FePt-Nanopartikel für die magnetische Datenspeicherung > 10 Tbit/inch2

Für die zukünftige magnetische Datenspeicherung werden als Speichermedien magnetische Schichten benötigt, die aus nur wenige Nanometer großen, magnetisch hochanisotropen Per-manent-magneten bestehen. In solchen Nanomagneten soll durch das Einprägen einer Magnetisierungsrichtung jeweils ein Bit gespeichert werden. Die Nanomagnete müssen dazu regelmäßig angeordnet und magnetisch texturiert sein.  
Für den Einsatz in zukünftigen magnetischen Speichermedien muss der Magnetwerkstoff sowohl hinsichtlich seiner extrinsischen Eigenschaften (wie z.B. Gestalt, Anordnung etc.) als auch hinsichtlich seiner intrinsischen Eigenschaften folgende Anforderungen erfüllen.

Anforderungen an die Mikrostruktur (extrinsische Eigenschaften)

Zur Erreichung maximaler Speicherdichten muss das Speichermedium aus monodispersen, kleinstmöglichen, hinreichend von einander entkoppelten Permanentmagneten bestehen, die zur Adressierbarkeit bei Schreib- und Lesevorgängen periodisch auf einer Unterlage angeordnet sind. Dies kann durch regelmäßig angeordnete Magnetpartikel ("Par-ticular Media") oder durch nanostrukturierte magnetische Schichten ("Patterned Media") erreicht werden. Die (laterale) Größe der so erzeugten Magnete muss deutlich unterhalb von 10 nm liegen. Des Weiteren müssen die leichten Achsen der Magnetisierung aller Speicherzellen senkrecht zur Unterlage ausgerichtet, d.h. magnetisch texturiert sein ("Perpendicular Recording").

Anforderungen an den Magnetwerkstoff (intrinsische Eigenschaften)

Um zu vermeiden, dass die Magnetisierungsrichtung in Materialien mit Abmessungen im Nanometerbereich durch thermische Aktivierung destabilisiert wird ("Superparamagnetisches Limit")  müssen Magnete mit größtmöglicher magnetischer Anisotropie eingesetzt werden. Neben einigen Selten-Erd-Verbindungen, die jedoch wegen ihrer hohen Oxidationsneigung für diese Anwendungen ausscheiden, sind L10-Phasen binärer intermetallischer Legierungen mit Pt oder Pd die Materialien mit den höchsten bekannten magnetokristallinen Anisotropieenergiedichten. International wird daher L10-FePt klar favorisiert.

Die FePt-Nanopartikel müssen die folgenden Anforderungen  gleichzeitig erfüllen:

  • Durchmesser ca. 5 nm
  • monodispers
  • L10-geordnet (chemische Ordnung der Fe- und Pt-Lagen)
  • magnetisch texturiert (c-Achsen orientiert)
  • periodisch angeordnet

 

 

Abbildung 1: Bragg-Brentano (links) und  Grazing-incidence-diffraction (GID, rechts) Spektren für eine bei Raumtemperatur sputter-deponierte FePt-Schicht (Schichtdicke: 148 nm, Substrat SiO2/Si). Die Spektren sind der Klarheit halber gegeneinander verschoben. Nach der Deposition (blau) liegt die chemisch ungeordnete fcc-Phase vor. Nach einem Temperschritt (30 min, 400°C) hat eine A1 -  L10 Phasentransformation stattgefunden (rot). Die GID-Messungen wurden an der Rossendorf Beamline in Grenoble durchgeführt. Abbildung 2: TEM-Aufnahme zweier ikosaedrischer FePt-Nano-partikel vor (a) und nach (b) 5 keV He-Ionenbestrahlung bei Raumtemperatur (Ionendosis: 3x1017 Ionen/cm2). Der Inset in zeigt die Fourier-Transformation des linken Bildes. Nach der Ionenbestrahlung sind die viel-fach verzwillingten Strukturen in fcc-Einkristalle transformiert worden.

 

Zurzeit jedoch können diese Materialanforderungen immer nur in Teilen erfüllt werden. In der Abteilung "Nanofunktionsschichten" werden vor allem Untersuchungen zur Einstellung der chemisch geordneten L10-Phase und deren Texturierung durchgeführt. Im Gegensatz zu den üblichen Temperverfahren kommt dabei vor allem die He-Ionen-bestrahlung zum Einsatz. Diese erlaubt eine erhöhte Volumendiffusion, die zur Einstellung der L10-Ordnung essentiell ist bei gleichzeitig relativ niedrigen Prozesstemperaturen, so dass die chemische Triebkraft für die Ordnungseinstellung in die thermodynamisch günstigste L10-Phase groß ist. Zur Präparation kommt die Magnetron-Sputterdeposition zum Einsatz. Zur strukturellen Charakteri-sierung wird vor allem auf Röntgenbeugungs- und Transmissions-Elektronenmikroskopie-Untersuchungen zurückgegriffen. Ein Teil der Untersuchungen wird mittels in-situ Röntgenanalyseverfahren an der Rossendorf Beamline in Grenoble durchgeführt. Abb. 1 zeigt exemplarisch die Bestimmung der Phasentransformation A1 - L10. Die magnetischen Eigenschaften werden schließlich mittels SQUID-Magnetometrie bestimmt.

In Abb. 2 ist ein Beispiel für den Effekt der He-Ionenbestrahlung auf gasphasen-präparierte FePt-Nanopartikel gezeigt. Nach der Präparation befinden sich die FePt-Nanopartikel in einer ikosaedrischen Struktur. Durch die He-Ionenbestrahlung kann diese gegenüber Temperprozessen stabile ikosaedrische Struktur in die fcc-Struktur überführt werden. Die chemisch geordnete L10-Phase wurde jedoch bislang nicht nachgewiesen. Dies ist vor allem auf eine Pt-reiche Stöchiometrie zurück zu führen, die durch die Ionenbestrahlung selber noch weiter verstärkt wurde.

Alle diese Arbeiten werden in enger Zusammenarbeit mit den Abteilungen für "Strukturdiagnostik" und "Theorie" des Instituts für Ionenstrahlphysik und Materialforschung und dem Institut für Metallische Werkstoffe des Leibniz-Instituts für Festköper- und Werkstoffwissenschaften IFW Dresden durchgeführt.

Publikationen:

1. Ion Beam Induced Destabilization of Icosahedral Structures in Gas Phase Prepared FePt Nanoparticles
O. Dmitrieva, B. Rellinghaus, J. Kästner, M. O. Liedke, J. Fassbender
J. Appl. Phys. 97, 10N112 (2005).

Poster:

1. Ion Beam Induced Destabilization of Icosahedral Structures in Gas Phase Prepared FePt Nanoparticles
O. Dmitrieva, M. Acet, M. O. Liedke, B. Rellinghaus, J. Fassbender
Magnetism and Magnetic Materials Conference, Jacksonville, 2004