Überwindung des Speicher-Quadrilemmas mittels Curie temperaturmodulierter Strukturen

Laser unterstützte magnetische Datenspeicherung (HAMR) in Kombination mit strukturierten magnetischen Speicherbereichen (BPM) ist die zukunftsreiche Technologie um magnetische Datenspeicherung von einigen zehn Tb/in zu realisieren. BMP wird benötigt um das Rauschen der magnetischen Bit-Übergänge zu minimieren. Um thermische Stabilität zu gewährleisten, werden Materialien mit hoher magnetischer Anisotropie benötigt. Diese haben jedoch ein zu großes Koerzitivfeld um mit konventionellen Schreibköpfen magnetisiert werden zu können. Durch lokales Erhitzen mit einem Laserpuls können diese hartmagnetischen Körner ummagnetisiert werden. Das Schreiben bei diesen hohen Temperaturen reduziert jedoch auch das magnetische Moment, was zu Schreibfehlern führt. Einer der Co-Antragssteller (D. Suess) hat eine Materialkomposition vorgeschlagen, welche aus austauschgekoppelten magnetischen Schichten mit unterschiedlichen Curie-Temperaturen (Tc) besteht um diese Limits zu beseitigen. L10-geordnetes FePt ist ein Material mit ausreichend hoher Anisotropie um genügend thermische Stabilität zu gewährleisten. Die Herstellung der Materialien dieser Klasse erfordert jedoch entweder Hochtemperatur-Epitaxie-Wachstum oder Tempern bei erhöhten Temperaturen, um die L10-Phase zu erhalten. Darüber hinaus stellt das Erhitzen auf etwa 750 K große Herausforderungen für die Materialien im Schreibkopf als auch im Medium dar. Die Ziele dieses Antrags sind die Entwicklung von Austauschgekoppelten Schichten, welche geeignet sind für HAMR / BPM. Weiters soll die Möglichkeit von Datendichten von einigen zehn Tb/in demonstriert werden. Um dieses Ziele zu erreichen, wird eine [Co/Ni]N/TbxFe1-x-yCoy System hergestellt. Die [Co/Ni]N-Schichten dienen als hoch Tc Material mit geringer Anisotropie, welche auch genügend Streufeld für den Leseprozess erzeugen. Der amorphe Ferrimagnet TbxFe1-x-yCoy dient als hochanisotrope Speicherschicht. Durch Variation des Co Anteils, kann die Curie Temperatur von TbxFe1-x-yCoy in einem Bereich von 400 K bis 600 K variiert werden. Dies ist signifikant kleiner als von L10- FePt. Dies erlaubt Schreiben, bei geringeren Temperaturen und dies reduziert Schreibfehler. Weiters wird dadurch die Lebenszeit des Nahfeld-Wärmewandlers (NFT) des Schreibkopfes erhöht. Ein zusätzlicher Vorteil ist, dass die die Dämpfungskonstante in TbFeCo Schichten durch den Tb Anteil bis auf 0.5 erhöht werden kann. Dies ist signifikant höher als von FePt. Kürzlich durchgeführte Untersuchungen haben gezeigt, dass eine große Dämfungskonstante essentiell für einen verlässlichen Ummagnetiserungsprozess ist. Durch die große Dämpfung wird erwartet, dass thermische Schreibfehler, die bei FePt Schichten in der Größenordnung von 5 % sind, nahe Null gebracht werden können. Weiters wird erwartet, dass durch die amorphe TbFeCo Struktur, kleine Koerzitivfeldverteilungen der Elemente auftreten. Zusammengefasst, wird in diesem Projekt ein neues Konzept von Curie temperaturmodulierten Strukturen für HAMR/BPM vorgeschlagen, untersucht und realisiert. Einzigartige Methoden sind in den beiden experimentellen Gruppen vorhanden. Die experimentellen Gruppen werden durchdie Theoriegruppe unterstützt, welche eine langjährige Erfahrung auf dem Gebiet der magnetischen Aufzeichnungssystemen hat.

Im Jahr 2019 wurden 80 % der weltweiten Daten auf magnetischen Festplatten gespeichert, die in Personalcomputern und vor allem in Datenzentren in großem Umfang eingesetzt werden. Im Rahmen des Projektes wurden physikalische Grundlagen für Festplatten auf Basis von Laser unterstützter magnetischer Datenspeicherung (HAMR) erforscht. Diese Technologie hat das Potenzial Speicherdichten von mehr als 10 Tb/in zu realisieren, also ca. 6 mal größere Dichten als bei Festplatten im Jahr 2019. Erste Produkte mit dieser Technologie werden voraussichtlich Ende 2020 auf den Markt gebracht. HAMR wurde entwickelt, da bei herkömmlichen Festplatten das Problem besteht, dass für eine hohe thermische Stabilität der Daten, Materialien mit hoher magnetischer Anisotropie benötigt werden. Diese Materialien haben jedoch ein zu großes Koerzitivfeld um mit konventionellen Schreibköpfen magnetisiert werden zu können. Durch lokales Erhitzen mit einem Laserpuls können diese hartmagnetischen Körner ummagnetisiert werden. Die Physik der Magnetisierungsdynamik während des Schreibprozesses ist komplex und Stand der Technik sind extrem rechenintensive Methoden die auf jedem Atom die Bewegungsgleichung für die Magnetisierung lösen. Im Rahmen des Projektes wurden Methoden entwickelt, die es erlauben viele Atome zu einer Berechnungszelle zusammenzuführen. Der Rechenaufwand für die Beschreibung der Prozesse während der Datenaufzeichnung konnte signifikant reduziert werden und somit eine Vielzahl neue Materialien für die Datenaufzeichnung untersucht und schließlich auch neue hochfunktionale Materialkompositionen gefunden werden. Im Speziellen konnte das Problem gelöst werden, dass beim Schreiben bei hohen Temperaturen die Magnetisierung stark reduziert wird und dies zu Schreibfehlern führt. Es wurden Materialkomposition entdeckt und im Detail untersucht, welche aus austauschgekoppelten magnetischen Schichten mit unterschiedlichen Curie-Temperaturen bestehen. Diese Materialien zeigen auch bei starker Erhitzung durch einen Laserpuls ausreichend hohe Magnetisierungen und die Schreibfehler werden signifikant reduziert. Es konnte gezeigt werden, dass Speicherdichten mithilfe dieser Kompositmaterialien von bis zu 10 Tb/in erreicht werden können. Mithilfe der experimentellen hergestellten Kompositschichten bei den Projektpartnern konnten die magnetischen Eigenschaften im Detail untersucht werden. Es wurden spezielle magnetische Materialien verwendet (Ferrimagnete), bei denen die magnetischen Eigenschaften stark von der Temperatur abhängen. Somit konnte durch eine Änderung der Temperatur in einer systematischen Weise die magnetischen Eigenschaften variiert werden und der Einfluss dieser unterschiedlichen magnetischen Parameter auf die wichtigsten magnetischen Kenngrößen, wie das Koerzitivfeld untersucht werden.