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Diese
Erfindung bezieht sich auf magnetische Materialien und insbesondere
auf die Anwendung der Rotationssymmetrie, um die magnetischen Eigenschaften
der Materialien passend zu machen.
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Das
Informationsvolumen, das auf einer Computerfestplatte gespeichert
werden kann, ist in den letzten 40 Jahren um den Faktor 107 angestiegen und es sieht so aus, dass man
sich auf das kontinuierliche Ansteigen in exponentiellen Raten in
den kommenden Dekaden einzustellen hat. Die heutigen üblichen
magnetischen Materialien können
die nachgefragten Leistungsanforderungen der zukünftigen magnetischen Datenspeicherungsindustrie
nicht erfüllen.
Eine Option, die gegenwärtig
betrachtet wird, ist eine Synergie aus Nanotechnologie und Quantenmechanik,
um magnetische Partikel im nanometrischen Skalenbereich, Nanomagneten
genannt, herzustellen. Aufgrund ihrer extremen kleinen Größe besitzen
diese sehr unterschiedliche magnetische Eigenschaften in ihrem Ausgangs-Grundstoff.
Der Nanomagnet ist analog einem Riesenatom eines künstlichen
Elements, wobei neue magnetische Materialien das Aufbauen des Riesenatoms
durch ein Riesenatom ermöglichen.
Das schnell wachsende Anwendungsgebiet des Nanomagnetismus kann
unter anderem fortgeschrittene Ablösungen für Festplattenmedien und eine
neue Generation von Hochgeschwindigkeits-, Niedrigenergie-, nicht
flüchtigen Computer-Speicherchips
vorsehen.
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Die
bedeutendste Eigenschaft eines natürlich auftretenden magnetischen
Elements oder Legierung ist die Anisotropie. Diese bezieht sich
auf das Vorhandensein von bevorzugten Magnetisierungsrichtungen
innerhalb des Materials und ist letztendlich verantwortlich für das Bestimmen
der Art, in der sich ein magnetisches Material verhält und die
technologischen Anwendungen, für
die es geeignet ist. In einem üblichen
magnetischen Material ergibt sich die Anisotropie aus der Form und
Symmetrie der elektronischen Femtometer-Oberfläche und wird so eigentlich
zum besonderen Element oder der Legierung und kann leicht passend
gemacht werden. Jedoch hängt
in Nanomagneten die Anisotropie nicht nur von der Bandstruktur des
Ausgangsstoffes ab, sondern auch von der Form des Nanomagneten.
Eines der zugkräftigsten
Merkmale der künstlichen
magnetischen Materialien ist das, dass ihre magnetischen Eigenschaften
durch die Wahl der Form der Nanomagnetbestandteile technisch ausgeführt werden
können.
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Sowohl
die EP-A-0 867 728 und die US-A-5 714 536 offenbaren magnetische
Widerstands-Wirkungssensoren.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Sensorelement mit einem Sensorelement mit Nanomagneten
geschaffen, die eine geometrische Drehsymmetrie um eine ausgewählte Achse
herum aufweisen, so dass sie superparamagnetisch sind und im Wesentlichen
eine Null-Hysterese aufweisen, so dass eine Magnetisierung der Nanomagneten
nur vom gegenwärtigen
Wert des angewendeten Tätigkeitsgebietes
und nicht von der Tätigkeitshistorie
abhängt,
dadurch gekennzeichnet, dass die Nanomagneten Drehsymmetrien der
3. oder 5. Ordnung aufweisen.
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Die
Vorrichtungen der Erfindung sind künstliche magnetische Materialien,
die auf der Oberfläche eines
Substrates, wie z.B. einem Siliziumteil, unter Verwendung einer
Technik, wie z.B. die elektronische Strahllithografie, ausgebildet
werden. Die Vorrichtungen können
in einer Größenordnung
von 40 bis 500 nm und im Dickenbereich von 3 bis 10 nm liegen und können dreieckige
oder fünfeckige
Geometrien aufweisen, die jeweils den Drehsymmetrien der dritten und
fünften
Ordnung entsprechen. Die Ordnung kann jedoch größer sein. Der Ausgangsstoff
kann Supermalloy (Ni80Fe14Mo5) sein, das aus zwei Gründen ausgewählt wird. Erstens, diese Legierung
ist spezifisch fast isotrop und so eine Anisotropie in den Nanomagneten
muss von ihrer Form herrühren.
Zweitens, Supermalloy und sein molybdänfreies verwandtes Permalloy
sind zwei der allgegenwärtigen
softmagnetischen Legierungen der Industrie und Forschung und als
solche ergeben sie eine effektive Demonstration der neuen und verschiedenen
Eigenschaften, die durch die nanometrische Struktur zu einem einfachen
Material tendieren können.
Wie nachstehend beschrieben, können
künstliche
magnetische Materialien mit einem enorm großen Bereich von magnetischen
Eigenschaften einfach durch Verändern
der Symmetrie der Nanomagnetbestandteile hergestellt werden.
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Beispiele
bezüglich
der vorliegenden Erfindung werden nun bezüglich der beigefügten Zeichnung
beschrieben. Darin zeigt:
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1 Rasterelektronenmikroskopische
Gefügeaufnahmen
von einigen der künstlichen
magnetischen Materialien;
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2 Hystereseschleifen
für Nanomagneten
von unterschiedlicher Größe, Dicke
und geometrischer Form;
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3 eine
Hystereseschleife für
einen superparamagnetischen dreieckigen Nanomagneten;
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4 experimentell
gemessene Koerzitivfeldstärken
als Funktion der Nanomagnetgröße;
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5 das
experimentell gemessene Anisotropiefeld innerhalb verschiedener
Nanomagneten;
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6 die
dominante Anisotropiegröße von 5,
dargestellt als ein Anisotropiefeld (A) und als Anisotropieenergie
pro Nanomagneten (B) für
unterschiedliche Nanomagneten;
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7 die
Empfindlichkeit als eine Funktion der Nanomagnetgröße und Symmetrie;
und
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8 eine
schematische Anordnung eines superparamagnetischen Nanomagneten
bei Verwendung als Magnetfeldsensor oder Logikelement.
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In
den 2 bis 6 wird der folgende Korrekturfaktor
verwendet: 1 Oe = 80 A/m.
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Ein
Standardstart auf der Basis des elektronischen Strahllithografieablaufes
kann ausgeführt werden,
um Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung
zu bilden. Das Probesubstrat wurde als ein Kristallsilizium ausgerichtet.
Der Abstand zwischen jedem Nanomagneten war zumindest immer gleich dem
Durchmesser des Nanomagneten, und für die kleinsten Anordnungen
dreimal größer als
der Durchmesser. Die Oberflächenrauheit
der Nanomagneten war kleiner als 0,5 nm und die Mikrostruktur stellt
zufällig
ausgerichtete Fasern von 5 nm dar. Die Oberseite von jedem Nanomagneten
wurde mit einer 5 nm dicken Goldschicht bedeckt, um die Oxidation
zu verhindern. Die Integrität
der geometrischen Form wurde gefunden, indem sie in den Strukturen,
die in der Größe kleiner
als 50 nm sind, beibehalten sind. 1 stellt
die rasterelektronenmikroskopischen Bilder von einigen der Strukturen
dar.
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Um
die magnetischen Eigenschaften dieser unterschiedlichen künstlichen
Materialien zu bestimmen, werden deren Hystereseschleifen (M-H-Schleifen)
unter Verwendung eines bekannten Hochempfindlichkeits-magnetooptischen
Verfahrens gemessen. Die Siliziumfläche kann unter einem optischen Mikroskop
betrachtet werden, während
ein Laserpunkt (Größe ~5 μm) über die
Fläche
bewegt wird, bis er auf der Spitze eines der Ausschnitte des künstlichen
Materials konzentriert wird. Der reflektierte Laserstrahl wird hinsichtlich
der Polarisation analysiert, um auf den longitudinalen Kerr-Effekt
zuzugreifen, der als Untersuchung der Komponente der Magnetisierung
dient, die in der optischen Einfallsebene liegt. Diese Magnetisierung
wird danach aufgezeichnet, während
ein 27 Hz-alternierendes Magnetfeld von einer Feldstärke bis
zu 1000 Oe in der Ebene der Probe angewendet wird. Alle Messungen
werden bei Raumtemperatur durchgeführt.
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Die 2 und 3 stellen
einige der Hystereseschleifen dar, die von Nanomagneten mit unterschiedlicher
Größe, Dicke
und geometrischer Form gemessen wurden. Man sieht sofort, dass die Schleifen
sehr unterschiedlich voneinander sind und dass sie aus konventionellem
unstrukturierten Material erhalten wurden. Die Veränderung
der technologischen Anwendungen, die durch die Proben abgedeckt
sind, die in dieser Figur dargestellt sind, ist beträchtlich.
Die bekannten kleinen, in 2B dargestellten
Rechtecke könnten
für das
Herstellen einer künstlichen
Ablösung
für das
Festplattenmedium geeignet sein: Die hier verwendeten Nanomagneten könnten im
Prinzip Datenspeicherdichten größer als 15,5
GBit/cm2 (100 GBit/inch2)
erreichen, d.h. 10 Mal größer als
die heutigen konventionellen Medien des Stands der Technik. Die
bekannten größeren Rechtecke
in 2D würden sich gut für den magnetischen
Direktzugriffsspeicher (MRAM) eignen, eine neu entstehende Ablösung für Halbleiterspeicher: Ein
Speicherchip, der magnetische Elemente dieser Größe verwendet, könnte 1 GBit
des nicht flüchtigen Schnellspeichers
aufweisen. Das Überraschende
ist, dass ein großer
Bereich der magnetischen Eigenschaften durch die Dreieck- und Fünfeck-Nanomagneten
erklärt
wird. Die Dreiecke in 2E, die eine hohe
Remanenz und eine geringe Koerzitivfeldstärke aufweisen, könnten als
Speicherelement eingesetzt werden, während die Fünfecke von 2F und
die superparamagnetischen Dreiecke von 3 einen ausgezeichneten
Hochempfindlichkeits-Magnetfeldsensor oder Festplatten-Lesekopf mit einer
effektiven relativen Permeabilität
von 3000 und einer Null-Hysterese ergeben. Diese diversen Anwendungen
sind ein direktes Ergebnis der Veränderung der Größe, Dicke
und, am bedeutendsten, der Symmetrie der Nanomagneten, die das künstliche
Material bilden.
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Um
diesen bedeutenden Effekt zu quantifizieren, wird die Koerzitivfeldstärke von
den Hystereseschleifen als eine Funktion von Größe, Dicke und Symmetrieordnung
der Nanomagneten gemessen. Die Koerzitivfeldstärke ist eine Messung des verwendeten
Feldes, das notwendig ist, um die Magnetisierung auf Null zu reduzieren
(d.h. die Hystereschleifen weisen eine mittige Breite zweimal so
groß wie
die Koerzitivfeldstärke
auf) und als solches ist es eine Messung dafür, wie leicht ein externes
Feld die Magnetisierungsrichtung eines Nanomagneten umkehren kann.
Dies ist ein Hauptparameter beim Bewerten der Eignung eines festgelegten
magnetischen Materials für
die technologischen Anwendungen. 4 stellt
die Resultate dar, um die unterschiedlichen Geometrien vergleichen
zu können,
wobei die Größe der Nanomagneten
durch die Quadratwurzel ihres Bereichs ausgedrückt wird. Die Wiederholbarkeit
von bestimmten dieser experimentellen Ergebnisse wird durch einen
zweiten Satz von Proben bestätigt.
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Das
erste offensichtliche Merkmal aus den Daten von 4 sind
die zweifachen und vierfachen Symmetrien einer Verhaltensklasse,
während
die Dreifach- und Fünffachsymmetrien
eine weitere Klasse darstellen: 2-/4-fache Nanomagneten stellen
hohe Koerzitivfeldstärken
dar, die zuerst mit abnehmender Skalenlänge ansteigen; 3-/5-fache Nanomagneten stellen
niedrige Koerzitivfeldstärken
dar, die mit abnehmender Skalenlänge
auf Null fallen. Die zweite Beobachtung, die über 4 gemacht
werden kann, ist die, dass in allen Fällen die Zunahme der Dicke
zu einem starken Anstieg bei der Koerzitivfeldstärke führt, was bei unstrukturierten
magnetischen Filmen nicht der Fall ist.
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Das
Verhalten der zweifachen Nanomagneten ist sehr geradlinig und wird
infolge eines wohlverstandenen Phänomens Form-Anisotropie genannt. Die Magnetisierung
zieht die „Stromlinienform" mit der längsten Achse
des Nanomagneten vor, um den Oberflächenbereich der Polflächen zu
minimieren. Das Feld, das diesen Effekt antreibt, ist das Entmagnetisierungsfeld,
das zwischen den beiden Polflächen
zum Inneren des Magneten hindurchgeht. Das Entmagnetisierungsfeld
legt den Maßstab
ungefähr mit
dem Verhältnis
t/a fest, wobei t die Dicke des Nanomagneten und a seine Größe ist und
wie man aus 4A sieht, steigt die Koerzitivfeldstärke mit
abnehmender Größe an.
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Die
Effekte der 3-, 4- und 5-fachen Symmetrien sind im Gegensatz dazu
nicht so leicht zu verstehen. Das kommt daher, weil das Entmagnetisierungsfeld
mit irgendeiner Struktur durch einen zweitrangigen kartesischen
Tensor beschrieben wird und somit kann nur die einachsige (zweifache)
Symmetrie ausgewiesen werden. Daher gibt es keine Form-Anisotropie,
die zumindest im konventionellen Sinne in der Ebene dieser Symmetriestrukturen
von höherer
Ordnung vorhanden ist. Trotzdem erfahren die Quadratnanomagneten
deutlich eine halbwegs kräftige
Behinderung, um die Richtung der Magnetisierung zu ändern und
daher muss etwas Anisotropie vorhanden sein. Die Tatsache, dass
diese Anisotropie in dreieckigen Magneten deutlich schwächer ist, zeigt,
dass sie noch mit der Form des Nanomagneten verbunden ist, obwohl
es keine klassische Form-Anisotropie ist.
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Es
gibt ein früher
entdecktes Merkmal bei Quadratnanomagneten, die strukturmäßige Anisotropie
genannt wird. Dies kommt wegen der sehr kleinen Abweichungen von
der gleichmäßigen Magnetisierung
zustande, die in fast allen Nanomagneten auftritt. Bis heute ist
noch nicht verdeutlicht worden, für welches Ausmaß diese
neue Anisotropie beim Definieren der magnetischen Eigenschaften
der Nanomagneten wichtig ist. Um die Hypothese zu prüfen, dass
das veränderte
Verhalten, das man in den
2 bis
4 sieht,
wegen der strukturmäßigen Anisotropie
erfolgt, wird eine direkte Messung der Anisotropie in den Nanomagneten
unter Verwendung einer Technik, die Modulationsfeldmagnetooptische Anisometrie
genannt wird, ausgeführt.
Ein kräftiges elektrostatisches
Magnetfeld H = 28 hA/m (= 350 Oe) wird in der Ebene der Nanomagneten
und ein schwächeres
oszillierendes Feld H
t (1,12 hA/m (14 Oe)
Amplitude) wird in der Ebene der Nanomagneten, senkrecht zu H, angewendet.
Die Amplitude der resultierenden Oszillation der Magnetisierung
wird durch dieselbe verwendete magnetooptische Technik aufgenommen,
um die Hystereschleifen der
2 und
3 zu
erhalten und wird direkt auf die Amplitude und die Symmetrie von
irgendeiner vorhandenen Anisotropie im Nanomagneten bezogen. Die
Anisotropie für
dreieckige, quadratische und fünfeckige
Nanomagneten in der Größenordnung
von 50 bis 500 nm bei einer Dicke von 5 nm ist experimentell gemessen
worden und die Ergebnisse sind in
5 dargestellt.
In diesen Polardiagrammen gibt der Winkel die Richtung Φ auf gleicher
Ebene innerhalb des Nanomagneten, der Radius den Radius des Nanomagneten
in dieser Richtung und die Farbe die experimentell gemessene Quantität
für einen Nanomagneten von dieser
Größe an, wobei M
3 die Sättigungsmagnetisierung
800 kA/m (800 emu cm
–3) und E (Φ) die durchschnittliche
magnetische Energiedichte des Nanomagneten ist, wenn in Richtung Φ magnetisiert
wird. Obwohl H
a nicht die übliche Definition
des Anisotropiefeldes ist, kann dargestellt werden, dass beliebige
Oszillationen in H
a dieselbe Symmetrieordnung
wie die eigentliche Anisotropie aufweist und eine Amplitude gleich
der Magnitude des Anisotropiefeldes ist.
5 stellt
die experimentellen Daten von 22 verschiedenen Proben des künstlichen
magnetischen Materials (8 Dreiecksgrößen, 8 Quadratgrößen und
6 fünfeckige
Größen) dar, jedes
in entweder 19 oder 37 unterschiedlichen Richtungen Φ gemessen
(0–180° in 10°-Schritten
für Dreiecke
und Quadrate, 0–180° in 5°-Schritten
für Fünfecke),
wodurch sich eine Summe von 526 Messungen ergibt.
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Es
ist aus 5 sofort ersichtlich, dass es starke
anisotrope Felder gibt, die in all den untersuchten Nanomagneten
vorhanden sind. Die dreieckigen Nanomagneten weisen die Anisotropie
mit sechsfacher Symmetrie auf, die quadratischen Nanomagneten stellen
eine vierfache symmetrische Anisotropie und die fünfeckigen
Nanomagneten eine bemerkenswerte zehnfache Anisotropie auf. Die
Frequenzverdoppelung tritt in den dreieckigen und fünfeckigen
auf, weil die Energie immer quadratisch in der Magnetisierung ist
und so können
ungerade Symmetrieordnungen nicht unterstützt werden.
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Die
Fourier-Analyse wurde auf die Diagramme von 5 angewendet,
um das Ausmaß der
Anisotopiefelder als eine Funktion der Nanomagnetgröße und -symmetrie
zu erhalten und die Ergebnisse in zwei unterschiedlichen Formen
in 6 darzustellen. In 6A sind
die Anisotropiefelder direkt aufgetragen, während in 6B die
Anisotropieenergie eines einzelnen Nanomagneten (in Einheiten von
kT, wobei k die Boltzmannkonstante und T = 298K ist) unter Verwendung
des theoretischen Verhältnisses Ua = 2MsHaV/n2 aufgetragen
ist. In dieser Gleichung ist Ua die Anisotropieenergie
eines einzelnen Nanomagneten (in ergs, 1 erg = 10–7),
Ha das Anisotropiefeld (in Oe; 1 Oe = 1000/4π·A/m),
n die Symmetrieordnung der Anisotropie (4 für Quadrate, 6 für Dreiecke,
10 für
Fünfecke)
und V das Volumen (in cm3) des Nanomagneten.
Ein bedeutendes Element beim Verständnis des Einflusses der Symmetrieordnung
auf die magnetischen Eigenschaften wird durch den n2-Ausdruck
in dieser Gleichung vorgesehen. Das heißt, dass, obwohl alle Geometrien
ungefähr ähnliche
Anisotropiefel der in 6A darstellen,
sie sehr unterschiedliche Anisotropieenergien in 6B darstellen.
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Die
Anisotropieenergie ist wegen eines Superparamagnetismus genannten
Phänomens
besonders interessant, der der Vorgang ist, bei dem anisotropische
Energiegrenzen durch die kT-thermischen Energieschwankungen
im nanometrischen Skalenbereich der Magneten überwunden werden können. Als
ein ungefährer
Richtwert kann eine Grenze auf der Zeitskala der Messungen überwunden
werden, sobald er kleiner als 10 kT hoch ist. Das heißt, dass man
erwarten würde,
sobald die Anisotropieenergie kleiner als 10 kT ist, die Koerzitivfeldstärke sehr schnell
auf Null fällt.
Gemäß der 6B sollte dieses eintreten, sobald die
Elementgröße kleiner
als ungefähr
150 nm ist, wobei die Quadrate die letzten sind, die absinken, wenn
die Größe reduziert
wird. Sobald umgekehrt die Anisotropieenergie größer als 10 kT ist, sollte die
Koerzitivfeldstärke
ungefähr
dem Anisotropiefeld folgen. Dieses erklärt die Differenz im Verhalten,
das man in 4 zwischen den Quadraten auf
der einen Seite und den Dreiecken und Fünfecken auf der anderen Seite
feststellt. Das Anisotropiefeld der Quadrate (6A)
stellt einen Scheitelpunkt dar, wenn die Elementgröße reduziert
wird, und dieser Scheitelpunkt wird direkt in den Quadratdaten der
Koerzitivfeldstärke
reflektiert (4C). Das Fünfeck-Anisotropiefeld stellt
keinen Scheitelpunkt dar, und dieses wird ebenfalls direkt in den
Koerzitivfeldstärkedaten
(4D) reflektiert, obwohl das Absinken
auf Null bei einer etwas größeren Größe bei den Koerzitivfeldstärkedaten
als im Anisotropiefeld wegen der thermischen Aktivierung auftritt.
Schließlich stellt
das Dreieck-Anisotropiefeld einen Scheitelpunkt genauso wie das
Quadrat dar, aber weil die Anisotropieenergien im Dreieck geringer
sind, setzt die thermische Aktivierung bei einer größeren Größe ein und
verhindert, dass der Scheitelpunkt in den Koerzitivfeldstärkedaten
erkannt wird (4B). Somit können die
experimentell bestimmten Koerzi tivfeldstärkedaten eine Folge aus einer
Kombination von strukturmäßiger Anisotropie
und thermischer Aktivierung sein.
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Hohe
Remanenzmaterialien, die die finite Koerzitivfeldstärke (und
dadurch eine Speicherfunktion) besitzen, sind nicht die einzigen
technologisch bedeutenden magnetischen Materialien. Gleichbedeutend
sind die Null-Remanenz, Null-Koerzitivfeldstärkematerialien,
die Anwendung in magnetischen Sensoren und Logikelementen finden,
und in diesem Fall ist es die Empfindlichkeit κ, die der Hauptparameter ist. κ ist definiert
als 4πδM/δH, wobei
M die Magnetisierung eines Nanomagneten und H das angewandte Magnetfeld
ist. κ ist
somit direkt proportional zur Null-Feldsteigung der Hystereseschleifen,
wie die in 2F dargestellte. Es wurde κ unter Verwendung eines
magnetooptischen Experiments (bei einer Frequenz von 27 Hz) als
eine Funktion der Nanomagnetgröße und -symmetrie
bei einer konstanten Dicke von 3,7 ± 0,5 nm ausgeführt und
die Ergebnisse sind in 7 dargestellt. κ ist nur
aussagekräftig,
wenn die Koerzitivfeldstärke
Null ist und so hat man sich auf diesen Fall beschränkt. Zum
Vergleich ist in dieser Figur auch die theoretische, von der Langevin-Funktion abgeleitete
Empfindlichkeit aufgezeichnet. Diese ist ein statistisches thermodynamisches
Konzept, das auf einen einzelnen Riesenspin im freien Raum angewendet
würde.
Drei Beobachtungen können
aus 7 gemacht werden. Erstens, die experimentell bestimmten
Empfindlichkeiten der kleinsten Nanomagneten sind alle sehr nah
zum freien Raum des Langevin-Modells,
obwohl keine Fitting-Parameter verwendet wurden, was sich darin
zeigt, dass das experimentelle System besser zu steuern/regeln ist. Zweitens,
die Abweichungen vom Langevin-Modell sind
am größten für die quadratischen
Symmetrie-Nanomagneten.
Dieses ist mit denjenigen, die die stärkste strukturmäßige Anisotropieenergie
besitzen, übereinstimmend,
d.h., dass der Riesenspin, der einen Quadratnanomagneten enthält, am wenigsten wie
ein Riesenspin im freien Raum aussieht.
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Es
ist die strukturmäßige Anisotropie,
die eventuell all die Symmetrien bewirkt, um vom Langevin-Modell
mit zunehmender Größe abzufallen.
Drittens, die hier gemessenen Empfindlichkeiten sind im Ausmaß zwei Ordnungen
größer als
wenn sie von magnetischen Partikeln derselben Form und Längenverhältnis erhalten
würden,
aber sich auf einer größeren als
der nanometrischen Skalenlänge
ergeben (d.h. Mikrometer und Obiges als Verwendung der konventionellsten
Magnetfeldsensoren). Im letzteren Fall rührt die Empfindlichkeit von
der Bewegung der Blochwände
gegen die inneren Demagnetisierungsfelder, die sehr stark sein können, her.
Die eindeutige Aufgabe der nanometrischen Skalenanordnung ist somit
deutlich dargelegt.
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4 und 5 stellen
sehr gut die Art dar, bei dem die nanometrische Struktur wirklich
die Herstellung der neuen magnetischen Materialien nachbildet. Supermalloy
wächst
mit der f.c.c.-(Kugelflächen-zentrierten)
Kristallographie, die sich üblicherweise
aus zwei- oder vierfacher Anisotropie ergibt. Trotzdem stellt 5A die sechsfache Symmetrie dar, die üblicherweise
für Materialien
mit h.c.p.-(hexagonal dichteste Kugelpackung-) Kristallographie vorbehalten
ist. In diesem Fall kann die Symmetrie der nanomagnetischen Form
(Dreieck) verwendet werden, um eine Änderung in der Kristallographiephase
nachzubilden. Ähnlich
würden
die relativ hohen Koerzitivfeldstärken der quadratischen und rechteckigen
Nanomagneten (4A und 4C) üblicherweise
nur in magnetischen Materialien mit einer hohen Anisotropie und
einer schwach verkoppelten Mikrostruktur gefunden. In diesem Fall
bildet eine sorgfältige
Auswahl der nanomagnetischen Symmetrie eine Änderung im Element und eine Änderung
in der Mikrostruktur nach. Schließlich schreibt die elementare
Kristallographie vor, dass ein kristallines Gitter keine zehnfache
Symmetrie besitzen kann und so sollte man nicht erwarten, ein natürlich auftretendes kristallines
Element oder Legierung mit einer zehnfachen magnetischen Anisotropie
zu finden. 5C stellt je doch dar, dass
es gelungen ist, eine künstlich verwendete
Nanostruktur zu erzeugen. In diesem Fall wird die nanometrische
Form verwendet, um einem kristallinen Material eine Eigenschaft
zu geben, die üblicherweise
Quasikristallen vorbehalten ist.
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Das
Schema von 8 stellt eine mögliche Anordnung
unter Verwendung eines superparamagnetischen Nanomagneten als Teil
eines Sensors oder Logikelements dar. Ein dreischichtiges Drehventil 12 ist
an beiden Seiten mit Anschlussleitungen 14 verbunden. Das
Ventil 12 umfasst eine magnetische Bodenschicht 16,
eine nichtmagnetische Abstandsschicht 18 und einen oder
mehrere Nanomagneten 20 in einem superparamagnetischen
Zustand als Oberschicht. Die Pfeile 22 zeigen den Stromdurchgang
durch das Ventil 12 und der Pfeil 24 zeigt die Magnetisierung
in der magnetischen Bodenschicht 16 an.
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Schließlich wurde
die Bedeutung der Symmetrie von der Form der Nanomagneten auf ihre
magnetischen Eigenschaften bestimmt und auf praktische Anwendungen
angewandt. Dabei spielt die Symmetrie eine entscheidende Rolle,
die die zu steuernden/regelnden magnetischen Eigenschaften über einen
sehr breiten Bereich ermöglicht.
Es wurde dargestellt, dass der Haupteffekt, die Symmetrie mit den magnetischen
Eigenschaften zu verbinden, strukturmäßig die Anisotropie ist. Diese
sieht neue künstliche magnetische
Materialien vor, bei denen die magnetischen Eigenschaften auf eine
besondere Anwendung mit einem hohen Genauigkeitsgrad passend gemacht
werden können.
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Der
erste neue Gedanke ist die Anwendung der strukturmäßigen Anisotropie über die
Symmetrie des Elementes, um die magnetischen Eigenschaften passend
zu machen. Bis heute haben Durchschnittsfachleute nur rechteckige,
quadratische oder ringförmige
Elemente betrachtet. Es wurde festgestellt, dass die strukturmäßige Anisotropie,
die durch andere Formen wie z.B. Dreiecke, Fünfecke und Sechsecke erzeugt
wurden, zum Steuern/Regeln der magnetischen Eigenschaften des Elements
verwendet werden kann. Der zweite neue Gedanke ist die Verwendung
des Superparamagnetismus in Nanostrukturen, um die Hysterese zu
entfernen. In konventionellen Materialien führt der Superparamagnetismus zu
sehr hohen Sättigungsfeldern,
und als solcher findet er keine Anwendung bei magnetischen Sensoren.
Es wird hier jedoch dargestellt, dass der Superparamagnetismus in
Nanostrukturen zu sehr geringen Sättigungsfeldern führen kann
(siehe 2F). An sich wäre das für ein Sensor-
oder Logikelement sehr geeignet. Was jedoch noch interessanter sein könnte, ist
die Tatsache, dass der Superparamagnetismus eine fast Null-Hysterese
garantiert, die eine Voraussetzung für einen guten Sensor ist (siehe 3).
Das größte Problem,
dem die gegenwärtige Anwendung
der Nanostrukturen als Sensoren gegenübersteht, ist die Tatsache,
dass üblicherweise die
Hysterese größer als
die seitlichen Dimensionen der Vorrichtung wird.
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Diese
beiden Gedanken können
durch Festlegen der strukturmäßigen Anisotropie
auf einen niedrigen Wert durch die Auswahl einer geeigneten Form
(dreieckig, fünfeckig
oder ringförmig)
kombiniert werden, die danach der Nanostruktur ermöglicht,
superparamagnetisch zu werden, und daher als guter Sensor oder Logikelement
wirkt.
