Computersimulation der magnetischen Ordnungsbildung in FePd unter He+-Bestrahlung

Phasendiagramm Fe-Pt
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Ultrahohe Speicherdichten(> 1 Tbit.in-2) in magnetischen Festplatten erfordern den Übergang zu senkrecht zur Plattenebene stehenden Nanomagneten aus hoch anisotropen magnetischen Materialien wie FePt oder FePd. Aber nur in der L10-Überstruktur findet man diese magnetischen Eigenschaften. Das Fe-Pt-Phasendiagramm zeigt, dass FePt z.B. durch Abscheideverfahren in der Regel kristallin im fcc-Gitter, aber chemisch ungeordnet in der A1-Struktur synthetisiert wird. Dieser Zustand entspricht einer hohen Gleichgewichtstemperatur der A1-Struktur von über 1000°C. Die Enthalpiedifferenz für den Übergang in die L10-Überstruktur bei z.B 700°C ist klein. Deshalb ist der L10-Ordnungsprozess kinetisch gehemmt, es können extrem lange Temperzeiten erforderlich sein. Unsere experimentellen Partner haben entdeckt, dass Bestrahlung mit He+-Ionen die Temperzeit und -temperatur für die L10-Ordnung von FePd-Schichten sehr stark reduziert.
Mit Hilfe atomistischer Simulation wurde am FZD gefunden, dass He+-Bestrahlung Vakanzen erzeugt, die den Ordnungsprozeß beschleunigen. Der experimentelle Schichtaufbau ist oben gezeigt. Die hier wesentliche FePd-Schicht ist zwischen Pd-Schichten eingebettet. Ohne Bestrahlung ist der L10-Ordnungsprozeß durch die hohe Formierungsenergie von Vakanzen gehemmt, da diese die Kinetik bestimmen. Erzeugen Stöße beschleunigter He+-Ionen mit den Metallatomen die Vakanzen, so findet der L10-Ordnungsprozeß in guter Übereinstimmung mit den Experimenten bei deutlich niedrigen Temperaturen statt. In der kinetischen Monte-Carlo-Simulation mit experimentell bestimmten atomaren Energien haben sich die Palladiumatome (schwarze Quadrate) in (100)-Lagen geordnet (L10-Überstruktur, Abbildung rechts), wobei sich in der oben gewählten Darstellung Realisierungs-Varianten mit senkrechten und waagerechten Strichmustern sowie Schachbrettmuster ergeben. Simulation des L10-Ordnungsprozesses im System Fe/Pd unter He+-Bestrahlung
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L10-Übergang an Fe/Pd-Nanoteilchen unter He+-Bestrahlung
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Für neuartige Festplatten („perpendicular recording“) muß die starke magnetische Richtung senkrecht zur Plattenfläche sein, d.h. es darf nur eine L10-Ordnungsvariante vorkommen. Nach Ionenbstrahlung von FePd-Schichten wurde das erreicht. Computersimulationen auf der Basis der experimentellen Daten führten zum Verständnis der Variantenauswahl: Schon bei der Abscheidung von FePd kommt es zu einer kleinen Isotropiestörung der chemische Unordnung, was dann bei der L10-Überstrukturbildung eine Auswahl der Anisotropieachse senkrecht zur Oberfläche bewirkt (siehe Abbildung rechts unten).

In FePt-Nanopartikeln ist die He+-Bestrahlung weniger effektive da die Vakanzen schneller entweichen (siehe in Abb. unten eine Sequenz der Überstrukturbildung, willkürliche Monte-Carlo-Zeiteinheiten). Fluktuationen in den Nanoteilchen bewirken, dass bei langer Ausheilung/Bestrahlung überwiegend ein-Varianten-Teilchen entstehen, wobei sich Pd an der Oberfläche anreichert.