DE102011017805A1 - Magnetic storage material for long-term storage of binary data - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Informatik und Datenverarbeitung und betrifft ein magnetisches Speichermaterial zur Langzeitspeicherung al ermöglicht eine sehr große Packungsdichte und kann als dünne Schicht auf einem Substrat abgeschieden werden und so zur Herstellung von Datenträgern für Festplattenspeicher dienen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Speichermaterial zur Langzeitspeicherung binärer Daten zu schaffen, das langzeitstabil in der Größenordnung von Jahren seine gerichtete Magnetisierung aufrechterhält, die Herstellung geordneter und chemisch stabiler Speicherfilme mit einer extrem hohen Packungsdichte ermöglicht und das prinzipiell ein zeitsparendes Speichern und Auslesen der Daten ermöglicht. Das erfindungsgemäße magnetische Speichermaterial besteht im Wesentlichen aus magnetisch bi- oder multistabilen Speicherpartikeln in Form einzelner paramagnetischer Atome oder einzelner superparamagnetischer Dimere oder einzelner superparamagnetischer Atomcluster im Subnanometerbereich, die einzeln in kovalent gebundene käfigartige Strukturen eingeschlossen sind, wobei die Speicherpartikel aus einem oder mehreren Elementen der Gruppen 3 bis 10 des Periodensystems der Elemente und/oder der Lanthaniden und/oder der Aktiniden bestehen und wobei die Speicherpartikel an der Innenseite der käfigartigen Strukturen gebunden sind. Die Bindung der Speicherpartikel an der Innenseite der käfigartigen Strukturen ist dabei so fest, dass ein beim Ein- und Auslesen der Informationseinheiten einwirkendes Magnetfeld die Bindung nicht zerstört.The invention relates to the field of information technology and data processing and relates to a magnetic storage material for long-term storage al enables a very high packing density and can be deposited as a thin layer on a substrate and thus serve to produce data carriers for hard disk storage. The invention has for its object to provide a magnetic storage material for long-term storage of binary data that maintains its directional magnetization long-term stable in the order of years, enables the production of orderly and chemically stable storage films with an extremely high packing density and in principle time-saving storage and reading that enables data. The magnetic storage material according to the invention essentially consists of magnetically bi- or multistable storage particles in the form of individual paramagnetic atoms or individual superparamagnetic dimers or individual superparamagnetic atom clusters in the subnanometer range, which are individually enclosed in covalently bound cage-like structures, the storage particles consisting of one or more elements of the groups 3 to 10 of the periodic table of the elements and / or the lanthanides and / or the actinides exist and the storage particles are bound to the inside of the cage-like structures. The binding of the storage particles to the inside of the cage-like structures is so firm that a magnetic field acting on the reading and reading of the information units does not destroy the binding.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Informatik und Datenverarbeitung und betrifft ein magnetisches Speichermaterial zur Langzeitspeicherung binärer Daten. Das erfindungsgemäße Speichermaterial ermöglicht eine sehr große Packungsdichte und kann als dünne Schicht auf einem Substrat abgeschieden werden und so zur Herstellung von Datenträgern für Festplattenspeicher dienen.The invention relates to the field of computer science and data processing and relates to a magnetic storage material for long-term storage of binary data. The memory material according to the invention allows a very large packing density and can be deposited as a thin layer on a substrate and thus serve for the production of data carriers for hard disk storage.

Die Langzeitspeicherung von Informationen auf magnetischen Datenträgern, z. B. auf Festplatten, erfordert eine ausreichende Stabilität der Speicherbits gegen eine spontane, thermisch bedingte Ummagnetisierung. Dazu muss die gesamte magnetische Anisotropie eines magnetischen Korns größer als 40 bis 50 kT sein, wobei k die Boltzmannkonstante und T die Umgebungstemperatur ist ( S. H. Charap, P.-L. Lu, and Y. He, IEEE Trans. Magn. 33, 978 (1997) ).The long-term storage of information on magnetic media, eg. B. on hard drives, requires sufficient stability of the memory bits against a spontaneous, thermally induced remagnetization. For this, the total magnetic anisotropy of a magnetic grain must be greater than 40 to 50 kT, where k is the Boltzmann constant and T is the ambient temperature ( SH Charap, P.-L. Lu, and Y. He, IEEE Trans. Magn. 33, 978 (1997) ).

Gegenwärtig bestehen magnetische Speicherschichten im Wesentlichen aus Kobalt (Co) mit Zusätzen von Chrom (Cr) und Platin (Pt) sowie Siliziumoxid (SiO2) zur Trennung der ca. 8 nm großen magnetischen Co(Cr,Pt)-Körner ( T. Thomson, L. Abelman, and H. Groenland, Magnetic Nanostructures in Modern Technology: Spintronics, Magnetic MEMS and Recording, NATO Science for Peace and Security Series B-Physics and Biophysics, Springer, Heidelberg, 2008, chap. Magnetic data storage: Past present and future, p. 237 ). Diese Körner enthalten etwa je 50 000 Atome. Da die magnetische Anisotropie des metallischen Co ca. 0,06 meV/Atom beträgt, kann Stabilität bei Raumtemperatur (T = 300 K) bei gleich bleibendem Material mit einer Korngröße von mindestens 15 000 Atomen gewährleistet werden, entsprechend 5 nm Korndurchmesser. Eine weitere Reduktion wäre nur bei entsprechend ständig gekühlten Speichermedien möglich.At present, magnetic memory layers consist essentially of cobalt (Co) with additions of chromium (Cr) and platinum (Pt) and silicon oxide (SiO 2 ) to separate the approximately 8 nm magnetic Co (Cr, Pt) grains ( T. Thomson, L. Abelman, and H. Groenland, Magnetic Nanostructures in Modern Technology: Spintronics, Magnetic MEMS and Recording, NATO Science for Peace and Security Series B-Physics and Biophysics, Springer, Heidelberg, 2008, chap. Magnetic data storage: Past present and future, p. 237 ). These grains contain about 50,000 atoms each. Since the magnetic anisotropy of the metallic Co is about 0.06 meV / atom, stability at room temperature (T = 300 K) can be ensured with the same material having a grain size of at least 15,000 atoms, corresponding to 5 nm grain diameter. A further reduction would be possible only with correspondingly constantly cooled storage media.

Die bekannten Speicherschichten für Festplatten haben darüber hinaus den Nachteil, dass die Fläche eines Bits bei den gegenwärtig produzierten Festplatten mit ca. 5 × 10–14 m2 wesentlich größer als die Fläche eines Korns ist, die nur ca. 10–16 m2 beträgt. Da die Körner ungeordnet auf dem Substrat abgeschieden werden, muss ein Bit viele (z. B. mehrere hundert) Körner umfassen, damit ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis erreicht wird.The known storage layers for hard disks also have the disadvantage that the area of one bit in the currently produced hard disks of approximately 5 × 10 -14 m 2 is substantially larger than the area of a grain which is only approximately 10 -16 m 2 , Since the grains are randomly deposited on the substrate, one bit must include many (e.g., several hundred) grains to achieve a good signal-to-noise ratio.

Eine prinzipielle Möglichkeit zur Datenspeicherung bietet auch die topochemische Informationsspeicherung. Unlängst wurde gezeigt ( M. Nakaya, S. Tsukamoto, Y. Kuwahara, M. Aono, and T. Nakayama, Adv. Mater. 22, 1622 (2010) ), dass man mit drei molekularen Lagen dicken, geordneten C60-Filmen hochdichte Datenspeicherung bei Raumtemperatur erreichen kann. Mit elektrischen Impulsen aus Rastertunnelspitzen können solche Filme gezielt lokal di- und trimerisiert werden (Schreibprozess). Der Löschprozess lässt sich in analoger Weise durchführen, indem die Filme mit elektrischen Impulsen wieder monomerisiert werden. Durch den Schreib- und den Löschprozess findet der Aufbau bzw. die Zerstörung einer chemischen Bindung zwischen den C60-Molekülen statt, wodurch eine Veränderung der Filmhöhe eintritt. Diese Veränderung kann mit der vorhandenen Rastertunnelspitze als Information ausgelesen werden.A principle possibility for data storage also offers topochemical information storage. Recently, it was shown ( M. Nakaya, S. Tsukamoto, Y. Kuwahara, M. Aono, and T. Nakayama, Adv. Mater. 22, 1622 (2010) ) that three molecular layers of thick ordered C 60 films can achieve high density data storage at room temperature. With electrical pulses from tunneling tunnel tips, such films can be deliberately locally di- and trimerized (writing process). The erasing process can be carried out in an analogous manner by monomerizing the films again with electrical pulses. Through the writing and erasing process, the formation or destruction of a chemical bond between the C 60 molecules takes place, whereby a change in the film height occurs. This change can be read out with the existing grid tunnel tip as information.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Datenspeicherung ist die sehr geringe Schreibgeschwindigkeit von 10–100 Hz, die aus der geringen Quanteneffizienz (10–7 Reaktionen pro Elektron) des Prozesses resultiert.A major disadvantage of this data storage is the very low writing speed of 10-100 Hz, which results from the low quantum efficiency (10 -7 reactions per electron) of the process.

Bekannt geworden ist auch die Idee, zur Datenspeicherung magnetische Metallteilchen, die aus nur zwei Atomen bestehen, auf Graphit abzuscheiden ( R. Xiao et al., Phys. Rev. Lett. 103, 187201 (2009) ). Bei genugend tiefen Temperaturen unter 15 bis 100 K haben die Metallteilchen eine stabile, d. h. nicht fluktuierende, Magnetisierung, die zur Datenspeicherung genutzt werden kann. Auf diese Weise könnten Festplatten mit einer wesentlich höheren Packungsdichte als bei herkömmlichen Festplatten hergestellt werden. Ungeklärte Probleme sind hierbei der Schutz der Metallteilchen vor Oxidation sowie die Herstellung geordneter Speicherfilme. Weiterhin sind Einzelheiten des Lese- und Schreibverfahrens ungeklärt, wobei eine prinzipielle Idee, die Verwendung einer Rastertunnelspitze, hierzu veröffentlicht wurde ( R. Xiao et al., http://arxiv.org/abs/0906.4645 ).Also known is the idea to deposit magnetic metal particles consisting of only two atoms on graphite for data storage ( R. Xiao et al., Phys. Rev. Lett. 103, 187201 (2009) ). At sufficiently low temperatures below 15 to 100 K, the metal particles have a stable, ie non-fluctuating, magnetization that can be used for data storage. In this way, hard disks could be produced with a much higher packing density than with conventional hard disks. Unexplained problems here are the protection of the metal particles from oxidation as well as the production of ordered memory films. Furthermore, details of the reading and writing process are unclear, with a basic idea, the use of a scanning tunneling tip, was published for this purpose ( R. Xiao et al., Http://arxiv.org/abs/0906.4645 ).

Es sind auch bereits polymerisierte Strukturen aus Fullerenen bekannt, die Hohlkugeln mit einem Innendurchmesser von mindestens 20 nm bilden und in denen ein frei beweglicher ferro- oder superparamagnetischer Kern mit mesoskopischen Atomzahlen von > 105 enthalten ist ( DE 198 08 865 A1 ). Die in dieser Veröffentlichung unter anderem vorgeschlagene Anwendung solcher Strukturen als magnetische Speicherelemente ist jedoch nicht funktionsfähig, weil sich die frei beweglichen Kerne nach dem Abschalten des Schreibfeldes wie Kompassnadeln im Erdmagnetfeld oder auf andere Weise, z. B. durch thermische Anregung, umorientieren würden und dabei die Information gelöscht würde.There are also already known polymerized structures of fullerenes which form hollow spheres with an inner diameter of at least 20 nm and in which a freely movable ferromagnetic or superparamagnetic core with mesoscopic atomic numbers of> 10 5 is contained ( DE 198 08 865 A1 ). However, in this publication, inter alia, proposed application of such structures as magnetic storage elements is not functional because the free moving cores after switching off the writing field such as compass needles in the earth's magnetic field or otherwise, for. B. by thermal excitation, would reorient and thereby the information would be deleted.

Bekannt sind auch ein Verfahren und eine Anordnung zur Verarbeitung von quantenmechanischen Informationseinheiten, bei denen in Fullerenen eingeschlossene einzelne Atome der Gruppe-V-Elemente Stickstoff oder Phosphor zur Anwendung kommen ( DE 100 58 243 C2 ). Hierbei wird der physikalische Effekt der Elektronen-Spinresonanz (ESR) ausgenutzt. Bei der ESR erfolgt eine Aufspaltung des zunächst zweifach entarteten Grundzustandes durch ein dauernd angelegtes äußeres Magnetfeld. Dadurch gibt es bei dieser Lösung einen einzelnen stabilen (nicht entarteten) Grundzustand und einen durch Resonanz mittels elektromagnetischer Strahlung kurzzeitig anregbaren höheren Zustand, der für die Informationsverarbeitung genutzt werden soll. In der genannten Schrift wird im Abschnitt [0011] weiter vorgeschlagen, Kernspins zur „Langzeitspeicherung” von Zwischenergebnissen heranzuziehen. Eine Langzeitspeicherung in der Größenordnung von Jahren ist damit nicht möglich, auch wenn das in der DE 100 58 243 C2 mit der irreführenden Bezeichnung „Quanten-Festplatte” suggeriert wird. Dazu wird in der korrespondierenden Veröffentlichung von B. E. Kane (Nature 393 (1998) 133) auf Seite 136 abgeschätzt, dass entsprechende Kohärenzzeiten, nach deren Ablauf die Daten gelöscht sind, zwischen 10 und 1.000 Sekunden liegen, bei sehr optimistischer Schätzung bis maximal 1.000.000 Sekunden. Damit ist eher ein Vergleich mit dem sogenannten „cache”-Speicher heutiger Recheneinheiten als mit den Festplattenspeichern angemessen, da letztere für Speicherzeiten von mindesten 10 Jahren ausgelegt sind.Also known are a method and an arrangement for processing quantum-mechanical information units in which individual atoms of the group V elements nitrogen or phosphorus are used in fullerenes ( DE 100 58 243 C2 ). Here, the physical effect of the electron spin resonance (ESR) is exploited. The ESR splits the initially doubly degenerate ground state through a permanently applied external magnetic field. As a result, in this solution there is a single stable (not degenerate) ground state and a higher state which can be excited by resonance by means of electromagnetic radiation and which is to be used for information processing. In the cited document, it is further proposed in section [0011] to use nuclear spins for "long-term storage" of intermediate results. A long-term storage of the order of years is thus not possible, even if that in the DE 100 58 243 C2 with the misleading name "quantum hard drive" is suggested. This is stated in the corresponding publication by BE Kane (Nature 393 (1998) 133) on page 136 estimated that corresponding coherence times, after which the data is deleted, are between 10 and 1,000 seconds, with a very optimistic estimate up to a maximum of 1,000,000 seconds. Thus, a comparison with the so-called "cache" memory of today's computing units is more appropriate than with the hard disk memories, since the latter are designed for storage times of at least 10 years.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetisches Speichermaterial zur Langzeitspeicherung binärer Daten zu schaffen, das langzeitstabil in der Größenordnung von Jahren seine gerichtete Magnetisierung aufrechterhält, die Herstellung geordneter und chemisch stabiler Speicherfilme mit einer extrem hohen Packungsdichte ermöglicht und das prinzipiell ein zeitsparendes Speichern und Auslesen der Daten ermöglicht.The invention has for its object to provide a magnetic storage material for long-term storage of binary data, the long-term stable on the order of years maintains its directional magnetization, the production of ordered and chemically stable storage films with an extremely high packing density and in principle a time-saving storage and readout the data allows.

Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen enthaltenen Merkmalen gelöst, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Ansprüche im Sinne einer UND-Verknüpfung einschließt.This object is achieved with the features contained in the patent claims, wherein the invention also includes combinations of the individual dependent claims in the sense of an AND operation.

Das erfindungsgemäße magnetische Speichermaterial besteht im Wesentlichen aus magnetisch bi- oder multistabilen Speicherpartikeln in Form einzelner paramagnetischer Atome oder einzelner superparamagnetischer Dimere oder einzelner superparamagnetischer Atomcluster im Subnanometerbereich, die einzeln in kovalent gebundene käfigartige Strukturen eingeschlossen sind, wobei die Speicherpartikel aus einem oder mehreren Elementen der Gruppen 3 bis 10 des Periodensystems der Elemente und/oder der Lanthaniden und/oder der Aktiniden bestehen und wobei die Speicherpartikel an der Innenseite der käfigartigen Strukturen gebunden sind.The magnetic storage material according to the invention consists essentially of magnetically bi- or multistable storage particles in the form of individual paramagnetic atoms or individual superparamagnetic dimers or individual superparamagnetic atom clusters in the subnanometer range, which are individually enclosed in covalently bound cage-like structures, wherein the storage particles consist of one or more elements of the groups 3 to 10 of the Periodic Table of the Elements and / or the lanthanides and / or the actinides and wherein the storage particles are bonded to the inside of the cage-like structures.

Die Bindung der Speicherpartikel an der Innenseite der käfigartigen Strukturen ist dabei so fest, dass ein beim Ein- und Auslesen der Informationseinheiten einwirkendes Magnetfeld die Bindung nicht zerstört.The binding of the storage particles on the inside of the cage-like structures is so strong that a magnetic field acting upon reading in and out of the information units does not destroy the bond.

Die kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen sind gemäß der Erfindung ungeordnet oder periodisch geordnet als Schicht auf einem Substrat angeordnet und können aus Kohlenstoff, Silizium, Germanium, Zinn und/oder Bornitrid bestehen.The covalently bonded cage-like structures according to the invention are randomly or periodically arranged as a layer on a substrate and may consist of carbon, silicon, germanium, tin and / or boron nitride.

Gemäß zweckmäßigen Ausgestaltungen der Erfindung sind die kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen Cn- oder (BN)n-Fullerene oder geschlossene ein- oder mehrwandige Nanoröhren.According to advantageous embodiments of the invention are covalently linked cage-type structures C n - or (BN) n fullerenes or closed single- or multi-walled nanotubes.

Erfindungsgemäß weisen die an der Innenseite der käfigartigen Strukturen gebundenen Speicherpartikel eine magnetokristalline Anisotropie ≥ 5 meV/Atom auf.According to the invention, the storage particles bonded to the inside of the cage-like structures have a magnetocrystalline anisotropy ≥ 5 meV / atom.

Als superparamagnetisches Dimer sind erfindungsgemäß vorzugsweise Co2, Fe2, Gd2, Rh2, Ru2, CoIr oder CoFe vorgesehen und an der Innenseite der käfigartigen Strukturen als Speicherpartikel gebunden.As a superparamagnetic dimer, Co 2 , Fe 2 , Gd 2 , Rh 2 , Ru 2 , CoIr or CoFe are preferably provided according to the invention and bonded to the inside of the cage-like structures as storage particles.

Die superparamagnetischen Atomcluster sind erfindungsgemäß vorzugsweise lineare Ketten paramagnetischer Atome, die an der Innenseite der käfigartigen Strukturen als Speicherpartikel gebunden sind.The superparamagnetic atomic clusters according to the invention are preferably linear chains of paramagnetic atoms which are bound to the inside of the cage-like structures as storage particles.

Die käfigartigen Strukturen sind zweckmäßigerweise als Schicht auf einem Substrat angeordnet. Dieses kann aus C, Si, Ge, BN und/oder GaAs bestehen oder ein metallisches Substrat sein.The cage-like structures are expediently arranged as a layer on a substrate. This may consist of C, Si, Ge, BN and / or GaAs or be a metallic substrate.

Das metallische Substrat kann vorzugsweise ein auf einem Trägermaterial aufgebrachter Goldfilm sein.The metallic substrate may preferably be a gold film applied to a substrate.

Das erfindungsgemäße Speichermaterial weist gegenüber den bei den bekannten Festplatten verwendeten Speichermaterialien wesentliche Vorteile auf.The storage material according to the invention has significant advantages over the storage materials used in the known hard disks.

Ein wesentlicher Vorteil besteht in der extrem größeren Packungsdichte von bis zu 1018 Bit/m2. Außerdem ist es bekanntermaßen möglich, geordnete Filme von käfigartigen Strukturen auf einem Substrat herzustellen ( E. I. Altman and R. J. Colton, Surf. Sci. 279, 49 (1992) ), wodurch entscheidende Vorteile beim Lese- und Schreibprozess zu erwarten sind.A major advantage is the extremely larger packing density of up to 10 18 bits / m 2 . In addition, it is known to be possible to produce ordered films of cage-like structures on a substrate ( EI Altman and RJ Colton, Surf. Sci. 279, 49 (1992) ), which offers significant advantages in the reading and writing process.

Gegenüber der Idee gemäß R. Xiao et al., Phys. Rev. Lett. 103, 187201 (2009) ergeben sich als Vorteile zum einen die zu erwartende chemische Beständigkeit des Speichermaterials durch die Schutzfunktion der kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen, zum anderen die Möglichkeit der geordneten Abscheidung.According to the idea R. Xiao et al., Phys. Rev. Lett. 103, 187201 (2009) On the one hand, the expected chemical resistance of the storage material through the protective function of the covalently bonded cage-like structures and, on the other hand, the possibility of ordered deposition result.

Gegenüber der Prinzipiendemonstration von M. Nakaya, S. Tsukamoto, Y. Kuwahara, M. Aono, and T. Nakayama, Adv. Mater. 22, 1622 (2010) ergibt sich als Vorteil die zu erwartende wesentlich höhere Schreibgeschwindigkeit.Compared to the principle demonstration of M. Nakaya, S. Tsukamoto, Y. Kuwahara, M. Aono, and T. Nakayama, Adv. 22, 1622 (2010) As an advantage results in the expected much higher write speed.

Die erfindungsgemäße Lösung unterscheidet sich auch wesentlich von dem im Stand der Technik erwähnten Verfahren gemäß der DE 100 58 243 C2 . Während die bekannte Lösung zur Verarbeitung von Informationseinheiten dient, beinhaltet die erfindungsgemäße Lösung ein Material zur Speicherung von Informationseinheiten. Der bei der bekannten Lösung genutzte Effekt der Elektronen-Spinresonanz (ESR) ermöglicht nur eine kurzzeitige, dynamische Kontrolle des Spinzustandes der Elektronen, aber keine Langzeitspeicherung in der Größenordnung von Jahren, wie sie im Rahmen der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe angestrebt wird. Bei der ESR erfolgt nämlich eine Aufspaltung des zunächst zweifach entarteten Grundzustandes durch ein dauernd angelegtes äußeres Magnetfeld. Dadurch gibt es bei dieser bekannten Lösung einen einzelnen stabilen (nicht entarteten) Grundzustand und einen durch Resonanz mittels elektromagnetischer Strahlung kurzzeitig anregbaren höheren Zustand, der für die Informationsverarbeitung genutzt werden soll.The solution according to the invention also differs substantially from the method mentioned in the prior art according to the DE 100 58 243 C2 , While the known solution is for processing information units, the inventive solution includes a material for storing information units. The effect of the electron spin resonance (ESR) used in the known solution allows only a short-term, dynamic control of the spin state of the electrons, but no long-term storage of the order of years, as is desirable in the context of the object underlying the present invention. In ESR, a splitting of the initially doubly degenerate ground state occurs due to a permanently applied external magnetic field. As a result, in this known solution there is a single stable (not degenerate) ground state and a higher state which can be excited by resonance by means of electromagnetic radiation and which is to be used for information processing.

Dem gegenüber werden erfindungsgemäß Systeme beschrieben, die einen bistabilen (entarteten) Grundzustand besitzen, wobei beide Realisierungen dieses Grundzustandes („0” oder „1” in der Bedeutung als Informationsträger) durch eine hohe Barriere getrennt und deshalb langzeitstabil (Größenordnung 10 Jahre) sind. Physikalische Grundlage der hohen Barriere und damit der Langzeitspeicherung ist eine große magnetische Anisotropie.On the other hand, according to the invention systems are described which have a bistable (degenerate) ground state, whereby both implementations of this ground state ("0" or "1" in the meaning as information carrier) are separated by a high barrier and therefore long-term stable (order of magnitude 10 years). Physical basis of the high barrier and thus the long-term storage is a large magnetic anisotropy.

Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal der Erfindung besteht auch darin, dass die Speicherpartikel fest an die Innenseite der käfigartigen Strukturen gebunden sind, während bei der bekannten Lösung DE 100 58 243 C2 darauf hingewiesen wird, dass das eingeschlossene Atom nicht an die Innenseite des Käfigs gebunden ist. Erfindungsgemäß ist eine solche Bindung für die Funktion ausschlaggebend, weil ein ungebundenes Atom oder ein ungebundenes Dimer oder ein ungebundener Cluster keine magnetische Anisotropie aufweist.An important distinguishing feature of the invention is also that the storage particles are firmly bound to the inside of the cage-like structures, whereas in the known solution DE 100 58 243 C2 It should be noted that the occluded atom is not bound to the inside of the cage. According to the invention such a bond is crucial for the function, because an unbound atom or an unbound dimer or an unbound cluster has no magnetic anisotropy.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied besteht auch in der Art der eingeschlossenen Partikel. Während gemäß DE 100 58 243 C2 einzelne Atome der Gruppe-V-Elemente Stickstoff und Phosphor verwendet sind, handelt es sich erfindungsgemäß um Atome, Dimere oder Cluster von Elementen der Gruppen 3 bis 10 oder der Lanthanide oder der Aktinide.Another essential difference is the type of particles included. While according to DE 100 58 243 C2 individual atoms of the group V elements nitrogen and phosphorus are used, according to the invention are atoms, dimers or clusters of elements of groups 3 to 10 or the lanthanides or actinides.

Nachstehend ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments.

Beispiel 1example 1

Das Beispiel betrifft ein magnetisches Speichermaterial zur Langzeitspeicherung binärer Daten.The example relates to a magnetic storage material for long-term storage of binary data.

Das Speichermaterial besteht hierbei aus einem Substrat aus Gold, welches sich als dünner Film auf einem geeigneten Trägermaterial befindet, und einer darauf aufgebrachten zirka 1 nm dicken Schicht, die aus kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen besteht. Die vorhandenen kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen sind periodisch geordnet und bestehen aus C60-Fullerenen mit jeweils einem endohedralen Co-Dimer (Co2@C60).The storage material here consists of a substrate made of gold, which is in the form of a thin film on a suitable support material, and a layer of about 1 nm thick applied thereto, which consists of covalently bonded cage-like structures. The existing covalently bound cage-like structures are arranged periodically and consist of C 60 fullerenes, each with an endohedral co-dimer (Co 2 @C 60 ).

Die Co-Dimere sind an der Innenseite der C60-Fullerene fest gebunden und dienen als magnetische Speicherpartikel.The co-dimers are firmly bound to the inside of the C 60 fullerenes and serve as magnetic storage particles.

Für die Herstellung der Schicht eignen sich die bereits bekannten Verfahren zur Abscheidung von endohedralen Fullerenen, wie sie beispielsweise in E. I. Altman and R. J. Colton, Surf. Sci. 279, 49 (1992) beschrieben sind.For the production of the layer, the already known methods for the deposition of endohedral fullerenes, as they are for example in EI Altman and RJ Colton, Surf. Sci. 279, 49 (1992) are described.

Beispiel 2Example 2

Dieses Beispiel betrifft ein weiteres magnetisches Speichermaterial zur Langzeitspeicherung binärer Daten.This example relates to another magnetic storage material for long-term storage of binary data.

Das Speichermaterial besteht hierbei aus einem Substrat aus Graphit oder Graphen, welches sich auf einem geeigneten Trägermaterial befindet, und einer darauf aufgebrachten zirka 0,5 nm dicken Schicht kovalent gebundener käfigartiger Strukturen aus Co2Ge18. Diese Strukturen sind periodisch geordnet. Sie bestehen aus Ge18-Käfigen in der Form hexagonaler Prismen aus drei Ge6-Lagen, in denen Co-Dimere eingeschlossen sind, die hier als magnetische Speicherpartikel dienen und an der Innenseite der kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen aus Co2Ge18 fest gebunden sind. Die Struktur dieser Partikel entspricht der Struktur des Co2Si18, die in J. Wie-xiao and L. Chenglin, Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 18, 025011 (2010) mit 1 gezeigt ist.The storage material in this case consists of a substrate made of graphite or graphene, which is located on a suitable support material, and a 0.5 nm thick layer of covalently bonded cage-like structures of Co 2 Ge 18 applied thereto. These structures are arranged periodically. They consist of Ge 18 cages in the form of hexagonal prisms of three Ge 6 layers, in which co-dimers are included, which serve here as magnetic storage particles and are firmly bound to the inside of the covalently bonded cage-like structures of Co 2 Ge 18 , The structure of these particles corresponds to the structure of Co 2 Si 18 , which in J. Wie-xiao and L. Chenglin, Modeling Simul. Mater. Sci. Closely. 18, 025011 (2010) With 1 is shown.

Für die Herstellung der kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen eignet sich beispielsweise das von E. Janssens et al., Phys. Rev. Lett. 99, 063401 (2007) für Co2Si18 beschriebene Verfahren.For the preparation of the covalently bonded cage-like structures, for example, is suitable from E. Janssens et al., Phys. Rev. Lett. 99, 063401 (2007) for Co 2 Si 18 described method.

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Claims (11)

Magnetisches Speichermaterial zur Langzeitspeicherung binärer Daten, bestehend aus magnetisch bi- oder multistabilen Speicherpartikeln in Form einzelner paramagnetischer Atome oder einzelner superparamagnetischer Dimere oder einzelner superparamagnetischer Atomcluster im Subnanometerbereich, eingeschlossen in kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen, wobei die Speicherpartikel aus einem oder mehreren Elementen der Gruppen 3 bis 10 des Periodensystems der Elemente und/oder der Lanthaniden und/oder der Aktiniden bestehen und wobei die Speicherpartikel an der Innenseite der käfigartigen Strukturen gebunden sind.Magnetic storage material for long-term storage of binary data consisting of magnetically bi- or multistable storage particles in the form of individual paramagnetic atoms or individual superparamagnetic dimers or individual superparamagnetic atom clusters in the subnanometer range, enclosed in covalently bound cage-like structures, wherein the storage particles consist of one or more elements of Groups 3 to 10 of the Periodic Table of the Elements and / or the lanthanides and / or the actinides exist and wherein the storage particles are bonded to the inside of the cage-like structures. Magnetisches Speichermaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen ungeordnet oder periodisch geordnet als Schicht auf einem Substrat angeordnet sind.Magnetic storage material according to claim 1, characterized in that the covalently bonded cage-like structures are arranged disorderly or periodically arranged as a layer on a substrate. Magnetisches Speichermaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen aus Kohlenstoff (C), Silizium (Si), Germanium (Ge), Zinn (Sn) und/oder Bornitrid (BN) bestehen.Magnetic memory material according to at least one of claims 1 or 2, characterized in that the covalently bonded cage-like structures of carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge), tin (Sn) and / or boron nitride (BN) exist. Magnetisches Speichermaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen Cn- oder (BN)n-Fullerene sind.Magnetic storage material according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the covalently bonded cage-like structures C n - or (BN) n -Fullerene. Magnetisches Speichermaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kovalent gebundenen käfigartigen Strukturen geschlossene ein- oder mehrwandige Nanoröhren sind.Magnetic memory material according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the covalently bonded cage-like structures are closed single- or multi-walled nanotubes. Magnetisches Speichermaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die an der Innenseite der käfigartigen Strukturen gebundenen Speicherpartikel eine magnetokristalline Anisotropie ≥ 5 meV/Atom aufweisen.Magnetic memory material according to at least one of claims 1 to 5, characterized in that the memory particles bound to the inside of the cage-like structures have a magnetocrystalline anisotropy ≥ 5 meV / atom. Magnetisches Speichermaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite der käfigartigen Strukturen als superparamagnetische Dimere Co2, Fe2, Gd2, Rh2, Ru2, CoIr oder CoFe als Speicherpartikel gebunden sind.Magnetic memory material according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that are bound to the inside of the cage-like structures as superparamagnetic dimers Co 2 , Fe 2 , Gd 2 , Rh 2 , Ru 2 , CoIr or CoFe as storage particles. Magnetisches Speichermaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an der Innenseite der käfigartigen Strukturen als superparamagnetische Atomcluster linearen Ketten paramagnetischer Atome als Speicherpartikel gebunden sind.Magnetic memory material according to at least one of claims 1 to 6, characterized in that linear chains of paramagnetic atoms are bound as storage particles on the inside of the cage-like structures as superparamagnetic atomic clusters. Magnetisches Speichermaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die käfigartigen Strukturen auf einem aus C, Si, Ge, BN und/oder GaAs bestehenden Substrat als Schicht angeordnet sind.Magnetic memory material according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the cage-like structures are arranged on a substrate consisting of C, Si, Ge, BN and / or GaAs as a layer. Magnetisches Speichermaterial nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die käfigartigen Strukturen auf einem metallischen Substrat als Schicht angeordnet sind.Magnetic memory material according to at least one of claims 1 to 8, characterized in that the cage-like structures are arranged on a metallic substrate as a layer. Magnetisches Speichermaterial nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Substrat ein auf einem Trägermaterial aufgebrachter Goldfilm ist.Magnetic memory material according to claim 10, characterized in that the metallic substrate is a gold film applied to a carrier material.
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