Αντιστροφή, εφησυχασμός και δυναμική της μαγνήτισης σε σύγχρονα μαγνητικά μέσα εγγραφής
Authors: Αλεξανδράκης Βασίλειος 
Published: January 2014

Οι αυξανόμενες απαιτήσεις για όλο και μεγαλύτερες πυκνότητες αποθήκευσης των μαγνητικών μέσων εγγραφής, έχει σαν προαπαιτούμενο τη μείωση του μεγέθους των κρυσταλλιτών, από τους οποίος απαρτίζεται ένας σκληρός δίσκος. Ωστόσο, καθώς το μέγεθος των κρυσταλλιτών μικραίνει, η μαγνητική τους κατάσταση γίνεται ασταθής λόγω των θερμικών διαταραχών. Το φαινόμενο αυτό είναι γνωστό ως υπερπαραμαγνητικό όριο. Πιο συγκεκριμένα ο ενεργειακός φραγμός μεταξύ των δυο αντιπαράλληλων καταστάσεων της μαγνήτισης ενός σωματιδίου ισούται με το γινόμενο KV, όπου Κ είναι η σταθερά μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας και V ο όγκος του σωματιδίου. Όσο μικρότερος είναι ο ενεργειακός φραγμός τόσο ευκολότερα το σύστημα μπορεί να αλλάξει μαγνητική κατάσταση, κάτι που θα είχε σαν συνέπεια την απώλεια της αποθηκευμένης πληροφορίας. Προκειμένου να μην μειωθεί ο ενεργειακός φραγμός θα πρέπει να αυξηθεί η σταθερά ανισοτροπίας Κ. Για αυτό το λόγο η τεχνολογική κοινότητα έχει στραφεί προς υλικά υψηλής μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας όπως είναι τα κράματα CoPt, FePt στη δομή της τέλειας χημικής σύστασης. Τα παραπάνω κράματα έχουν σταθερά ανισοτροπίας της τάξης των 10⁷ erg/cc. Τόσο υψηλή τιμή ανισοτροπίας εξασφαλίζει την απαιτούμενη θερμική σταθερότητα για πυκνότητες εγγραφής της τάξης των Τbit/inc². Το ζήτημα είναι πως οι συμβατικές μαγνητικές κεφαλές εγγραφής της πληροφορίας δεν διαθέτουν τόσο ισχυρά μαγνητικά πεδία ώστε να αντιστρέψουν τη μαγνήτιση των σωματιδίων και να εγγράψουν τη νέα πληροφορία. Τίθεται λοιπόν ένα ζήτημα εγγραψιμότητας. Οι Victora και Shen πρότειναν τη δημιουργία σύνθετων δομών ‘σκληρής’ (υψηλής μαγνητικής ανισοτροπίας) - ‘μαλακής’ (χαμηλής ανισοτροπίας) μαγνητικής φάσης. Η παρουσία της σκληρής φάσης εξασφαλίζει τη θερμική σταθερότητα του συστήματος, ενώ η αλληλεπίδραση μεταξύ σκληρής-μαλακής μαγνητικής φάσης δημιουργεί τις προϋποθέσεις για αντιστροφή της σκληρής φάσης σε μικρότερα πεδία, από το αντίστοιχο πεδίο αντιστροφής της σκληρής φάσης. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη του μηχανισμού αντιστροφής σε δομές σκληρής-μαλακής μαγνητικής φάσης, οι οποίες προορίζονται για μαγνητικά μέσα εγγραφής και αποθήκευσης. Δύο διαφορετικές κατηγορίες διστρωματικών λεπτών υμενίων έχουν μελετηθεί. Η πρώτη κατηγορία διστρωματικών υμενίων βασίζεται στο CoPt: αρχικά εναποτείθεται ένα στρώμα CoPt πάχους 20nm κατόπιν ακολουθεί η ανόπτηση σε θερμοκρασίες πάνω από 600°C προκειμένου να σχηματιστεί η σκληρή φάση, τέλος η θερμοκρασία του υμενίου επανέρχεται στη θερμοκρασία δωματίου και ακολουθεί η εναπόθεση της μαλακής φάσης του CoPt. Με αυτό τον τρόπο μπορεί κανείς να αλλάξει τη χημική τάξη άρα και τη μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία της σκληρής φάσης. Παρατηρήσαμε ότι στα διστρωματικά υμένια τα οποία έχουν ανοπτηθεί στους 600°C για διαφορετικούς χρόνους το συνεκτικό πεδίο της σκληρής φάσης είναι σημαντικά μειωμένο σε σχέση με το αντίστοιχο πεδίο της μονοστρωματικής δομής της σκληρής φάσης, γεγονός που οφείλεται στην αλληλεπίδραση με τη μαλακή φάση. Αντίθετα η σκληρή φάση των δειγμάτων που έχουν θερμανθεί σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 650°C φαίνεται να είναι πρακτικά ανεπηρέαστη από την παρουσία της μαλακής φάσης. Για να γίνει κατανοητή η αλληλεπίδραση μεταξύ των δυο φάσεων έχουν πραγματοποιηθεί λεπτομερείς μετρήσεις ελασσόνων βρόγχων υστέρησης, καμπυλών ανάκρουσης πρώτης τάξης καθώς και πειράματα ανακλαστικότητας πολωμένης δέσμης νετρονίων. Τα πειράματα πολωμένης δέσμης νετρονίων έδειξαν ότι στο δείγμα των 600°C η αντιστροφή της μαλακής φάσης συνοδεύεται από SF (spin flip) ανακλαστικότητες, σε αντίθεση με το δείγμα των 700°C. Αυτό σημαίνει ότι έχουμε σύμφωνη περιστροφή της μαγνήτισης εντός των μαγνητικών περιοχών που δημιουργούνται κατά την αντιστροφή της μαλακής φάσης. Επιπλέον οι μαγνητικές περιοχές του δείγματος των 600°C είναι μεγαλύτερες από το μήκος συμφωνίας της δέσμης των πολωμένων νετρονίων, άρα μεγαλύτερες και από τις μαγνητικές περιοχές που δημιουργούνται κατά την αντιστροφή της μαλακής φάσης στο δείγμα των 700°C. Η ανάλυση των ανακλαστικοτήτων κατά την αντιστροφή της σκληρής φάσης έδειξε πως αυτή συνοδεύεται από το σχηματισμό μαγνητικών περιοχών με αντιπαράλληλη διάταξη μαγνητίσεων, το μέγεθος των οποίων είναι μικρότερο απο το μήκος συμφωνίας της δέσμης των νετρονίων. Σύμφωνα με τα παραπάνω προκύπτει ότι μεγάλες μαγνητικές περιοχές που σχηματίζονται στη μαλακή φάση γειτνιάζουν με μικρότερου μεγέθους μαγνητικές περιοχές εντός της σκληρής φάσης. Στα πλαίσια αυτής της περιγραφής μπορεί να εξηγηθεί και η μεταβολή των πεδίων ανταλλαγής και του συνεκτικού πεδίου της μαλακής φάσης σαν συνάρτηση της μαγνητικής κατάστασης της σκληρής φάσης. Η άλλη κατηγορία διστρωματικών δομών σκληρής-μαλακής μαγνητικής φάσης αποτελείται από τα διστρωματικά υμένια FePt/CoPt. Στην περίπτωση αυτή εκμεταλλευόμαστε το γεγονός ότι η θερμοκρασία του τετραγωνικού μετασχηματισμού του FePt είναι πολύ μικρότερη σε σχέση με την αντίστοιχη του CoPt. Άρα μπορούμε να επιτύχουμε τη δημιουργία ενός συστήματος σκληρής-μαλακής μαγνητικής φάσης με ταυτόχρονη ανόπτηση και των δύο στρωμάτων. Στην περίπτωση αυτή η διεπιφάνεια μεταξύ των δύο φάσεων που σχηματίζονται δεν είναι απότομη όπως συνέβαινε στα δείγματα του CoPt, αλλά εκτείνεται σε ένα εύρος μερικών νανομέτρων λόγω της αμοιβαίας διάχυσης των Fe και Co, όπως έδειξαν και οι μελέτες ΤΕΜ και XRR. Προκειμένου να κατανοήσουμε το ρόλο της διεπιφάνειας στην αλληλεπίδραση μεταξύ των δυο φάσεων, έχουμε χρησιμοποιήσει ένα υπολογιστικό μοντέλο όπου έχουμε θεωρήσει ότι στην περιοχή της διεπιφάνειας η τιμή της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας αλλάζει σταδιακά. Όσο πιο ομαλή είναι η μεταβολή της σταθεράς ανισοτροπίας τόσο περισσότερο συγκλίνουν και οι τιμές των πεδίων αντιστροφής των δυο φάσεων, γεγονός που αποδεικνύει την ισχυροποίηση της μεταξύ τους σύζευξης. Οι μετρήσεις βρόγχων υστέρησης έδειξαν ότι τα δείγματα FePt/CoPt εμφανίζουν κοινό πεδίο αντιστροφής, επιβεβαιώνοντας τη συγκεκριμένη τάση.