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Diese
Erfindung betrifft magnetische Materialien und insbesondere die
Anwendung der Rotationssymmetrie, um magnetische Eigenschaften der Materialien
maßzuschneidern.
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Das
Informationsvolumen, das auf einer Computer-Harddisk gespeichert
werden kann, ist in den vergangenen 40 Jahren um einen Faktor 107 gestiegen und verspricht, in den kommenden
Dekaden mit einer exponentiellen Rate weiter zu steigen. Heutige
herkömmliche
magnetische Materialien werden nicht in der Lage sein, die nachgefragten
Leistungsanforderungen der Industrie für zukünftige magnetische Datenspeicher
zu erfüllen.
Eine zur Zeit berücksichtigte
Option ist eine Synergie der Nanotechnologie und der Quantenmechanik,
um magnetische Partikel auf einer Nanometerskala, Nanomagneten genannt,
herzustellen. Diese besitzen aufgrund ihrer extrem geringen Größe sehr
unterschiedliche magnetische Eigenschaften aus ihrem Ausgangsvolumenmaterial.
Jeder Nanomagnet ist analog zu einem Riesenatom aus einem künstlichen
Element, wodurch der Aufbau neuer magnetischer Materialien auf einer
Riesenatombasis ermöglicht
wird. Das schnell wachsende Feld des Nanomagnetismus kann unter anderem
beschleunigten Ersatz für
Harddisk-Medien und eine neue Generation von nicht-flüchtigen
Computerspeicherchips mit geringer Leistung und hoher Geschwindigkeit
bereitstellen.
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Die
wichtigste Eigenschaft eines natürlich auftretenden
magnetischen Elements oder Legierung ist seine Anisotropie. Dies
bezieht sich auf das Vorliegen bevorzugter Magnetisierungsrichtungen
innerhalb des Materials und ist letztlich verantwortlich zum Festlegen
der Art und Weise, in der sich ein magnetisches Material verhält und der
technologischen Anwendungen, für
die es geeignet ist. In einem herkömmlichen magnetischen Material
stammt die Anisotropie aus der Form und der Symmetrie der elektronischen
Fermioberfläche
und ist damit dem speziellen Element oder Legierung instrinsisch,
und kann nicht leicht maßgeschneidert
werden. In Nanomagneten hängt
die Anisotropie jedoch nicht nur von der Bandstruktur des Ausgangsmaterials
ab, sondern auch von der Form des Nanomagneten. Eines der hervorstechendsten
Merkmale der künstlichen
magnetischen Materialien ist, daß ihre magnetischen Eigenschaften
durch Wahl der Form der Nanomagnetbestandteile manipuliert werden
können.
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Fernandez
et al.: "Magnetic
force microscopy of single-domain cobalt dots patterned using interference
lithography (IEEE Transactions on Magnetics, US, IEEE Inc. New York,
Band 32, Nr. 5, 1. September 1996, Seiten 4472-4474) beschreibt
die Anwendung einer Interferenz-Lithographie bei der Herstellung
von Kobaltpunkten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt ein
Speicherelement Nanomagneten mit einer Rotationssymmetrie, die ausgewählt wird,
um eine hohe Remanenz und eine geeignete Koerzitivität bereitzustellen,
und bei dem das Element eine Rotationssymmetrie der Ordnung 3 oder
5 hat.
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Die
Bauteile der Erfindung sind künstliche magnetische
Materialien, die auf der Oberfläche
eines Substrates gebildet werden, wie ein Siliciumstück, unter
Anwendung einer Technik, wie der Elektronenstrahl-Lithographie.
Die Bauteile können
eine Größe von 40-500
nm, eine Dicke von 3-10 nm haben und eine dreieckige oder fünfeckige
Geometrie haben, die jeweils den Rotationssymmetrien der Ordnung
3 und 5 entspricht. Die Ordnung kann jedoch auch größer sein.
Das Ausgangsmaterial kann ein Supermalloy (Ni80Fe14Mo5) sein, der
aus zwei Gründen gewählt wird.
Erstens ist diese Legierung intrinsisch weitestgehend isotrop, so
daß jegliche
Anisotropie in den Nanomagneten von deren Form kommen muß. Zweitens
sind der Supermalloy und sein Molybdän-freier verwandter Permalloy
zwei der am weitesten verbreiteten weichen magnetischen Legierungen
der Industrie und Forschung und demonstrieren als solche effektiv
die neuen und geänderten
Eigenschaften, die einem einfachen Material durch die Nanometerstrukturierung
verliehen werden können. Wie
nachstehend beschrieben, sind wir in der Lage, künstliche magnetische Materialien
mit einer enorm breiten Reichweite magnetischer Eigenschaften zu fertigen,
einfach indem die Symmetrie der Nanomagnetbestandteile variiert
wird.
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Beispiele,
die sich auf die vorliegende Erfindung beziehen, werden nunmehr
mit Bezug auf die beigefügte
Zeichnung näher
erläutert,
in der:
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1 ein
Abtastelektronengefügebild
von einigen der künstlichen
magnetischen Materialien zeigt;
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2 Hystereseschleifen
für Nanomagnete unterschiedlicher
Größe, Dicke
und geometrischer Form zeigt;
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3 eine
Hystereseschleife für
einen superparamagnetischen dreieckigen Nanomagneten zeigt;
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4 experimentell
gemessene Koerzitivitäten
abhängig
von der Nanomagnetgröße zeigt;
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5 das
experimentell gemessene anisotrope Feld innerhalb verschiedener
Nanomagneten zeigt;
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6 den
vorherrschenden anisotropen Term aus 5 zeigt,
der als ein anisotropes Feld (A) und als eine anisotrope Energie
pro Nanomagnet (B) für
verschiedene Nanomagneten ausgedrückt ist;
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7 Suszeptibilitäten abhängig von
der Nanomagnetgröße und -symmetrie
zeigt; und
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8 eine
schematische Anordnung eines superparamagnetischen Nanomagneten
bei Verwendung als ein Magnetfeldsensor oder logisches Element zeigt.
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Es
kann ein standardgemäßes abhebebasiertes
Elektronenstrahl-Lithographieverfahren
angewendet werden, um Bauteile gemäß der vorliegenden Erfindung
zu bilden. Das Probesubstrat bezog sich auf ein Einkristallsilicium.
Der Abstand zwischen jedem Nanomagneten war immer wenigstens gleich dem
Durchmesser des Nanomagneten, und für die kleinsten Strukturen
war er so dreimal groß wie
der Durchmesser. Die Oberflächenrauhigkeit
der Nanomagneten war geringer als 0,5 nm und die Mikrostruktur zeigt
5 nm zufällig
verteilte Körner.
Die Oberseite jedes Nanomagneten wurde mit einer 5 nm dicken Goldschicht
bedeckt, um Oxidation zu verhindern. Es wurde herausgefunden, daß die Unversehrtheit
der geometrischen Form in Strukturen erhalten blieb, die 50 nm groß waren. 1 zeigt
Abtastelektronenmikroskopbilder von einigen der Strukturen.
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Um
die magnetischen Eigenschaften dieser verschiedenen künstlichen
Materialien zu bestimmen, haben wir deren Hystereseschleifen (M-H-Schleifen)
unter Anwendung einer bekannten hochempfindlichen magnetooptischen
Methode gemessen. Die Siliciumoberfläche kann unter einem Lichtmikroskop
betrachtet werden, während
ein Laserfleck (Größe ≈ 5 μm) über die
Oberfläche
bewegt wird, bis er oben auf einer der Stellen künstlichen Materials fokussiert
wird. Die Polarisation des reflektierten Laserstrahls wird analysiert,
um den longitudinalen Kerr-Effekt zu erhalten, der als eine Sonde
der Magnetisierungskomponente dient, die in der optischen Einfallsebene
liegt. Diese Magnetisierung wird dann aufgenommen, während ein
mit 27 Hz alternierendes Magnetfeld bis zu 79577 A/m (1000 Oe) Stärke in der
Ebene der Probe angelegt wird. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur
durchgeführt.
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2 und 3 zeigen
einige der Hystereseschleifen, die von Nanomagneten unterschiedlicher
Größe, Dicke
und geometrischer Form gemessen wurden. Man sieht sofort, daß die Schleifen
sehr unterschiedlich zueinander und zu derjenigen sind, die aus
einem herkömmlichen
unstrukturierten Material erhalten wird. Die Vielzahl technologischer
Anwendungen, die durch die in dieser Figur dargestellten Proben
abgedeckt werden, ist erheblich. Die bekannten kleinen in 2B gezeigten Rechtecke können zum
Herstellen eines künstlichen
Ersatzes für Harddisk-Medien
geeignet sein: Die hier verwendeten Nanomagneten können im
Prinzip Datenspeicherdichten oberhalb von 15,5 Gbits/cm2 (100 Gbits/inch2) haben, d.h. zehnmal größer als die heutigen herkömmlichen
Medien aus dem Stand der Technik. Die bekannten größeren Rechtecke
in 2D können gut für magnetische Direkzugriffsspeicher
(MRAM) geeignet sein, ein neu entstehender Ersatz für Halbleiterspeicher:
Ein Speicherchip, der magnetische Elemente dieser Größe verwendet, könnte 1 Gbit
eines nicht-flüchtigen
Speichers hoher Geschwindigkeit bieten. Das überraschende ist, daß ein großer Bereich
magnetischer Eigenschaften durch die dreieckigen und fünfeckigen
Nanomagneten offenbart wird. Die Dreiecke in 2E,
die eine hohe Remanenz und eine niedrige Koerzitivität haben,
könnten
als ein Speicherelement verwendet werden, während die Fünfecke aus 2F und
die superparamagnetischen Dreiecke aus 3 einen exzellenten
hochempfindlichen Magnetfeldsensor oder Harddisk-Lesekopf bilden
würden,
mit einer effektiven relativen Permeabilität von 3000 und einer Hysterese
von Null. Diese verschiedenen Anwendungen sind ein direktes Ergebnis
einer Variation der Größe, Dicke
und besonders wichtig, der Symmetrie der Nanomagneten, die das künstliche
Material bilden.
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Um
diesen wichtigen Effekt zu quantifizieren, haben wir die Koerzitivität aus den
Hystereseschleifen abhängig
von der Größe, Dicke
und Symmetrieordnung der Nanomagnete gemessen. Die Koerzitivität ist ein
Maß des
angelegten Feldes, das notwendig ist, um die Magnetisierung auf
Null zu vermindern (d.h. die Hystereseschleifen haben eine zentrale Breite,
die zweimal so groß wie
die Koerzitivität
ist), und ist als solche ein Maß dafür, wie schnell
ein externes Feld die Magnetisierungsrichtung eines Nanomagnetens
umkehren kann. Dies ist ein Schlüsselparameter
beim Bewerten der Eignung eines gegebenen magnetischen Materials
für technologische
Anwendungen. 4 zeigt die Ergebnisse, in der
wir, um die unterschiedlichen Geometrien miteinander vergleichen
zu können,
die Größe der Nanomagneten
durch die Quadratwurzel ihrer Fläche
ausdrücken.
Wir haben die Wiederholbarkeit einiger dieser experimentellen Ergebnisse
auf einem zweiten Probensatz bestätigt.
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Das
erste deutliche Merkmal aus den Daten der 4 ist, daß die 2-fachen
und 4-fachen Symmetrien eine Verhaltensklasse anzeigen, während die 3-fachen
und 5-fachen Symmetrien eine weitere Klasse anzeigen: 2-/4-fache
Nanomagneten zeigen hohe Koerzitivitäten, die zunächst mit
abnehmender Längenskala
steigen. 3-/5-fache Nanomagneten zeigen niedrige Koerzitivitäten, die
mit abnehmender Längenskala
auf Null abfallen. Die zweite Beobachtung, die in 4 gemacht
werden kann, ist, daß in allen
Fällen
das ein Anstieg der Dicke zu einem starken Anstieg der Koerzitivität führt, was
nicht der Fall in unstrukturierten Magnetfilmen ist.
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Das
Verhalten der 2-fachen Nanomagneten ist überschaubar und wird aufgrund
eines wohl verstandenen Phänomens
Formanisotropie genannt. Die Magnetisierung bevorzugt sich mit der
längsten Achse
des Nanomagnetens "stromlinienförmig zu machen", um die Oberfläche der
Polflächen
zu minimieren. Das diesen Effekt antreibende Feld ist das Entmagnetisierungsfeld,
das zwischen zwei Polflächen
durch das Innere des Magneten reicht. Das Entmagnetisierungsfeld
skaliert etwa mit dem Verhältnis t/a,
wobei die t die Dicke des Nanomagneten ist, und a dessen Größe, und
so sieht man in 4A eine Koerzitivität, die mit
abnehmender Größe ansteigt.
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Die
Wirkungen der 3-, 4- und 5-fachen Symmetrien sind im Gegensatz dazu
nicht so leicht verständlich.
Dies liegt darin, daß das
Entmagnetisierungsfeld einer beliebigen Struktur durch einen kartesischen
Tensor zweiter Stufe beschrieben wird, und so nur einachsige (2-fache)
Symmetrien aufweisen kann. Es liegt daher keine Formanisotropie,
wenigstens nicht im herkömmlichen
Sinne, in der Ebene dieser Symmetriestrukturen höherer Ordnung vor. Nichtsdestotrotz
erfahren die quadratischen Nanomagneten deutlich ein ziemlich starkes
Hindernis beim Ändern
der Magnetisierungsrichtung, und daher muß irgendeine Anisotropie vorliegen.
Die Tatsache, daß diese
Anisotropie deutlich schwächer
in den dreieckigen Magneten ist, zeigt, daß, auch wenn es keine klassische
Formanisotropie ist, sie weiterhin mit der Form des Nanomagneten
verbunden ist.
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Es
gibt ein kürzlich
entdecktes Merkmal in quadratischen Nanomagneten, das Strukturanisotropie
genannt wird. Diese tritt auf wegen der sehr geringen Abweichungen
von der gleichförmigen
Magnetisierung, die in nahezu allen Nanomagneten auftritt. Bis zum
heutigen Tage hat man sich noch nicht klargemacht, bis zu welchem
Ausmaß diese
neue Anisotropie wichtig ist, die magnetischen Eigenschaften von
Nanomagneten zu definieren. Um die Hypothese zu testen, daß dieses
geänderte
Verhalten, das man in
2 bis
4 sieht,
durch die Strukturanisotropie verursacht wird, haben wir eine direkte
Messung der Anisotropie in den Nanomagneten unter Anwendung einer
Technik durchgeführt,
die wir magnetooptische Anisotropiemessung mit moduliertem Feld nennen.
Ein starkes statisches magnetisches Feld H (= 27852 A/m (350 Oe))
wird in der Ebene der Nanomagneten angelegt, und ein schwächeres oszillierendes
Feld H
t (1114 A/m (14 Oe) Amplitude) wird
in der Ebene der Nanomagneten senkrecht zu H angelegt. Die Amplitude
der resultierenden Oszillation der Magnetisierung wird durch die
gleiche magnetooptische Technik aufgezeichnet, die zum Erhalten
der Hystereseschleifen der
2 und
3 verwendet
wird, und wird direkt auf die Amplitude und Symmetrie irgendeiner
in den Nanomagneten vorliegenden Anisotropie bezogen. Wir haben
die Anisotropie für
dreieckige, quadratische und fünfeckige
Nanomagneten in der Größenordnung
von 50-500 nm bei einer Dicke von 5 nm experimentell gemessen und
die Ergebnisse in
5 dargestellt. In dieser Polarzeichnung
bezeichnet der Winkel die Richtung ϕ in der Ebene des Nanomagneten,
der Radius den Radius des Nanomagneten in dieser Richtung und die
Farbe die experimentell gemessene Größe
für einen Nanomagneten dieser
Größe, wobei
M
S die Sättigungsmagnetisierung
(800 emu cm
–3)
und E(ϕ) die mittlere magnetische Energiedichte des Nanomagneten
ist, wenn er in der Richtung ϕ magnetisiert ist. Auch wenn
H
a nicht die gewöhnliche Definition des anisotropen
Feldes ist, kann gezeigt werden, daß irgendwelche Oszillationen
in H
a die gleiche Symmetrieordnung wie die
zugrundeliegende Anisotropie und eine Amplitude gleich der Größe des anisotropen Feldes
haben.
5 zeigt experimentelle Daten von 22 verschiedenen
Proben eines künstlichen
magnetischen Materials (8 Größen der
Dreiecke, 8 Größen der
Quadrate und 6 Größen der
Fünfecke),
wobei jedes in entweder 19 oder 37 unterschiedlichen Richtungen ϕ (0-180° in 10° Schritten
für die
Dreiecke und Quadrate; 0-180° in
5° Schritten
für die
Fünfecke)
gemessen werden, was insgesamt 526 Messungen ausmacht.
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Es
ist aus 5 unmittelbar ersichtlich, daß dort starke
anisotrope Felder in all den untersuchten Nanomagneten vorliegen.
Die dreieckigen Nanomagneten weisen eine Anisotropie mit einer 6-fachen Symmetrie
auf, die quadratischen Nanomagneten zeigen eine 4-fache symmetrische
Anisotropie, und die fünfeckigen
Nanomagneten besitzen eine beachtliche 10-fache Anisotropie. Eine
Frequenzverdopplung tritt in den dreieckigen und fünfeckigen Strukturen
auf, da die Energie immer quadratisch in der Magnetisierung ist,
und so ungerade Symmetrieordnungen nicht unterstützt werden können.
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Wir
haben eine Fourier-Analyse auf die graphischen Darstellungen der 5 angewandt,
um die Größe der anisotropen
Felder abhängig
von der Nanomagnetgröße und -symmetrie
zu erhalten, und zeigen die Ergebnisse in zwei unterschiedlichen
Formen in 6. In 6A stellen
wir die anisotropen Felder direkt graphisch dar, während wir
in 6B die anisotrope Energie eines
einzelnen Nanomagneten (in Einheiten von kT, wobei k die Boltzmann-Konstante
und T gleich 298K ist) unter Verwendung der theoretischen Beziehung
Ua = 2MSHaV/n2 gezeichnet haben.
In dieser Gleichung ist Ua die anisotrope
Energie eines einzelnen Nanomagneten (in ergs), Ha das
anisotrope Feld (in Oe), n die Symmetrieordnung der Anisotropie (4
für Quadrate,
6 für Dreiecke,
10 für Fünfecke)
und V das Volumen (in cm3) des Nanomagneten.
Ein wichtiges Element für
unser Verständnis des
Einflusses der Symmetrieordnung auf magnetische Eigenschaften wird
durch den n2-Term in dieser Gleichung geliefert.
Er bedeutet, daß auch
wenn all die Geometrien näherungsweise ähnliche
anisotrope Felder in 6A zeigen, sie
sehr unterschiedliche anisotrope Energien in 6B zeigen.
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Die
anisotrope Energie ist insbesondere wegen eines Superparamagnetismus
genannten Phänomens
interessant, das der Prozeß ist,
bei dem anisotrope Energiebarrieren durch die thermischen Energiefluktuationen
von kT in Magneten der Nanometerskala überwunden werden können. Als
eine näherungsweise
Richtschnur kann eine Barriere auf der Zeitskala unserer Messungen überwunden
werden, sobald sie geringer als 10kT in der Höhe ist. Dies bedeutet, daß man erwarten
würde,
sobald die anisotrope Energie geringer als 10kT ist, daß die Koerzitivität schnell
auf Null abfällt.
Gemäß 6B sollte dies auftreten, sobald die Elementgröße geringer
als etwa 150 nm ist, wobei die Quadrate als letzte abfallen, wenn
die Größe vermindert
wird. Umgekehrt sollte, sobald die anisotrope Energie größer als
10kT ist, die Koerzitivität
näherungsweise
dem anisotropen Feld folgen. Dies erläutert den Unterschied im Verhalten, den
man in 4 zwischen den Quadraten auf der einen Seite und
den Dreiecken und Fünfecken
auf der anderen Seite beobachtet. Das anisotrope Feld der Quadrate
(6A) zeigt einen Scheitelwert, wenn
die Elementgröße vermindert
wird, und dieser Scheitelwert wird direkt in den Koerzitivitätdaten der Quadrate
(4C) reflektiert. Das anisotrope Feld der
Fünfecke
zeigt keinen Scheitelwert, und dies wird auch direkt in den Koerzitivitätdaten reflektiert (4D), auch wenn der Abfall auf Null bei
einer etwas höheren
Größe in den
Koerzitivitätdaten
auftritt als im anisotropen Feld aufgrund der thermischen Aktivierung.
Schließlich
zeigt das anisotrope Feld der Dreiecke einen Scheitelwert wie bei
den Quadraten, da jedoch die anisotropen Energien im Dreieck geringer
sind, tritt die thermische Aktivierung bei einer größeren Größe ein und
verhindert, daß der
Scheitelwert in der Koerzitivitätdaten
ersichtlich wird (4B). Wir können daher
die experimentell bestimmten Koerzitivitätdaten als eine Kombination
der Strukturanisotropie und thermischen Aktivierung erklären.
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Materialien
mit einer hohen Remanenz, die eine endliche Koerzitivität besitzen
(und daher eine Speicherfunktion), sind nicht die einzigen technologisch
wichtigen magnetischen Materialien. Ebenso wichtig sind die Materialien
mit einer Remanenz von Null und einer Koerzitivität von Null,
die Anwendungen in Magnetsensoren und logischen Elemente finden,
in diesem Fall ist es die Suszeptibilität χ, die der Schlüsselparameter
ist. χ ist
definiert als 4π∂M/∂H, wobei
M die Magnetisierung eines Nanomagnetens ist, und H das angelegte
Magnetfeld. χ ist
daher direkt proportional zur Steigung der Hystereseschleifen beim
Feld Null, so wie in 2F gezeigt. Wir
haben χ unter
Verwendung unseres magnetooptischen Experimentes (bei einer Frequenz
von 27 Hz) abhängig von
der Nanomagnetgröße und -symmetrie
bei einer konstanten Dicke von 3.7 ± 0.5 nm gemessen und stellen
die Ergebnisse in 7 dar. χ hat nur dann eine Bedeutung,
wenn die Koerzitivität
Null ist, und deshalb haben wir uns auf diesen Fall beschränkt. Zum
Vergleich haben wir auch in dieser Figur die aus der Langevin-Funktion
abgeleitete theoretische Suszeptibilität gezeichnet. Dies ist ein
statistisches thermodynamisches Konzept, das für einen einzelnen Riesenspin
im freien Raum anwendbar wäre.
Drei Beobachtungen können
aus 7 gemacht werden. Erstens sind die experimentell
bestimmten Suszeptibilitäten
der kleinsten Nanomagneten alle nahe am Langevin-Modell im freien
Raum, selbst wenn keine Fit-Parameter verwendet wurden, was zeigt,
daß unser
experimentelles System gut unter Kontrolle ist. Zweitens sind die
Abweichungen vom Langevin-Modell am größten für die Nanomagneten mit quadratischer
Symmetrie. Dies ist konsistent, da diese die stärkste anisotrope Strukturenergie
besitzen, was bedeutet, daß der
in einem quadratischen Nanomagneten enthaltene Riesenspin wenigstens
wie ein Riesenspin im freien Raum aussieht. Es ist die Strukturanisotropie,
die letztlich bewirkt, daß alle
Symmetrien vom Langevin-Modell mit steigender Größe abfallen. Drittens sind
die hier gemessenen Suszeptibilitäten in der Höhe um zwei
Größenordnungen
größer als
bei magnetischen Teilchen mit gleicher Form und gleichem Formfaktor
erhalten worden wären,
werden jedoch auf einer größeren Längenskala
als die Nanometerlängenskala
gebildet (d.h. Mikrometer und darüber, wie die meisten herkömmlichen
Magnetfeldsensoren verwenden). Im letzteren Fall kommt die Suszeptibilität aus der
Bewegung der Bezirkswände
gegen das interne Entmagnetisierungsfeld, das sehr stark sein kann.
Die einzigartige Rolle der Nanometerskalenstrukturierung ist damit
deutlich demonstriert.
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4 und 5 zeigen
gut die Art, in der Nanometerstrukturen wirklich die Erzeugung neuer magnetischer
Materialien nachbilden. Ein Supermalloy wächst mit einer fcc-Kristallographie,
die gewöhnlich
zu einer 2- oder 4-fachen Anisotropie führt. Nichtsdestotrotz zeigt 5A eine 6-fache Symmetrie, die gewöhnlich für Materialien
mit einer hcp-Kristallographie reserviert ist. In diesem Fall kann
die Symmetrie der Nanomagnetform (dreieckig) verwendet werden, um
eine Änderung
in der kristallographischen Phase nachzubilden. Ebenso würden die
relativ hohen Koerzitivitäten
der quadratischen und dreieckigen Nanomagneten (4A und 4C) gewöhnlich nur in magnetischen
Materialien mit einer hohen Anisotropie und einer schwach gekoppelten Mikrostruktur
gefunden werden. In diesem Fall bildet eine sorgfältige Wahl
der Nanomagnetsymme trie eine Änderung
im Element und eine Änderung
in der Mikrostruktur nach. Schließlich gibt die Elementarkristallographie
vor, daß ein
Kristallgitter keine 10-fache Symmetrie besitzen kann, und deshalb
würden wir
nicht erwarten, ein natürlich
auftretendes Kristallelement oder Legierung mit einer 10-fachen
magnetischen Anisotropie vorzufinden. 5C zeigt
jedoch, daß wir
Erfolg hatten, ein solches künstlich
zu erzeugen unter Verwendung einer Nanostrukturierung. In diesem
Fall ist eine Nanometerformgebung angewandt worden, um einem kristallinen
Material eine Eigenschaft zu verleihen, die gewöhnlich für Quasi-Kristalle reserviert
ist.
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Die
schematische Abbildung der 8 zeigt eine
mögliche
Anordnung unter Verwendung eines superparamagnetischen Nanomagneten
als Teil eines Sensors oder logischen Elementes. Ein dreischichtiges
Spinventil 12 ist an beiden Seiten mit Verbindungsleitungen 14 verbunden.
Das Ventil 12 umfaßt
eine magnetische Bodenschicht 16, eine nicht-magnetische
Abstandsschicht 18 und ein oder mehrere Nanomagneten 20 in
einem superparamagnetischen Zustand als eine Oberschicht. Die Pfeile 22 zeigen
den Durchgang des Stromes durch das Ventil 12 und der Pfeil 24 zeigt
die Magnetisierung in der magnetischen Bodenschicht 16.
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Zusammenfassend
haben wir die Relevanz der Symmetrie der Form der Nanomagneten für deren
magnetische Eigenschaften bestimmt und haben sie für praktische
Anwendungen angewandt. Für
finden, daß die
Symmetrie eine wichtige Rolle spielt, die es ermöglicht, magnetische Eigenschaften über einen
sehr weiten Bereich zu steuern. Wir haben gezeigt, daß der Schlüsseleffekt,
der die Symmetrie mit den magnetischen Eigenschaften verbindet,
die Strukturanisotropie ist. Dies liefert neue künstliche magnetische Materialien,
bei denen die magnetischen Eigenschaften auf eine spezielle Anwendung mit
einem sehr hohen Genauigkeitsgrad maßgeschneidert werden können.
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Die
erste neue Idee ist die Verwendung einer Strukturanisotropie über die
Symmetrie des Elementes, um die magnetischen Eigenschaften maßzuschneidern.
Bis zum heutigen Tage haben die Fachleute lediglich rechteckförmige, quadratische
oder kreisförmige
Elemente berücksichtigt.
Wir haben erkannt, daß die
Strukturanisotropie die durch andere Formen, wie Dreiecke, Fünfecke und
Sechsecke hervorgerufen wird, zur Steuerung der magnetischen Eigenschaften
des Elementes verwendet werden kann. Die zweite neue Idee ist die
Verwendung eines Superparamagnetismus in Nanostrukturen, um eine Hystere
zu beseitigen. In herkömmlichen
Materialien führt
ein Supermagnetismus zu sehr hohen Sättigungsfeldern, und ist als
solcher für
magnetische Sensoren unbrauchbar. Wir zeigen hier jedoch, daß in Nanostrukturen
der Superparamagnetismus zu sehr niedrigen Sättigungsfeldern (einigen Oe – siehe 2F) führen
kann. An sich würde
das für
einen Sensor oder ein logisches Element äußerst geeignet sein. Noch interessanter
ist jedoch die Tatsache, daß der
Superparamagnetismus eine Hysterese von nahezu Null garantiert,
die eine Grundvoraussetzung für
einen guten Sensor ist (siehe 3). Das
größte Problem,
was die aktuelle Verwendung von Nanostrukturen als Sensoren betrifft,
ist die Tatsache, daß grundsätzlich Hysteresen
größer werden,
wenn die seitlichen Abmessungen der Bauteile vermindert werden.
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Diese
beiden Ideen können
kombiniert werden, indem die Strukturanistropie auf einen niedrigen Wert
unter Auswahl einer geeigneten Form (dreieckig, fünfeckig
oder kreisförmig)
eingestellt wird, die dann der Nanostruktur ermöglicht, ein Superparamagnet
zu werden und damit als guter Sensor oder gutes logisches Element
zu arbeiten.
