Αντιστροφή, εφησυχασμός και δυναμική της μαγνήτισης σε σύγχρονα μαγνητικά μέσα εγγραφής

Abstract

Hard disk drives for ultra-high storage densities require small grain sizes to fulfill the requirements for high signal to noise ratios. However, as the grains become too small, the bits are no longer stable. This effect is known as superparamagnetic limit. It has its origin in thermal fluctuations which lead to spontaneous switching of the magnetization. In small magnetic particles, the energy barrier for thermally activated switching is given by the product KV, where K is the magnetocrystalline anisotropy constant and V is the grain volume. Thus, the reduction of grain size can be balanced by a large anisotropy. Most new concepts for ultra-high-density recording are based on high coercive materials such as FePt and CoPt. Chemically ordered FePt alloys have a magnetocrystalline anisotropy constant in the order of 10⁷ erg/cc, which is more than ten times larger than that of currently used Co-based alloys. Such a high anisotropy will ensure thermal stability at small grain sizes leading to an areal density in the Tbit/in² regime. However, conventional recording systems based on highly coercive grains require a write field that is higher than write field provided by conventional single pole heads. Victora and Shen proposed the exchanged coupled composite ECC media, which are made of the “hard” (high magnetocrystalline anisotropy) and “soft” (low anisotropy) layers exchange coupled at their interface. Reversal is initiated in the soft phase, and a domain wall is formed at the interface between the hard and soft phases. This domain wall then propagates through the hard phase under the action of an external field, causing the reversal of the hard phase in field lower than the switching field of the single hard phase. The purpose of this thesis is the study of the switching mechanisms in the hard-soft thin films bilayers for high density data magnetic storage media. Τwo different kinds of hard-soft bilayers have been studied. The first kind of composite materials is CoPt-based hard–soft bilayers with (111) texture, which have been produced by appropriate heat treatment of the bottom layer of sputtered films: after the deposition of the bottom 20nm (hard) CoPt layer, the films were annealed in high vacuum in order to crystallize the high-anisotropy L1₀ phase, and then the sample was cooled to room temperature and the top 8nm (soft) layer CoPt was deposited. In this category of bilayers two samples with different degrees of chemical ordering of the hard layer are compared. The anisotropy of the hard layer determines its robustness against destabilization from the soft one. Detailed measurements of the soft layer minor hysteresis loop features as a function of the magnetic state of the hard layer are proposed as a means to study the nature of interfacial exchange interactions and the mechanism of magnetization reversal. When hard layer anisotropy is not robust enough (annealing at 600°C for different times), the reversed soft layer can induce irreversible changes to the magnetic structure at the interface leading to a decoupling of exchange field from the magnetic state of the hard layer. In the other category of the samples (annealing at high temperatures >650°C) the hard phase is practically unaffected by the presence of the soft layer. In order to clarify the switching mechanism, CoPt (111) hard/soft bilayers has been studied by polarized neutron reflectometry (PNR) and first order reversal curves (FORC). The FORCs of samples with underlayers of different hardnesses show the same qualitative features. The reversal of the soft and the hard phase occurs in different field, indicating a weak coupling between the two phases. PNR measurements revealed in the samples heat treated at 600°C, the lateral domain size during the soft layer reversal exceeds the coherence length of the neutron beam, resulting in strong SF scattering. In contrast no SF is observed in the robust sample (annealing at 700°C) during the soft reversal, indicating smaller domain size than the coherence length of the neutron beam. This finding is consistent with the reduced remanence values of both samples. The sample heat treated at 600°C is characterized by remanence enhancement, indicating strong intergrain coupling. On the other hand the remanence of the 700°C sample is close to 2/π = 0.64, a value expected for noninteracting domains. This could explain the increased lateral domain size of the reversal process since the intergrain coupling is expected to result in large domains that include several grains.At the point of hard layer reversal no SF is observed in both samples. Thus hard reversal involves either antiparallel domains or rotating domains of size smaller than the coherence length of the neutron beam. The latter case seems probable since hard phases are expected to have comparatively smaller domain sizes. Thus a soft domain may be coupled to several hard ones along the interface giving rise to a specific dependence of the soft phase minor hysteresis loop characteristics on the magnetic state of the hard layer. The other kind of hard-soft bilayers is FePt/CoPt. Taking the advantage of the lower transformation temperature of the fct phase in FePt (400°C) than the CoPt transformation temperature (600°C), we can anneal simultaneously both layers resulting in two discrete crystal structures: the high magnetocrystallic anisotropy tetragonal phase of FePt and the low anisotropy cubic phase of the CoPt. In this case the interface between two layers is not abrupt as in CoPt based bilayers, but it exceeds several nanometers because of the interdiffusion of Co and Fe. TEM and XRR studies confirmed the existence of the two phases with an extended interface. We have modeled the effect of thermal processing with a graded interfacial region where the material parameters (i.e. anisotropy constant K) vary continuously. The graded interface has a fundamentally different magnetization behavior than a sharp interface. With increasing the full width at half maximum of the distribution function of anisotropy constant K between the two layers, the hysteresis loop becomes more single-phase-like, indicating an enhanced exchange coupling effectiveness between the CoPt and FePt layers. Loops measurements confirmed this trend, revealing a common nucleation field for both phases, which is significantly lower than the coercive field of the FePt hard phase in a single layer film, annealed at the same conditions.

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.