DE10215505A1 - Antiferromagnetisches Schichtsystem und Verfahren zur magnetischen Datenspeicherung in derartigen antiferromagnetischen Schichtsystemen - Google Patents

Antiferromagnetisches Schichtsystem und Verfahren zur magnetischen Datenspeicherung in derartigen antiferromagnetischen Schichtsystemen

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DE10215505A1
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Oliver De Haas
Rudolf Schaefer
Claus Schneider
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Institut fuer Festkoerper und Werkstofforschung Dresden eV
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft antiferromagnetische Schichtsysteme und Verfahren zur magnetischen Datenspeicherung, die beispielsweise in Computerfestplatten zur Anwendung kommen können. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines antiferromagnetischen Schichtsytems und von Verfahren, mit deren Hilfe ein gezieltes Einschreiben und Lesen von Informationen in derartigen antiferromagnetischen Schichtsystemen möglich ist. DOLLAR A Gelöst wird die Aufgabe durch ein antiferromagnetisches Schichtsystem, bestehend aus mindestens einer ferromagnetischen und mindestens einer antiferromagnetischen Schicht, wobei die Curie-Temperatur des ferromagnetischen Schichtmaterials über der Blockingtemperatur des antiferromagnetischen Schichtmaterials liegt, und bei dem die ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schicht(en) durch Austauschanisotropieeffekte miteinander mindestens hinsichtlich ihrer Magnetisierungskonfiguration gekoppelt sind, und bei dem die Schichtdicke der antiferromagnetischen Schicht(en) eine Funktion der Betriebstemperatur des eingesetzten antiferromagnetischen Schichtsystems ist, wobei mit zunehmenden Betriebstemperaturen die Schichtdicken ebenfalls zunehmen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstofftechnik und betrifft antiferromagnetische Schichtsysteme und Verfahren zur magnetischen Datenspeicherung in derartigen antiferromagnetischen Schichtsystemen, die beispielsweise in Computerfestplatten oder in anderen magnetischen Massenspeichern zur Anwendung kommen können.
Zur magnetischen Datenspeicherung werden bisher granulare hartmagnetische Materialien wie z. B. aufgestäubte Kobalt-Platin-Schichten und Schichtsysteme als Speichermedium verwendet. Die Speicherinformation liegt in Form der magnetischen Struktur vor, wobei sich eine magnetische Domäne über mehrere Körner erstreckt. Ein Übergang zwischen zwei entgegengesetzt magnetisierten Bereichen stellt eine Speichereinheit (ein Bit) dar. Die Information wird durch lokale magnetische Felder eingeschrieben und kann somit durch starke externe Felder unbeabsichtigt verändert oder gelöscht werden. Die Funktionsweise diese herkömmlichen Speicherplatten wird in den Patenten US 4,789,598 und US 5,523,173 beschrieben.
In den letzten Jahren konnte durch Weiterentwicklung der magnetischen Materialien und Bauteile eine jährliche Steigerung der Speicherdichte von ca. 30% und mehr erreicht werden. Die Erhöhung der Speicherdichte verringert die Fläche, die einer Speichereinheit zur Verfügung steht umgekehrt proportional. Damit rücken benachbarte Domänenübergänge näher zusammen. Deren Streufeld, das auch zum Auslesen der Information über Mangetowiderstands-Leseköpfe genutzt wird, destabilisiert aber die Magnetisierung der einzelnen Domänen. Gleichzeitig erhöht sich bei Verkleinerung der magnetischen Bereiche auch deren Anfälligkeit gegenüber thermischen Fluktuationen und durch sie bewirkte Ummagnetisierungsprozesse. Letzeres wird auch als "superparamagnetisches Limit" bezeichnet. Um kleinere Bereiche dennoch stabil zu magnetisieren, muss die magnetische Anisotropie der magnetischen Körner erhöht oder deren Magnetisierung und damit das Streufeld verringert werden. Beide Möglichkeiten um Informationen schreiben zu können, führen zu einer Erhöhung der Koerzitivfeldstärke, die nötig ist, um einen Bereich umzumagnetisieren. Das Magnetfeld, welches vom Schreibkopf erzeugt werden kann, ist durch die Sättigungsmagnetisierung des Jochmaterials begrenzt. Aufgrund der genannten Einschränkungen findet die magnetische Speicherdichte bei ca. 100 Gbit/Zoll^2 (15,5 Gbit/cm^2) ein oberes Maximum.
In antiferromagnetischen Materialien sind benachbarte atomare Momente im Gegensatz zu Ferromagneten nicht parallel, sondern antiparallel ausgerichtet. Sie haben deshalb eine verschwindende mittlere Magnetisierung. Werden die beiden antiparallel ausgerichteten magnetischen Untergitter (nur die Atome, deren Spins den gleichen Richtungssinn haben) betrachtet, so nehmen die Untergittermagnetisierungen bestimmte Richtungen bevorzugt ein. Wie die Ferromagnete besitzen Antiferromagnete im allgemeinen eine ein- oder mehrachsige Anisotropie. Antiferromagnete wechselwirken aufgrund des verschwindenden Gesamtmomentes nicht mit externen Magnetfeldern, solange die antiparallele Ausrichtung der Untergitter nicht aufgebrochen wird.
Aufgrund der intrinsischen magnetischen Eigenschaften eines Antiferromagneten kann dieser als Speichermedium dienen. Die Untergittermagnetisierungen des Antiferromagneten sind auf Magnetfelder, wie sie in technischen Geräten vorkommen, nicht empfindlich. Eine eingeschriebene Information wäre daher unempfindlich gegen Störfelder. Zusätzlich kann der Übergangsbereich zwischen zwei Domänen sehr schmal gehalten werden, da im Antiferromagneten Übergänge zwischen entgegengesetzten Untergittermagnetisierungen auf atomarer Skala möglich sind. Aufgrund der verschwindenden mittleren Magnetisierung erzeugen antiferromagnetische Domänen keine Streufelder. Dadurch sind auch keine Entmagnetisierungseffekte zu erwarten. Antiferromagneten bieten daher die Voraussetzung für eine deutliche Erhöhung der Speicherdichte gegenüber herkömmlichen ferromagnetischen Schichten. Bislang ist es aber nicht möglich Informationen gezielt in den Antiferromagneten einzuschreiben. Ebenso ist noch keine Methode für das Auslesen von Informationen aus Antiferromagneten bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines antiferromagnetischen Schichtsystems und von Verfahren, mit deren Hilfe ein gezieltes Einschreiben und Lesen von Informationen in derartigen antiferromagnetischen Schichtsystemen möglich ist.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße antiferromagnetische Schichtsystem besteht aus mindestens einer ferromagnetischen und mindestens einer antiferromagnetischen Schicht, wobei die Curie-Temperatur des ferromagnetischen Schichtmaterials über der Blockingtemperatur des Schichtsystems liegt. Dabei sind die ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schicht(en) durch Austauschanisotropieeffekte miteinander mindestens hinsichtlich ihrer Magnetisierungskonfiguration gekoppelt. Unter Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit der Rückwirkung der ferromagnetischen Schicht auf die antiferromagnetische Schicht kann durch die Auswahl der Dicke der antiferromagnetischen Schicht die Temperaturabhängigkeit der Stabilität der Magnetisierungskonfiguration gesteuert werden. Damit sind die Schichtdicken der antiferromagnetischen Schicht(en) eine Funktion der Betriebstemperatur des eingesetzten antiferromagnetischen Schichtsystems, wobei mit zunehmender Betriebstemperatur die Schichtdicken ebenfalls zunehmen.
Auf diese Art und Weise ist es möglich, eine bei Betriebstemperatur gegen hohe Magnetfelder stabile Information zu speichern und durch gesteuerte Temperaturerhöhung in vorteilhafterweise relativ geringen Bereichen das Einschreiben und Lesen von Daten in die antiferromagnetische Schicht(en) zu erreichen.
Vorteilhafterweise sind die ferromagnetische(n) und antiferromagnetische(n) Schicht(en) nicht oder nur teilweise im direkten Kontakt, wobei in jedem Fall eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Schichten realisiert ist.
Es ist auch vorteilhaft, wenn zwischen mindestens einer der ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten eine nichtmagnetische Zwischenschicht angeordnet ist, wobei die magnetische Wechselwirkung zwischen der ferromagnetischen und der antiferromagnetischen Schicht durch die nichtmagnetische Zwischenschicht nicht wesentlich behindert werden darf.
Vorteilhafterweise weisen die nichtmagnetischen Zwischenschichten Schichtdicken zwischen 0,2 und 2,0 nm auf.
Ebenfalls vorteilhafterweise sind die Schichtsysteme ausgedehnt und/oder strukturiert.
Auch vorteilhafterweise ist als ferromagnetisches Schichtmaterial NiFe (Permalloy) eingesetzt.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass als antiferromagnetisches Schichtmaterial NiO, IrMn und/oder FeMn eingesetzt sind.
Es ist auch vorteilhaft, wenn bei Betriebstemperaturen zwischen 0 und 150°C Schichtdicken der antiferromagnetischen Schicht zwischen 1 und 20 nm vorhanden sind.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die Schichten laterale Abmessungen im Mikro- und/oder Nanobereich aufweisen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur magnetischen Datenspeicherung in antiferromagnetischen Schichtsystemen wird mindestens ein Schichtsystem aus mindestens einer ferromagnetischen Schicht und aus mindestens einer antiferromagnetischen Schicht hergestellt. Dabei weist das eingesetzte ferromagnetische Schichtmaterial eine Curie-Temperatur oberhalb der Blockingtemperatur des eingesetzten antiferromagnetischen Schichtmaterials auf. Die mindestens eine antiferromagnetische Schicht des Schichtsystems wird einer ein- oder mehrstufigen lokalen Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der Blockingtemperatur des antiferromagnetischen Schichtmaterials und unterhalb der Curie-Temperatur des ferromagnetischen Schichtmaterials unterzogen und anschließend wird die Abkühlung in Gegenwart eines globalen oder lokalen gerichteten Magnetfeldes durchgeführt.
Vorteilhafterweise wird die lokale Wärmebehandlung mittels eines Lasers, einer Nahfeldoptik oder einer leitfähigen Rastersondenspitze durchgeführt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird das Lesen der gespeicherten Daten über magnetooptische oder magnetoresistive Verfahren durchgeführt.
Werden eine antiferromagnetische Schicht und eine ferromagnetische Schicht in Kontakt gebracht, so koppeln diese über Austauschanisotropieeffekte mindestens hinsichtlich ihrer Magnetisierungskonfiguration. Abhängig von der Balance der Stabilitäten (Anisotropien) der ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schicht bildet sich in der antiferromagnetischen Schicht eine Magnetisierungskonfiguration, die derjenigen der ferromagnetischen Schicht folgt oder in der ferromagnetischen Schicht eine Magnetisierungskonfiguration, die derjenigen der antiferromagnetischen Schicht folgt. Durch Temperaturerhöhung über die Blockingtemperatur wird die Stabilität der Magnetisierungskonfiguration der antiferromagnetischen Schicht so stark geschwächt, dass diese die Magnetisierungskonfiguration der ferromagnetischen Schicht annimmt und diese beim Abkühlen unter die Blockingtemperatur beibehält.
Bei dem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur magnetischen Datenspeicherung in antiferromagnetischen Schichtsystemen wird das eingesetzte antiferromagnetische Schichtsystem bei einer Betriebstemperatur oberhalb der Blockingtemperatur der antiferromagnetischen Schicht eingesetzt. Über ein ferromagnetisches Bauteil wird dann die Magnetisierungskonfiguration des ferromagnetischen Bauteils in der antiferromagnetischen Schicht mittels Austauschkopplung lokal gespeichert und/oder die Magnetisierungskonfiguration der antiferromagnetischen Schicht von dem ferromagnetischen Bauteil gelesen. Dabei wird zum Speichern der Daten ein Magnetfeld angelegt und das Lesen der Daten wird ohne Anlegen eines Magnetfeldes durchgeführt.
Im weiteren wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Dabei zeigt
Fig. 1 den Aufbau eines Datenspeichers aus dem erfindungsgemäßen Schichtsystem unter Einsatz von Bauteilen zur lokalen Temperaturerhöhung und
Fig. 2 den Aufbau eines Datenspeichers aus dem erfindungsgemäßen Schichtsystem unter Einsatz eines magnetischen Bauteils zur Speicherung der Daten.
Beispiel 1
Auf eine kreisrunde Scheibe, die als Trägermaterial dient, wird ein Schichtsystem, bestehend aus 12 nm NiO, 10 nm Ni81Fe19 und 2 nm Ta als Oxidationsbarriere mittels Kathodenzerstäubung bei 20°C flächig aufgebracht. Während der Schichtabscheidung liegt ein rotationssymmetrisches Magnetfeld der Stärke 1 kA/cm an. Die Blockingtemperatur des so hergestellten Schichtsystems liegt bei 70°C. Im Betrieb rotiert die Scheibe unter einem beweglichen Schreib-Lese-Kopf. Im Temperaturbereich von 0°C bis 70°C, der Betriebstemperatur, lässt sich die antiferromagnetische Schicht durch Magnetfelder bis 0,5 T nicht beeinflussen. Durch Einkoppeln eines energiereichen Lichtfleckes in Rotationsrichtung unmittelbar vor dem Schreib-Lese-Kopf, lässt sich das Schichtsystem auf Temperaturen von < 85° erwärmen. Die Größe des erwärmten Bereichs hängt von der Größe des Lichtfleckes ab. Durch einen fokussierten Laserstrahl wird ein Lichtfleck von 300 nm Durchmesser erzielt oder durch eine Nahfeldoptik (angespitzter Lichtwellenleiter) das Licht auf eine Fläche von wenigen zehn nm konzentriert.
Durch das lokale Überschreiten der Blockingtemperatur wird die durch den Schreibkopf in der ferromagnetischen Schicht erzeugte Magnetisierung in die Magnetisierungskonfiguration der antiferromagnetischen Schicht übertragen. Da sich die Scheibe unter dem Lichtfleck und dem Schreib-Lese-Kopf hinwegbewegt, kühlt die beschriebene Stelle unmittelbar nach dem Schreibvorgang wieder unter die Blockingtemperatur von 70°C ab, so dass die eingeschriebene Information stabil gegen äußere Felder ist. Zum Auslesen der geschriebenen Information dient das Streufeld der ferromagnetischen Ni81Fe19-Schicht, das von einen magnetoresistiven Lesekopf gemessen wird.
Beispiel 2
Auf eine kreisrunde Scheibe, die als Trägermaterial dient, wird eine 8 nm dicke NiO- Schicht mittels Kathodenzerstäubung bei 20°C flächig aufgebracht. Während der Schichtabscheidung liegt ein rotationssymmetrisches Magnetfeld der Stärke 1 kA/cm an. Im Betrieb bewegt sich die Scheibe unter einem ebenfalls beweglichen Schreib- Lese-Kopf. Der Schreib-Lese-Kopf besteht aus einem Schichtsystem NiFe(1 nm) Cu (0,8 nm) Co (10 nm) sowie einem magnetischen Joch, welches von einer Stromspule umgeben ist und in dessen Öffnung sich das Schichtsystem befindet. Zum Schreiben wird der Schreib-Lese-Kopf an die Speicherscheibe angenähert, bis die magnetische Kopplung zwischen der antiferromagnetischen NiO-Schicht und der 1 nm dicken Ni81Fe19-Schicht des Lesekopfes hergestellt ist. Durch einen Strom in der Stromspule wird der Ni81Fe19-Schicht eine Magnetisierung aufgezwungen, die durch die Austauschanisotropie von der antiferromagnetischen Schicht übernommen wird. Zum Auslesen der Information wird der Schreib-Lese-Kopf auf die gleiche Weise wie zum Schreiben an die Speicherscheibe angenähert. Jedoch fließt kein Strom durch die Spule, so dass sich die dadurch freie Ni81Fe19-Schicht entsprechend der Austauschanisotropie der antiferromagnetischen NiO-Schicht ausrichtet.
Bezugszeichenliste
1
ferromagnetische Schicht
2
antiferromagnetische Schicht
3
Trägerschicht
4
Schreib-Lese-Kopf
5
Sammellinse
6
Laser-Strahl
7
Nahfeldoptik
8
erwärmter Bereich

Claims (13)

1. Antiferromagnetisches Schichtsystem, bestehend aus mindestens einer ferromagnetischen und mindestens einer antiferromagnetischen Schicht, wobei die Curie-Temperatur des ferromagnetischen Schichtmaterials über der Blockingtemperatur des antiferromagnetischen Schichtmaterials liegt, und bei dem die ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schicht(en) durch Austauschanisotropieeffekte miteinander mindestens hinsichtlich ihrer Magnetisierungskonfiguration gekoppelt sind, und bei dem die Schichtdicke der antiferromagnetischen Schicht(en) eine Funktion der Betriebstemperatur des eingesetzten antiferromagnetischen Schichtsystems ist, wobei mit zunehmenden Betriebstemperaturen die Schichtdicken ebenfalls zunehmen.
2. Antiferromagnetisches Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die ferromagnetische(n) und antiferromagnetische(n) Schicht(en) nicht oder nur teilweise im direkten Kontakt stehen, wobei in jedem Fall eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Schichten realisiert ist.
3. Antiferromagnetisches Schichtsystem nach Anspruch 2, bei dem zwischen mindestens einer der ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten eine nichtmagnetische Zwischenschicht angeordnet ist, wobei die magnetische Wechselwirkung zwischen der ferromagnetischen und der antiferromagnetischen Schicht durch die nichtmagnetische Zwischenschicht nicht wesentlich behindert werden darf.
4. Antiferromagnetisches Schichtsystem nach Anspruch 3, bei dem die nichtmagnetischen Zwischenschichten Schichtdicken zwischen 0,2 und 2,0 nm aufweisen.
5. Antiferromagnetisches Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Schichtsysteme ausgedehnt und/oder strukturiert sind.
6. Antiferromagnetisches Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem als ferromagnetisches Schichtmaterial NiFe (Permalloy) eingesetzt ist.
7. Antiferromagnetisches Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem als antiferromagnetisches Schichtmaterial NiO, IrMn und/oder FeMn eingesetzt sind.
8. Antiferromagnetisches Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem bei Betriebstemperaturen zwischen 0 und 150°C Schichtdicken der antiferromagnetischen Schicht zwischen 1 und 20 nm realisiert sind.
9. Antiferromagnetisches Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Schichten laterale Abmessungen im Mikro- und/oder Nanobereich aufweisen.
10. Verfahren zur magnetischen Datenspeicherung in antiferromagnetischen Schichtsystemen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem mindestens ein Schichtsystem aus mindestens einer ferromagnetischen Schicht und aus mindestens einer antiferromagnetischen Schicht hergestellt wird, wobei das eingesetzte ferromagnetische Schichtmaterial eine Curie-Temperatur oberhalb der Blockingtemperatur des eingesetzten antiferromagnetischen Schichtmaterials aufweist, und die mindestens eine antiferromagnetische Schicht des Schichtsystems einer ein- oder mehrstufigen lokalen Wärmebehandlung bei einer Temperatur oberhalb der Blockingtemperatur des antiferromagnetischen Schichtmaterials und unterhalb der Curie-Temperatur des ferromagnetischen Schichtmaterials unterzogen wird, und anschließend die Abkühlung in Gegenwart eines globalen oder lokalen gerichteten Magnetfeldes durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die lokale Wärmebehandlung mittels eines Lasers, einer Nahfeldoptik oder einer leitfähigen Rastersondenspitze durchgeführt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das Lesen der gespeicherten Daten über magnetooptische oder magnetoresistive Verfahren durchgeführt wird.
13. Verfahren zur magnetischen Datenspeicherung in antiferromagnetischen Schichtsystemen nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das eingesetzte antiferromagnetische Schichtsystem bei einer Betriebstemperatur oberhalb der Blockingtemperatur der antiferromagnetischen Schicht eingesetzt wird und über ein ferromagnetisches Bauteil die Magnetisierungskonfiguration des ferromagnetischen Bauteils in der antiferromagnetischen Schicht mittels Austauschkopplung lokal gespeichert und/oder die Magnetisierungskonfiguration der antiferromagnetischen Schicht von dem ferromagnetischen Bauteil gelesen wird, wobei zum Speichern der Daten ein Magnetfeld angelegt wird und das Lesen der Daten ohne Anlegen eines Magnetfeldes durchgeführt wird.
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