WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 12 05;06;11 Пленочные носители для устройств памяти со сверхплотной магнитной записью © Г.И. Фролов Институт физики им. Л.В. Киренского СО РАН, 660036 Красноярск, Россия (Поступило в Редакцию 27 февраля 2001 г.) Рассмотрены пути дальнейшего повышения плотности записи в устройствах магнитной памяти. Показано, что перспективным материалом для носителей могут стать наногранулированные магнитопленочные среды.

Чтобы свойства этих пленок соответствовали требованиям, предъявленным к носителям для сверхплотной магнитной записи, в них необходимо сформировать определенный структурный порядок. Для реализации этого подхода предложено использовать высокую адсорбционную способность наночастиц 3d-металлов к высокомолекулярным соединениям. Для создания носителей с плотностью записи 1010 bit/cm2 на базе наногранулированных магнитопленочных материалов, в которых наночастицы размером 5 nm микрокапсулированы в полимерной матрице, необходимо совмещение физического и химического методов получения нанокомпозитов.

Введение новых перспективных областей использования магнетиков было обращено серьезное внимание на развитие Вполне реальны утверждения, что наука и техника магнитооптических сред-носителей для внешней памяти XXI века будут иметь дело с объектами наноразмерного, ЭВМ.

ангстремного характера, поскольку во многих областях Это направление связано с решением важной задачи традиционных технологий достигнуты пределы миниатю- по дальнейшему совершенствованию вычислительной ризации отдельных элементов, что стимулирует поиск техники, уровень которой определяется элементной баальтернативных путей. Так как свойства твердого тела зой ЭВМ — устройствами записи, хранения и обработки зависят от микроструктуры, т. е. химсостава, атомной информации. Одним из наиболее перспективных путей структуры и его размерности, то переход от объемно- развития этих устройств на то время становился переход го тела к образцам, размеры которых в одном, двух к оптическим запоминающим устройствам (ОЗУ). Среди или трех направлениях понижаются до нескольких меж- альтернативных материалов (носителей для реверсивной атомных расстояний, приводит к формированию в них магнитооптической памяти) на передний край вышли новых физико-химических свойств. Синтез и особенно- пленочные сплавы редкоземельных и переходных металсти свойств наноструктурированных материалов созда- лов. Параметры этих пленок наиболее полно отвечали требованиям, выдвигаемым разработчиками реверсивют основу для разработки устройств микроэлектроники ных ОЗУ [2,3]. Запись и считывание информации в нового поколения. В этой области современной техники данных устройствах производится с помощью лазерного наметился устойчивый переход от микронных размеров к луча. Плотность записывающей информации определяетнанометровому масштабу. Ярким примером тому служит ся дифракционным пределом используемых оптических плотность записи информации в магнитных устройствах излучений и составляет 108 bit/cm2 [4]. Прогнозы разпамяти.

работчиков ОЗУ в значительной степени оправдались, и в начале 90-х годов магнитооптические устройства памяти Переход от магнитооптической памяти заняли достойную нишу на рынке сбыта вычислительной к продольной магнитной записи техники [5].

На повестку дня встал вопрос о разработке устройств В 1983 г. в США была создана комиссия по магнитным памяти с более высокой плотностью записываемой инматериалам, перед которой стояла задача оценить ми- формации. В 1990 г. была высказана идея создания ровой и национальный уровень исследований в области магнитной памяти с плотностью 1.5 · 108 bit/cm2 [6], магнетизма и наметить пути их дальнейшего развития.

а в 1992 г. — с плотностью 1.5 · 109 bit/cm2 [7] В 1985 г. опубликован краткий отчет о работе этой на базе продольной магнитной записи. Переход к такомиссии [1]. В отчете, с одной стороны, отмечалась ким высоким технологиям потребовал создания новых важность проведения фундаментальных исследований конструкционных материалов, функциональные парамепо физике магнитных явлений, так как магнитные ма- тры которых определяются свойствами формирующихтериалы являются ”идеальной системой для изучения ся нужным образом структурных наноблоков. Рассмоосновополагающих концепций физики твердого тела”, трим, каким требованиям должна отвечать магнитная а с другой стороны, указывалось на все возрастающий среда для создания носителя с плотностью записи рынок сбыта устройств на магнитных материалах. Среди 1.5 · 109 bit/cm2.

Пленочные носители для устройств памяти со сверхплотной магнитной записью размагничивающее поле. Величина Hc выбирается как компромиссное решение: с одной стороны, она должна превышать значение этого размагничивающего поля, а с другой стороны, должны учитываться возможности записывающей головки. Поэтому для рассматриваемой плотности записи Hc 3000 Oe. Величина Mr определяется из уравнения [9] a = Mr(h + /2)/Hc 1/2, где a — ширина переходной области между битами, h — расстояние между головкой и носителем, —толщина магнитного слоя носителя.

Если использовать a = 13 nm, h = 20 nm, = 10 nm, то Mr = 500 Gs. Кроме того, носитель должен иметь прямоугольную петлю гистерезиса с высоким отношением Mr/Ms (Ms — намагниченность насыщения). Возможность получения таких магнитных параметров в наногранулированных пленках описана в работе [10].

Авторы рассчитали влияние микроструктуры магнитной пленки на особенности ее перемагничивания и форму петли гистерезиса. Модель тонкопленочной среды представлена в виде плоской гексагональной картины расположения нанокристаллитов гексагональной формы Рис. 1. Картина распределения в плоскости Z-X зерен гексагональной формы. Стрелки указывают направления легких осей одноосной анизотропии.

Как известно, в магнитоупорядоченных материалах кроме однородно намагниченных областей (доменов) существуют переходные области (доменные стенки), в которых намагниченность меняется от точки к точке. Чтобы максимально использовать объем магнитной среды для записи информации, необходимо уменьшить размеры доменной стенки. Ее ширина W определяется выражением W =(A/K)1/2, где A — параметр обмена, K — константа анизотропии. Неиболее просто уменьшить величину W путем понижения параметра A, что реализуется в наногранулированных пленочных материалах, в которых магнитные частицы изолированы друг от друга немагнитной прослойкой. Важным параметром этих материалов является размер частиц (D), так как он определяет отношение сигнал/шум (S/N) при считывании информации. Величина D может быть рассчитана из выражения [8] S/N = 10 log S/D2, где S — площадь, занимаемая битом информации; при плотности записи 1.5 · 109 bit/cm2 для S/N = 30-40 dB величина D 10-15 nm.

Теперь определим основные магнитные параметры Рис. 2. Форма петли гистерезиса для объемно разупоря(Hc — коэрцитивная сила; Mr — остаточная намагничендоченных осей анизотропии. a — обменное взаимодействие ность, форма петли гистерезиса) наногранулироваанных между зернами отсутствует: /a = 0.5; 1 — диполь-дипольное пленок с наночастицами таких размеров. Так как в взаимодействие M/Hk = 0, 2 — M/Hk = 0.4 (Hk —поле продольных магнитных средах намагниченность распо- анизотропии); b — M/Hk = 0.4, /a = 0.75; 1 — обменное ложена в плоскости носителя, то возникает большое взаимодействие равно 0; 2 — 0.15.

4 Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 52 Г.И. Фролов сталлитов в магнитном слое определяет микроструктура подслоя (рис. 4). В качестве подслоя обычно используют сплавы Cr или NiAl. В качестве магнитного слоя используют сплавы Co с добавками Cr, Ta, Pt и т. д.

На базе таких носителей уже достигнута плотность записи 3-4 · 103 bit/cm2 [12,13] и предполагается, что в первой половине этого десятилетия будут реализованы устройства с плотностью 1.5·103 bit/cm2 [14], а несколько лет назад была поставлена задача создания устройств памяти с плотностью записи 1010 bit/cm2 [15,16].

Рис. 3. Схема носителя для продольной записи.

Требования к магнитным носителям с плотностью записи 1010 bit/cmВ качестве носителй для устройств памяти с такой плотностью предлагаются квантовые магнитные диски [15]. Предполагается, что в этих дисках каждый бит представляет собой однодоменную частицу в форме столбика или полоски, однородно размещенных в немагнитной матрице. Размер и форма каждого бита выбираются таким образом, чтобы магнитный момент бита имел только два квантованных состояния, равных по амРис. 4. Схема, демонстрирующая влияние структуры подслоя на структуру магнитного слоя. плитуде и противоположно направленных. Идея создания квантовых магнитных дисков, безусловно, перспективна, но для ее реализации требуются значительные усилия как по изучению процессов записи и считывания, так и (рис. 1). Толщина пленки совпадает с толщиной кри- по отработке технологии получения таких сред.

сталлитов. D — размер кристаллитов в плоскости Z-X, Поэтому представляется логичным рассмотреть воd — расстояние между кристаллитами, а a = d + D — прос о возможности использования в качестве средпостоянная решетки. Каждый кристаллит представляет носителей для плотности записи 1010 bit/cm2 нанограсобой однодоменную частицу, которая перемагничиванулированных магнитных пленок. Каким же требованиям ется когерентным вращением магнитного момента. При должны отвечать параметры этих пленок Так как при расчете используются связанные динамические уравнеувеличении плотности записи уменьшается размер бита, ния с фенологическим параметром затухания Ландау– то, естественно, в носителях для продольной магнитной Лившица. Влияние микроструктуры использованной мозаписи увеличивается размагничивающее поле, а потому дели на магнитный гистерезис проявляется через эфвеличина Hc должна быть не меньше 5000 Oe [16]. Чтобы фекты обменного и диполь-дипольного взаимодействия сохранить высокое отношение сигнал/шум при считывамежду частицами (рис. 2). Учет как диполь-дипольного, нии информации, размер магнитных частиц не должен так и обменного взаимодействия приводит к увеличению превышать 5 nm. Рассмотрим, насколько реально полуотношения Mr/Ms и уменьшению Hc. Однако при больчить требуемые параметры в предлагаемых пленочных ших значениях диполь-дипольного взаимодействия при материалах.

перемагничивании возникает вихревая доменная струкКак известно, свойства наногранулированных пленок тура, что понижает квадратичность петли гистерезиса, а определяются, с одной стороны, свойствами наночастиц, большие значения обмена между частицами приводят к а с другой стороны, эффектами взаимодействия между увеличению ширины переходной области между доменаними. Рассмотрим, что происходит с магнитными свойми. Таким образом, было показано, что в наногранулироствами (Ms, Tc — температурой Кюри, Hc) частиц при ванных пленках с определенной микроструктурой можно уменьшении их размера. Вопрос об изменении намагполучить требуемые параметры для использования этих ниченности насыщения в наночастицах был исследован материалов в устройствах памяти с большой плотностью еще в 60-х годах [17]. При сравнении энергии обмена, записи.

которая является энергией магнитного упорядочения, с В дальнейшем такие устройства были созданы. энергией нулевых колебаний было установлено, что в На рис. 3 показана типичная схема носителя, использу- частицах 3d-металлов размером 1 nm ферромагнетизм емая в современных устройствах продольной магнитной исчезает при любых температурах. Однако в конце 80-х записи [11]. Носитель состоит из нескольких слоев, годов были поставлены эксперименты по измерению но наше внимание привлекают в основном два слоя намагниченности свободных кластеров 3d-металлов, со(Cr подслой и Co магнитный слой). Размер нанокри- держащих от 10 до 300 атомов. Было установлено, что Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. Пленочные носители для устройств памяти со сверхплотной магнитной записью Как следует из этого уравнения, для увеличения коэрцитивной силы наночастиц необходимо повысить температуру перехода в суперпарамагнитное состояние. Для этого необходимо увеличить константу магнитной анизотропии наночастиц. Существуют три способа решения этой задачи: 1) использовать материалы с большой кристаллографической анизотропией (например, сплавы Co с Sm, Pt и т.д. [12]); 2) — использовать анизотропию формы частиц (переход от сферических к продольным наночастицам [23]); 3) — создать наведенную анизотропию в ансамбле наночастиц за счет эффектов обменного и дипольного взаимодействий. Если первые два подхода используются при разработке современных носителей, то третий вариант не нашел должного решения. Например, в [10] рассмотрено влияние диполь-дипольного и Рис. 5. Зависимость коэрцитивной силы от размера наночаобменного взаимодействия на параметры петли гистерестиц Fe; частицы осаждены в атмосфере O2 (1) и N2 (2).

зиса только для модели однослойной наноструктурированной пленки. В то же время исследованиям эффектов взаимодействия магнитных частиц уделено достаточно большое внимание. Обратимся к результатам, полученв кластерах размером < 1 nm намагниченность имеет ным в работе [24].

место при температурах 100-200 K [18], а ее величиВ этой работе в рамках приближения среднего поля на может даже превышать Ms объемного аналога [19].

найдены условия формирования ферромагнитного упоПрирода этого эффекта связывается с увеличением числа рядочения в системе взаимодействующих однодоменных локализованных 3d-электронов в наночастицах [20].

частиц. Рассмотрена система сферических ферромагнитВ 80-х годах также появились работы о влиянии разменых частиц радиуса D/2, помещенных в немагнитную ра частицы на температуру Кюри. И хотя Tc наночастиц твердую матрицу. Распределение частиц в матрице смониже, чем у массивного материала, даже для кластеров делировано в предположении, что их центры с вероятноразмером 1-1.5nm Tc 500-600 K [21].

стью p занимают узлы простой тетрагональной решетки, Более сложная ситуация возникает с изменением коимеющей периоды d1 (вдоль осей X и Y ) и d2 (вдоль эрцитивной силы при уменьшении размера магнитных оси Z — оси четвертого порядка). Взаимодействие чачастиц. На рис. 5 представлена типичная картина этой стиц магнитодипольное, частицы одноосные, их легкие зависимости [22]. При уменьшении размера частиц оси перпендикулярны плоскости XY, а динамика магнитот 40 до 20 nm происходит увеличение Hc, что связано ного момента любой частицы описывается стохастичес переходом частицы в однодоменное состояние. При ским уравнением Ландау–Лившица.

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.