ES2202291T3 - Nanomaterial. - Google Patents

Abstract

Método para hacer un nanomaterial en forma de película delgada, comprendiendo el método el paso de depositar simultáneamente átomos de una sustancia ferromagnética junto con agregados de una sustancia amagnética sobre una superficie, produciendo con ello un nanomaterial en forma de película delgada que comprende una matriz policristalina de granos de la sustancia ferromagnética rodeados por agregados de átomos de la sustancia amagnética.

Description

Nanomaterial.

La presente invención se refiere a un nanomaterial, y en particular a un nanomaterial hecho en forma de película delgada.

Han venido siendo fabricados nanomateriales en muchos laboratorios en todo el mundo. En general se considera que un nanomaterial policristalino es un nanomaterial en el cual el tamaño del grano del material policristalino es de 100 nanómetros o menos. Un nanomaterial puede hacerse en forma de una película delgada que comprende típicamente una capa de material de menos de 100 nanómetros de espesor. Un nanomaterial en forma de película delgada puede hacerse usando por ejemplo la deposición química en fase de vapor o la deposición atómica.

Los nanomateriales son objeto de gran cantidad de trabajos de investigación. Es sabido que las propiedades de un material serán considerablemente modificadas cuando el mismo sea estructurado a una escala nanométrica. Por ejemplo, tienen lugar espectaculares incrementos de la dureza cuando el tamaño del grano de un material policristalino es reducido a una escala nanométrica. Además es sabido que la banda prohibida de un semiconductor policristalino aumentará al ser reducido el diámetro de los cristales semiconductores hasta menos de aproximadamente 4 nanómetros.

Es un objetivo de la presente invención aportar un nuevo método para producir un nanomaterial en forma de película delgada.

Según un primer aspecto de la invención, se aporta un método para hacer un nanomaterial, comprendiendo el método el paso de depositar simultáneamente átomos de una sustancia ferromagnética junto con agregados de átomos de una sustancia amagnética sobre una superficie, haciendo con ello un nanomaterial que comprende una matriz policristalina de granos de la sustancia ferromagnética rodeados por agregados de átomos de la sustancia amagnética.

La simultánea deposición atómica y de agregados de los materiales magnético y amagnético permite controlar minuciosamente la morfología del material resultante.

El nanomaterial puede hacerse en forma de una película delgada que tiene típicamente un espesor de 100 nanómetros o menos.

Los nanomateriales hechos según la invención son ventajosos porque los agregados de sustancia amagnética impiden la formación de grandes granos cristalinos de la sustancia ferromagnética. Los agregados amagnéticos rodean los granos magnéticos limitando el tamaño del grano de la sustancia ferromagnética, en comparación con el tamaño de grano que se daría si la sustancia hubiese sido producida usando la deposición atómica directa. Con la presente invención el tamaño del grano del material magnético puede ser reducido hasta cerca del límite superparamagnético. La reducción del tamaño del grano tiene varios efectos ventajosos, particularmente cuando el material es usado como un soporte magnético utilizado por ejemplo para almacenar datos.

El reducido tamaño del grano proporciona una inversión más rápida del magnetismo de cada grano de la sustancia ferromagnética, puesto que se ven reducidos los momentos magnéticos que son requeridos para invertir el magnetismo. Esto permite una más rápida grabación y lectura cuando el material es usado como soporte magnético de almacenamiento de datos. La incrementada densidad de granos ferromagnéticos que resulta del reducido tamaño del grano permite también que sea almacenada una incrementada densidad de datos. Además, la separación de los granos magnéticos por parte de los agregados amagnéticos desacopla magnéticamente hasta cierto punto los granos adyacentes.

El reducido tamaño del grano incrementa también considerablemente la dureza del nanomaterial. Esto puede ser ventajoso para incrementar la resistencia al desgaste, particularmente cuando el material es hecho en forma de una película delgada para ser por ejemplo usado en calidad del soporte de almacenamiento de datos de un disco duro de un ordenador, pudiendo no ser necesarios adicionales recubrimientos protectores.

Preferiblemente, los agregados amagnéticos quedan embebidos con una densidad de menos de un 20% volumétrico en la matriz de sustancia ferromagnética, y con la máxima preferencia con una densidad de menos de un 10% volumétrico.

Preferiblemente, los de una mayoría de los agregados amagnéticos tienen diámetros de menos de 10 nanómetros, y por ejemplo de entre 1 y 7 nanómetros.

Preferiblemente, los de una mayoría de los granos de la sustancia ferromagnética tienen un diámetro de menos de 20 nanómetros. Por ejemplo, el tamaño del grano puede ser del orden de 10 nanómetros de diámetro, viniendo el tamaño mínimo determinado por el límite superparamagnético de la sustancia magnética que se use en concreto.

Preferiblemente, la sustancia ferromagnética es cobalto. Puede ser sin embargo usada cualquier otra sustancia ferromagnética adecuada, como por ejemplo el hierro.

Preferiblemente, la sustancia amagnética es una sustancia que no se disolverá en la sustancia ferromagnética. Puede ser usada cualquier sustancia amagnética elemental que sea inmiscible en la sustancia ferromagnética.

Preferiblemente, la sustancia amagnética es cobre. Se prefiere el cobre porque el mismo no se disuelve en cobalto, pero se comprenderá que hay otras sustancias que podrían ser usadas.

La superficie puede ser la de cualquier sustrato adecuado tal como un sustrato de silicio o un sustrato de un metal, a pesar de que puede usarse cualquier sustrato adecuado. El nanomaterial de la película delgada puede ser depositado directamente sobre la superficie de un disco duro de ordenador convencional, por ejemplo.

El nanomaterial realizado en forma de película delgada puede comprender una sola capa de un material multicapas.

Preferiblemente, los átomos de la sustancia ferromagnética y los agregados de la sustancia amagnética son generados en fuentes independientes.

Preferiblemente, los átomos de la sustancia ferromagnética son generados en un primer magnetrón. Los átomos son preferiblemente dirigidos a la superficie en un haz de átomos de argón. Ésta es deposición atómica.

Preferiblemente, los átomos de la sustancia amagnética son generados en un segundo magnetrón y se agrupan para formar agregados en una cámara refrigerada. Los agregados son preferiblemente dirigidos a la superficie en un haz de átomos de argón.

Según un segundo aspecto de la invención, se aporta un nanomaterial en forma de película delgada que comprende una matriz policristalina de granos ferromagnéticos rodeados por agregados de átomos de una sustancia amagnética.

Se describe a continuación una realización específica de la invención haciendo referencia a la figura acompañante, que muestra esquemáticamente un aparato que es capaz de producir el nanomaterial en forma de película delgada según la invención.

En un ejemplo de la invención, agregados de cobre que tienen diámetros de entre 1,5 nanómetros y 7 nanómetros son embebidos en una matriz de cobalto ferromagnético. Estos agregados impiden la formación de grandes granos cristalinos de cobalto, siendo los granos típicamente de menos de unos 20 nanómetros de diámetro, en lugar de los 50 a 60 nanómetros que se formarían en ausencia de los agregados de cobre. Una ventaja adicional de tales pequeños granos de cobalto, además de las mencionadas anteriormente, es la de que los mismos son estables, en comparación con los granos de cobalto de 50 a 60 nanómetros de diámetro que es probable que crezcan al verse sometidos a un campo magnético.

Los nanomateriales magnéticos según la presente invención son particularmente adecuados para ser usados como soportes de almacenamiento magnético.

Como se ha mencionado anteriormente, la incrementada densidad de granos de cobalto permite que sea almacenada una incrementada densidad de datos, y lo que es quizá más importante, el reducido tamaño del grano da lugar a una inversión más rápida del magnetismo de cada grano de cobalto, puesto que se ven reducidos los momentos magnéticos que son necesarios para invertir el magnetismo. Esto permite una más rápida lectura y grabación del soporte de almacenamiento de datos.

Otras ventajas del cobalto y del cobre de la película de la presente invención incluyen un mejoramiento de la estabilidad y la dureza.

Está ilustrado en la Figura 1 un aparato de deposición catódica de magnetrones que puede ser usado para producir la película de cobalto y cobre. Un primer magnetrón 1 produce un haz de cobalto atómico 2, y un segundo magnetrón 3 produce un haz de agregados de cobre 4.

Dentro del primer magnetrón 1 hay una placa que tiene cobalto (no ilustrada). Un imán (no ilustrado) situado detrás de la placa produce un campo magnético delante de la placa. La placa forma un cátodo, y están puestos en torno a la placa ánodos adecuadamente situados (no ilustrados). Es introducido en el magnetrón en una corriente continua 8 gas argón a baja presión. El gas argón es ionizado por el campo eléctrico dentro del magnetrón 1, y los electrones que son separados de los átomos de argón golpean la placa del cátodo, desprendiendo con ello átomos de cobalto de la placa. Estos átomos de cobalto son átomos que son depositados por deposición catódica. Los átomos de cobalto son sacados del magnetrón 1 por un haz de átomos de argón, de tal manera que el haz de cobalto atómico 2 comprende de hecho cobalto atómico y argón atómico. La presencia del argón en el haz 2 puede ser ignorada puesto que el argón es inerte.

El segundo magnetrón 3 está hecho de manera similar al primer magnetrón 1, siendo también en este caso introducida en el magnetrón 3 una corriente constante de gas argón 8 a baja presión. Sin embargo, en este caso la placa (no ilustrada) tiene cobre en lugar de cobalto.

El haz de cobalto atómico 2 es producido en un vacío de 10^{-3} torr. En contraste con esto, el segundo magnetrón 3 está situado dentro de una cámara 5 que contiene una mezcla de helio y argón a una presión de entre 0,1 y 1,5 mbares (típicamente 1 torr). La cámara 5 es refrigerada mediante nitrógeno líquido. Los átomos de cobre son emitidos por el segundo magnetrón al interior de la cámara 5 y tienen una movilidad restringida debido a la presencia de los átomos de helio y argón. Los átomos de cobre tienden a reunirse y quedar adheridos, formando con ello agregados, siendo éste un proceso al que se denomina agregación en estado gaseoso. Los agregados de cobre abandonan la cámara 5 con los átomos de helio y los átomos de argón en un haz supersónico. Está previsto un separador 6 para separar el helio, que se expande rápidamente al abandonar la cámara refrigerada 5, dejando con ello un haz 4 de agregados de cobre y átomos de argón. También en este caso puede ignorarse la presencia de los átomos de argón en el haz 4, puesto que los mismos son inertes.

No son necesarias lentes de enfoque para producir el haz de agregados de cobre 4. En lugar de las mismas, se usa un orificio 9 apropiadamente embudado. Tanto el haz de átomos de cobalto 12 como el haz de agregados de cobre 4 puede ser obturado usando obturadores 11.

Los agregados de cobre son depositados junto con los átomos de cobalto sobre un adecuado sustrato 7, el cual es un proceso conocido como deposición en fase de vacío. El sustrato es mantenido a un vacío de 10^{-8} torr para impedir que se depositen impurezas sobre el sustrato 7.

La deposición del cobalto atómico y la deposición de los agregados de cobre tienen lugar al mismo tiempo, con lo cual crece en torno a los agregados de cobre depositados una matriz de cobalto. El haz atómico de cobalto es aproximadamente de diez a veinte veces más intenso que el haz de agregados de cobre. Las velocidades de deposición son supervisadas utilizando un supervisor de espesores de cristal oscilante estabilizado (no ilustrado).

Mediante un apropiado ajuste del aparato, el tamaño de los agregados de cobre que son producidos por el aparato de la Figura 1 puede ser seleccionado para que quede situado dentro de la gama de tamaños que va desde 1,5 nanómetros hasta 7 nanómetros. El semimáximo a todo lo ancho de la distribución del tamaño de agregados es de aproximadamente un 30% del tamaño de promedio. La velocidad de deposición para los agregados es de hasta 5 A/seg. La velocidad de deposición producida por el aparato se ve limitada en última instancia tan sólo por la fuente del haz de cobalto atómico 2.

Es sabido que la naturaleza de un sustrato puede afectar a la naturaleza de una película delgada de material ferromagnético producida sobre ese sustrato. A este respecto, eligiendo un sustrato determinado que actúe como un formador para dirigir el crecimiento de los granos de cobalto en una dirección específica, puede hacerse que el magnetismo del cobalto quede orientado en el plano o fuera del plano de la capa.

Las propiedades de la película de cobalto y cobre pueden ser manipuladas fácilmente y de manera sistemáticamente repetible a base de controlar minuciosamente el tamaño y la densidad de los agregados de cobre.

La película de cobalto y cobre es dura porque el tamaño del grano del cobalto queda limitado a menos de aproximadamente 20 nanómetros. Las películas de cobalto existentes, que no incluyen agregados de cobre, tienen un tamaño de grano de 50 a 60 nanómetros, y en consecuencia son bastante menos duras. Los discos duros magnéticos convencionales comprenden una película de aleación de cobalto que tiene un tamaño de grano de menos de 50 a 60 nanómetros, e incluyen una capa protectora sobre la película de cobalto a fin de impedir que la película de cobalto pueda ser dañada por la cabeza grabadora. Un disco duro magnético hecho a base de usar la película de cobalto y cobre según la invención no requeriría una capa protectora y sería por consiguiente de fabricación más sencilla y económica en comparación con los discos duros magnéticos existentes.

A fin de evitar que se vean afectadas negativamente las propiedades magnéticas de la película, se requiere una baja densidad de agregados de cobre, que debe ser del orden de un 10% o menos (en volumen). Se prefiere una densidad de agregados de cobre de un 5% a un 10%. Una densidad de agregados de más de un 20% puede inhibir considerablemente la capacidad de la película para registrar información magnética.

El sustrato 7 puede ser de cualquier sustancia adecuada, como por ejemplo vidrio o silicio (o alguna otra oblea semiconductora o un metal). Se contempla que en la fabricación de discos duros magnéticos los agregados de cobre y los átomos de cobalto serán depositados directamente sobre un disco duro.

Usando el aparato que está ilustrado en la Figura 1 pueden hacerse materiales multicapas en los que una capa contenga agregados. Puede usarse para producir átomos para deposición en fase de vacío de una capa que no contenga agregados una fuente atómica térmica, como por ejemplo una célula K (célula de Knudsen) 10.

Los tamaños de los agregados de cobre pueden ser variados ajustando dentro del segundo magnetrón 3 parámetros tales como la presión de los gases de helio y argón y el posicionamiento del segundo magnetrón 3 dentro de la cámara refrigerada 5.

La velocidad de deposición es dependiente de la fuente de átomos y de la fuente de agregados. Las velocidades de deposición anteriormente indicadas son para un aparato experimental. Si el aparato fuese realizado a escala industrial para efectuar el recubrimiento de discos duros, las velocidades de deposición serán entonces incrementadas para quedar por ejemplo situadas dentro de la gama de velocidades de 50-100 A/seg.

A pesar de que la invención ha sido escrita con referencia al cobalto, podrían ser usados otros materiales magnéticos. El cobalto predomina sin embargo actualmente en la producción de soportes magnéticos de almacenamiento de datos. Análogamente, podrían usarse en lugar del cobre otros materiales amagnéticos tales como el oro y el cromo. Éstos son ejemplos no limitativos.

Claims (16)

1. Método para hacer un nanomaterial en forma de película delgada, comprendiendo el método el paso de depositar simultáneamente átomos de una sustancia ferromagnética junto con agregados de una sustancia amagnética sobre una superficie, produciendo con ello un nanomaterial en forma de película delgada que comprende una matriz policristalina de granos de la sustancia ferromagnética rodeados por agregados de átomos de la sustancia amagnética.

2. Método según la reivindicación 1, en el que los agregados amagnéticos son embebidos con una densidad de menos de un 20% volumétrico en la matriz de sustancia ferromagnética.

3. Método según la reivindicación 2, en el que los agregados amagnéticos son embebidos con una densidad de menos de un 10% volumétrico en la matriz de sustancia ferromagnética.

4. Método según cualquier reivindicación precedente, en el que los de una mayoría de los agregados amagnéticos tienen diámetros de menos de 10 nanómetros.

5. Método según la reivindicación 4, en el que los de una mayoría de los agregados amagnéticos tienen diámetros de menos de 7 nanómetros.

6. Método según cualquier reivindicación precedente, en el que los de una mayoría de los granos de la sustancia ferromagnética son de menos de 20 nanómetros de diámetro.

7. Método según la reivindicación 6, en el que los de una mayoría de los granos de la sustancia ferromagnética tienen un diámetro del orden de 10
nanómetros.

8. Método según cualquier reivindicación precedente, en el que la sustancia ferromagnética es cobalto.

9. Método según cualquier reivindicación precedente, en el que la sustancia amagnética es una sustancia que no se disolverá en la sustancia ferromagnética.

10. Método según cualquier reivindicación precedente, en el que los agregados amagnéticos son de cobre.

11. Método según cualquier reivindicación precedente, en el que la superficie es un sustrato de silicio, vidrio o un metal.

12. Método según cualquier reivindicación precedente, en el que el nanomaterial en forma de película delgada comprende una sola capa de un material multicapas.

13. Método según cualquier reivindicación precedente, en el que los átomos de la sustancia ferromagnética y los agregados de la sustancia amagnética son generados en fuentes independientes.

14. Método según la reivindicación 13, en el que los átomos de la sustancia ferromagnética son generados en un primer magnetrón.

15. Método según la reivindicación 13 ó 14, en el que los átomos de la sustancia amagnética son generados en un segundo magnetrón y se agrupan para formar agregados en una cámara refrigerada.

16. Nanomaterial en forma de película delgada que comprende una matriz policristalina de sustancia ferromagnética rodeada por agregados de una sustancia amagnética.