Neue Austausch gekoppelte Nanomagnete

Das Verhalten von maßgeschneiderten magnetischen Inseln mit Dimensionen unter 20 nm ist ein offenes Forschungsgebiet, das Aufmerksamkeit verdient. Neben neuen physikalischen Effekten gibt es ein breites Potential für Anwendungen in der magnetischen Datenspeicherung, für Sensoren, magnetische Random-Access-Memories und magnetische Oszillatoren. Zu diesem Zweck konzentriert sich das Projekt auf neue, nanostrukturierte, austauschgekoppelte Verbundmagnete - exchange coupled composite (ECC) magnets, die aus hart- und weichmagnetischen Komponenten bestehen. Es ist unsere Absicht, das statische und dynamische Verhalten zu erlangen, um die magnetischen Eigenschaften für Datenspeicherung maßzuschneidern. Dafür sind eine hohe thermische Stabilität, eine niedriges Schaltfeld und eine einge Schalftfeldverteilung - switching field distribution (SFD) - notwendig. Felder aus nanomagnetischen ECC Inseln mit einer Dichte von 1 Tbit/in2 und höher werden mit extreme ultraviolet interference lithography (EUV-IL) am Swiss Light Source und mit Elektronenstrahllithographie hergestellt. Zuerst werden Nanoinseln aus ECC Filmen bestehend aus hoch anisotropen Schichten aus L10 FePt und Legierungen aus weicheren FePt Schichten untersucht. Danach soll das Potential von Seltenenerd-Übergangsmetallen (RE-TM) Materialen, insbesondere von Fe1-xGdx untersucht werden. Diese Materialien sind amorph und weisen daher nur minimale Strukturdefekte auf; eine Eigenschaft die insbesondere für ein reproduzierbares Schaltverhalten in Anwendungen wichtig ist. Darüber hinaus ist in Fe1-xGdx die Magnetisierung vom Gd Gehalt abhängig. Am Kompensationspunkt ist die Magnetisierung null und in Folge dessen wird das Koerzitivfeld unendlich groß. Die Kombination von FePt Schichten mit Fe1-xGdx wird zu neuen magnetischen Eigenschaften führen. Dieses System kann verwendet werden, um den Einfluss der Magnetisierung und der magnetischen Anisotropie auf das Schaltverhalten (Schaltfeld, SFD) der hartmagnetischen FePt Schicht in ECC Multilagen zu studieren. Um die Schaltfeldverteilung zu minimieren, ist ein grundlegendes Verständnis des Zusammenhangs zwischen dem Ummagnetisierungsmechanismus und der Mikrostruktur des Materials notwendig. Daher wird Transmissionsmikroskopie (TEM) eingesetzt, um die Korn- und Kristallstruktur von einzelnen magnetischen Inseln zu untersuchen. Zusätzlich werden fortgeschrittene Methoden der Röntgen- und Neutronenbeugung eingesetzt. Die gewonnene Strukturinformation wird mit den magnetischen Eigenschaften korreliert. Eine gezielte Kontrolle der Kornstruktur soll dann durch die Modifikation der Keimschichten und der Prozessbedingungen ermöglicht werden. Die magnetischen Materialparameter und die Mikrostrukturinformation dienen als Eingabe für mikromagnetische Simulationen, die ein weitgehendes Verständnis der Spinkonfigurationen von statischen und dynamischen Schaltvorgängen liefern werden. Dadurch kann der Einfluss der Mikrostruktur auf die SFD besser verstanden werden. Im Hinblick auf das dynamischen Verhaltens wird das Mikrowellen unterstützte Schalten von Materialen mit hoher Anisotropie mit Messungen und mikromagnetischen Simulationen untersucht. Falls sich diese Methode des Energie-unterstützten Schaltens realisieren lässt, steht ein innovativer Ansatz zur Adressierung von kleinen aber thermisch stabilen magnetischen Nanoinseln zur Verfügung. Bisher gibt es nur wenige experimentelle Arbeiten auf diesem Gebiet. Die magnetische Anregung der ECC Inseln soll mit Strompulsen durch Kupferstreifenleitungen erfolgen. Zur Detektion der magnetische Antwort werden verschiedene Verfahren erprobt; unter anderen Transmissionsröntgenmikroskopie, Magnetkraftmikroskopie und Hall Messungen. Die Projektdauer zur Arbeit auf dem hochaktuellen Gebiet von ECC Nanoinseln soll drei Jahre betragen. Es handelt sich um ein gemeinsames Projekt zwischen L. Heyderman (Paul Scherrer Institute, Schweiz), R. Schäublin (Swiss Federal Institute of Technology Lausanne - Paul Scherrer Institute, Schweiz), M. Albrecht (Chemnitz University of Technology, Germany), und T. Schrefl (Fachhochschule St. Pölten ForschungsGmbH, Österreich), im Rahmen des Lead Agency Verfahren des Schweizer Nationalfonds SNF, der Deutschen Forschungsgemeinschaft DFG und des österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung FWF. Das komplementäre Wissen der Projektpartner aus der Schweiz, aus Deutschland und Österreich eröffnet die einzigartige Möglichkeit für das grenzüberschreitende Forschungsteam, einen signifikanten Fortschritt auf dem wichtigen und wissenschaftlich hochinteressanten der Nanomagnete zu liefern. Gleichzeitig wird die Zusammenarbeit zwischen führenden Forschungsgruppen gestärkt. Das Projekt schafft darüber hinaus eine ideale Umgebung um junge Wissenschafter in der Nanofabrikation, der Messungen an Großforschungseinrichtungen und der Computersimulation auszubilden.

Das Projekt "Neue Austausch gekoppelte Nanomagnete" widmet sich der fundamentalen Physik von Zwei-Schicht-Systemen als magnetische Speichermedien. Heutzutage sind mobile Geräte wie Tablets, Laptops und Mobiltelefone verbunden mit einem Cloud-Speicher. Trotz der Fortschritte von Flash-Speichern für Mobile Computing sind diese Daten in Datenzentren auf Festplatten gespeichert. Heute können mit Festplatten Speicherdichten von 1Tbit/in erreicht werden. Eine Erhöhung dieser Speicherkapazität geht Hand in Hand mit umfangreichem Energiesparen für Cloud-Speicher. Um die Speicherkapazität zu erhöhen sind nun neue Konzepte für magnetische Datenspeicher gefragt. Das gemeinsame Projekt zwischen der Fachhochschule St. Pölten (Österreich), des Paul Scherrer Instituts - PSI (Schweiz) und der Universität Chemnitz (Deutschland) hat sich das Ziel gesetzt neue Speicherschichten für Festplattenspeicher zu entwickeln. Der Fokus des Projekts richtet sich auf nanostrukturierte vielschichtige Medien. Im Gegensatz zu konventionellen Festplattenmedien, bei denen ein Bit auf mehreren Körnern eines kontinuierlichen Mediums gespeichert wird, werden bei diesen Konzepten Bits auf einzelne magnetische Inseln gespeichert. Zusätzlich hilft eine zweischichtige Struktur auch bei kleinen magnetischen Feldern des Schreibkopfes, wie sie in Magnetaufzeichnungen mit hoher Dichte auftreten, die Daten auf die Festplatte zu schreiben. Das PSI produzierte die nanostrukturierten Doppelschichten und die Universität Chemnitz führte die magnetischen Messungen durch. Die Fachhochschule St. Pölten lieferte die Computersimulationen um neue Konzepte für magnetische Medien zu finden, zu untersuchen und die experimentellen Arbeiten steuernd zu unterstützen. Ein bedeutender Erfolg war die Entwicklung eines Computermodells zur Optimierung von Schreib-Prozess abhängigen Parametern für das neue Medium. Mit einem optimierten Schreibkopfdesign konnten die Schreibfehler auf 10, pro 1 Milliarde geschriebener Bits, reduziert werden. Weiters geben Simulationen Aufschluss über die Ummagnetisierungsprozesse und wie diese von der Struktur des Materials und in Abhängigkeit eines externen Magnetfeldes beeinflusst werden. Besondere magnetische Struktur-Untersuchungen beinhalten: (1) magnetische Wirbel und deren Bewegung in amorphen magnetischen Schichten, (2) Domänenwand und wie sie sich deformiert oder an Inhomogenitäten im Material anheftet. Zukünftige magnetische Speichersysteme werden Schreibköpfe beinhalten, die zum magnetischen Schreibfeld zusätzliche Energiequellen für das Ummagnetisieren verwenden. Eine dieser Methoden ist die mikrowellenunterstützte Magnetaufzeichnung. Hierbei konnte wieder durch Simulation die Bitfehlerrate von MAMR auf Doppelschichtmedien berechnet werden.