the magnetic material, and d N : the above thickness of the signal line, d F : thickness of the magnetic material, IL : current flowing through one of the signal lines,
A microwave sensor , given by
前記磁性体の幅wと長さlの比(w:l)が5:3の関係にある、請求項1に記載のマイクロ波センサ。 2. The microwave sensor according to claim 1, wherein the ratio (w:l) of the width w to the length l of said magnetic body is 5:3. 前記電圧信号の周波数は前記マイクロ波磁界の周波数の2倍である、請求項1または2に記載のマイクロ波センサ。 3. The microwave sensor of claim 1 or 2 , wherein the frequency of said voltage signal is twice the frequency of said microwave magnetic field. 前記電圧信号V(θ)の振動幅(μV)と前記STOのマイクロ波磁場(Oe)とは、図8のグラフに示される関係を有する、請求項1~3のいずれか1項に記載のマイクロ波センサ。The amplitude (μV) of the voltage signal V(θ) and the microwave magnetic field (Oe) of the STO according to any one of claims 1 to 3, having a relationship shown in the graph of FIG. microwave sensor. 前記非磁性体はCuまたはTaを含み、前記磁性体はCoPtを含む、請求項1~4のいずれか1項に記載のマイクロ波センサ。The microwave sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the non-magnetic material contains Cu or Ta, and the magnetic material contains CoPt.
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