Παρασκευή χαρακτηρισμός και μελέτη νανοσύνθετων υμενίων CoPt/B και CoPt/Ag για μαγνητικά μέσα εγγραφής υπερυψηλής πυκνότητας

Abstract

Η ανάγκη για επίτευξη όλο και μεγαλύτερης πυκνότητας μαγνητικής εγγραφής απαιτεί την ανάπτυξη μέσων εγγραφής με εξαιρετικά μικρά (της τάξης των 10 run) μη αλληλοεπιδρώντα μαγνητικά σωματίδια. Σε τόσο μικρά μεγέθη τα χρησιμοποιούμενα σήμερα μαγνητικά υλικά βρίσκονται πέρα από τα όρια τους: Υλικά υψηλότερης ανισοτροπίας χρειάζονται για να αποφευχθεί η αποσταθεροποίηση των εγγεγραμμένων στοιχείων πληροφορίας, λόγω των φαινομένων θερμικής απομαγνήτισης και των ισχυρών τοπικών μαγνητοστατικών πεδίων. Στην εργασία αυτή παρασκευάστηκαν νανοσύνθετα υμένια της μορφής CoPt/B και CoPt/Ag, που αποτελούνται από σωματίδια CoPt, υψηλής μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας, σε μη μαγνητική μήτρα Βορίου ή Αργύρου και η οποία συμβάλλει στην μαγνητική απομόνωση των σωματιδίων. Επιπλέον μελετήθηκαν οι μαγνητικές και δομικές τους ιδιότητες, με σκοπό την βελτιστοποίηση τους για εφαρμογές σε μέσα μαγνητικής εγγραφής. Η παρασκευή των υμενίων έγινε με την τεχνική της καθοδικής ιοντοβολής, ενώ κατόπιν υποβλήθηκαν σε ανόπτηση, με σκοπό τον σχηματισμό σωματιδίων και την ανάπτυξη της τετραγωνικής εδροκεντρωμένης φάσης (fct). Ο δομικός και μαγνητικός χαρακτηρισμός έγινε με σκοπό τη σύνδεση μικροδομής-μαγνητικών ιδιοτήτων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στις μετρήσεις μαγνητικού εφησυχασμού που χαρακτηρίζουν την ευστάθεια της καταγεγραμμένης πληροφορίας, αλλά δίνει και πληροφορίες για τον μηχανισμό αντιστροφής της μαγνήτισης. Για τον δομικό χαρακτηρισμό των υμενίων χρησιμοποιήθηκαν οι ακόλουθες πειραματικές τεχνικές: περίθλαση ακτινών Χ, περίθλαση δέσμης ηλεκτρονίων, μικροσκοπία διερχόμενης δέσμης ηλεκτρονίων, μικροσκοπία ατομικής δύναμης και ανάλυση ενεργειακής διασποράς ακτινών Χ. Ο μαγνητικός χαρακτηρισμός έγινε με χρήση μαγνητόμετρου υπεραγώγιμης κβαντικής συμβολής SQUID. Για τα υμένια CoPt/B έγινε διεξοδική μελέτη της μετασταθούς συμπεριφοράς τους και η μοντελοποίηση της, βασισμένη στην υπόθεση της συναφούς αντιστροφής. Όπου απαιτήθηκαν μη αναλυτικοί υπολογισμοί χρησιμοποιήθηκε η Mathematica (έκδοση 4.0). Τα υμένια CoPt/B αρχικά εναποτέθηκαν σε πολυστρωματική νανοκρυσταλλική μορφή, όπου το CoPt βρίσκεται σε φάση κυβική, χαμηλής ανισοτροπίας, στην οποία τα άτομα Co και Pt καταλαμβάνουν με τυχαίο τρόπο τις δύο κρυσταλλογραφικές θέσεις. Κατόπιν υποβάλλονται σε ανόπτηση, προκειμένου να επιτευχθεί ο σχηματισμός σωματιδίων και η ανάπτυξη της τετραγωνικής εδροκεντρωμένης φάσης υψηλής ανισοτροπίας, λόγω διάταξης των ατόμων Co και Pt σε ξεχωριστές κρυσταλλογραφικές θέσεις. Για την επίτευξη βέλτιστης νανοδομής διερευνήθηκε ο ρόλος παραγόντων όπως: i) η συγκέντρωση του Βορίου, ii) η θερμοκρασία και ο χρόνος ανόπτησης. Πιο συγκεκριμένα επιδιώχθηκαν τα ακόλουθα: i) μικρό μέγεθος σωματιδίων και στενό εύρος κατανομής όγκων για τα σωματίδια, ii) ανάπτυξη υψηλής ανισοτροπίας και συνεκτικού πεδίου, iii) μαγνητική απομόνωση των σωματιδίων, iv) χρήση χαμηλής θερμοκρασίας και μικρού χρόνου ανόπτησης. Βρέθηκε ότι, συναρτήσει της συγκέντρωσης του Βορίου και για πολύ μικρό χρόνο ανόπτησης, της τάξης των 10λεπτών: i) το Βόριο μειώνει τόσο περισσότερο την θερμοκρασία ανόπτησης για τον σχηματισμό της φάσης fct, όσο μεγαλύτερη είναι η συγκέντρωση του στο υμένιο, ii) η ελαχιστοποίηση της μέσης τιμής και της διασποράς των όγκων των σωματιδίων, σε οποιαδήποτε θερμοκρασία ανόπτησης, συμβαίνει για συγκέντρωση Βορίου 20% κατ' όγκο. Ο όγκος αντιστροφής, όπως εκτιμήθηκε από μετρήσεις μαγνητικού εφησυχασμού και παραμένουσας μαγνήτισης στο συνεκτικό πεδίο, προσεγγίζει τον πραγματικό όγκο των σωματιδίων μόνο για τα νανοσύνθετα συστήματα με σωματίδια διαμέτρου κάτω των 20 nm, δεικνύοντας ότι, στα υμένια αυτά επικρατεί ένας συναφής μηχανισμός αντιστροφής της μαγνήτισης. Έγινε εκτενής μελέτη της μετασταθούς συμπεριφοράς, όπως αυτή ορίζεται από μετρήσεις μαγνητικού εφησυχασμού και παραμένουσας μαγνήτισης σε διάφορα πεδία και θερμοκρασίες. Αυτή επικεντρώθηκε σε τρία υμένια με συγκεντρώσεις Βορίου 20%, 50% και 0 % κατ' όγκο και εντελώς διαφορετικές μεταξύ τους νανοδομές. Για την ερμηνεία των πειραματικών δεδομένων αρχικά εκτελέσθηκαν υπολογισμοί της συμπεριφοράς του μαγνητικού ιξώδους S(H,T) και της επιδεκτικότητας παραμένουσας μαγνήτισης χᵢττ(H,T). Αυτοί βασίστηκαν στην προσέγγιση των μη αλληλεπιδρώντων σωματιδίων, που παρουσιάζουν κατανομή όγκων και εντελώς τυχαίο προσανατολισμό των εύκολων αξόνων τους. Για τους ενεργειακούς φραγμούς που υπερβαίνονται κατά την αντιστροφή των μαγνητικών ροπών των σωματιδίων, χρησιμοποιήθηκε η αναλυτική έκφραση του Pfeiffer [1.3.2]. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε ποιοτική συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Προβλέπεται δηλαδή ότι: i) η μεγιστοποίηση του εφησυχασμού και της μη αντιστρεπτής επιδεκτικότητας συμβαίνει σε πεδία παραπλήσια του συνεκτικού και ii) η μετασταθής συμπεριφοράςμετατοπίζεται σε μεγαλύτερα πεδία, καθώς η θερμοκρασία μειώνεται. Σε αντίθεση με την περίπτωση παραλληλίας των εύκολων αξόνων, όπου το μέγιστο του μαγνητικού ιξώδους Smax(H) παραμένει σταθερό με την θερμοκρασία, εδώ παρατηρείται πτώση του. Εντούτοις, η πτώση αυτή αδυνατεί να περιγράψει την πολύ πιο απότομη πτώση των πειραματικών τιμών Smax(H) με την θερμοκρασία. Ασυμφωνία υπάρχει και για τις μέγιστες τιμές της επιδεκτικότητας παραμένουσας μαγνήτισης χiττ max(H), όπου ενώ: προβλέπεται αύξηση συμβαίνει ήπια πτώση του μέγιστου χiττ max(H). Μια καλύτερη προσέγγιση της πειραματικής συμπεριφοράς βασίστηκε σε ένα μοντέλο του Chantrell και των συνεργατών του [3.1.2]. Σ' αυτό οι διπολικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων περιγράφονται κατά φαινομενολογικό τρόπο, με την εισαγωγή ενός όγκου συσχέτισης. Οι αρχικοί αναλυτικοί υπολογισμοί αφορούσαν την περίπτωση παραλληλίας των εύκολων αξόνων. Αντίθετα το εδώ παρουσιαζόμενο μοντέλο λαμβάνει υπ' όψιν την ρεαλιστικότερη περίπτωση τυχαίας κατανομής εύκολων αξόνων. Και στα δύο μοντέλα προβλέπεται σε διαφορετικό βαθμό η απότομη εξασθένηση του εφησυχασμού καθώς πέφτει η θερμοκρασία. Επιπλέον έγινε επέκταση του μοντέλου ώστε να υπολογίζεται η μη αναστρέψιμη επιδεκτικότητα. Στην περίπτωση του μαγνητικού ιξώδους S(H,T), τόσο το αναλυτικό μοντέλο του Chantrell, όσο και οι αριθμητικές ολοκληρώσεις της διατριβής δεικνύουν παρόμοια συμπεριφορά, που επιτρέπει την προσαρμογή των καμπυλών S(H,T) της αναλυτικής περίπτωσης στα πειραματικά δεδομένα. Οι παράμετροι με τις οποίες έγινε η προσαρμογή του S(H,T) χρησιμοποιήθηκαν και για τις καμπύλες χiττ(Η,Τ). Οι δεύτερες βρέθηκαν πολύ κοντά στα αντίστοιχα πειραματικά δεδομένα χiττ(Η,Τ), μαρτυρώντας τη συνέπεια του μοντέλου ως προς τα δύο μεγέθη. Σημειώνεται ότι η προσαρμογή υπήρξε δυνατή στην περίπτωση των δειγμάτων με συγκεντρώσεις Βορίου 20% και 50% κατ' όγκο που παρουσιάζουν δομή με σωματίδια, όχι όμως και στο συνεχές υμένιο CoPt. Υπήρξε δε ακριβέστερη στην περίπτωση του πρώτου δείγματος, όπου ο όγκος ενεργοποίησης είναι πολύ κοντά στον πραγματικό. Στα υμένια CoPt/Ag, τα οποία παρασκευάσθηκαν με παρόμοιο τρόπο, έγινε δυνατή η επίτευξη προσανατολισμού (001) και κατά συνέπεια μαγνητικής ανισοτροπίας, κάθετης στο επίπεδο του υμενίου. Διερευνήθηκε ο ρόλος του αρχικού πάχους των υμενίων, της συγκέντρωσης του Αργύρου και του χρόνου ανόπτησης. Βρέθηκε ότι ο προσανατολισμός είναι έντονος σε πολύ μικρά πάχη δ, κάτω των 20 nm, για συγκεντρώσεις Αργύρου μεταξύ 10% και 30% κατά όγκο. Εικόνες ηλεκτρονικήςμικροσκοπίας και μικροσκοπίας ατομικής δύναμης έδειξαν ότι, κάτω των 15 nm η δομή του υμενίου μετά την ανόπτηση παύει να είναι συνεχής, αλλά σχηματίζονται νησίδες. Εντούτοις, η Παρασκευή συνεχών, καλώς προσανατολισμένων υμενίων, επιτεύχθηκε ακόμα και σε πάχη μεγαλύτερα των 15 nm για συγκέντρωση Αργύρου 10% κατ' όγκο.