ES2343099B1 - USEFUL TEMPERATE IN THE MANUFACTURE OF A SYSTEM OF INFORMATION STORAGE AND PROCEDURE OF OBTAINING. - Google Patents
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Abstract
Templado útil en la fabricación de un sistema de almacenamiento informático y procedimiento de obtención.Tempered useful in the manufacture of a system of computer storage and procurement procedure.
La invención describe un templado, útil como nanomolde para la obtención de un sistema que comprende dicho templado y dots magnéticos. Dicho sistema es útil para el almacenamiento informático de datos de forma magnética, permitiendo la elaboración, por ejemplo, de un disco duro. La invención describe asimismo un procedimiento para su preparación.The invention describes a tempering, useful as nanomold for obtaining a system comprising said Tempered and magnetic dots. This system is useful for computer data storage magnetically, allowing the development, for example, of a hard disk. The invention describes also a procedure for its preparation.
Dicho procedimiento comprende la obtención de un templado mediante la reconstrucción superficial de un sustrato de Au(111) y la deposición de un elemento del grupo de las tierras raras por la técnica de epitaxia de rayo molecular sobre el sustrato de Au(111) previamente reconstruido. A continuación sobre el templado así obtenido, se hace crecer un recubrimiento que consiste en una red periódica de islas de un metal ferromagnético, por ejemplo Co.Said procedure comprises obtaining a tempered by superficial reconstruction of a substrate of Au (111) and the deposition of an element of the group of rare earth by molecular beam epitaxy technique on the Au (111) substrate previously rebuilt. Then on the temperate thus obtained, a coating is grown that it consists of a periodic network of islands of a ferromagnetic metal, for example Co.
Description
Templado útil en la fabricación de un sistema de almacenamiento informático y procedimiento de obtención.Tempered useful in the manufacture of a system of computer storage and procurement procedure.
La presente invención se encuadra dentro del campo de la nanociencia y nanotecnología, más en concreto en la física de superficies. En particular la presente invención se relaciona con sistemas útiles para el almacenamiento informático de datos de forma magnética, empleando una red de islas de un metal ferromagnético como medio de grabación magnética, y permitiendo la elaboración, por ejemplo, de un disco duro con elevadas capacidades para almacenar información con densidades que se aproximan a los 40 Teradot/in^{2}.The present invention fits within the field of nanoscience and nanotechnology, more specifically in the surface physics. In particular the present invention is relates to useful systems for computer storage of data magnetically, using a metal island network ferromagnetic as a means of magnetic recording, and allowing the development, for example, of a hard disk with high capacities to store information with densities approaching 40 Teradot / in2.
La grabación magnética fue introducida hace algo más de cincuenta años en los sistemas informáticos de la época mediante discos duros que en sus comienzos resultaron muy costosos y de grandes dimensiones, pero que supusieron una revolución en el campo de almacenaje de la información. Con el tiempo los discos duros fueron mejorándose reduciéndose el tamaño y los costes de producción hasta que en la década de los ochenta se introdujeron en los ordenadores personales. En el momento actual los discos duros producidos han alcanzado dimensiones y capacidades de almacenaje inimaginables en los comienzos, incorporándose a diferentes dispositivos electrónicos como portátiles, MP3 players, vídeo cámaras, consolas, etc... que han sido asimilados por la sociedad de consumo transformándose en elementos fundamentales para la vida diaria. La capacidad de los actuales discos supera los 700 GB con una densidad de bit por unidad de área de alrededor de 130 GB/in^{2} lo cual contrasta con los 2 KB/in^{2} del primer disco duro [R. Sbiaa, S. N. Piramanayagam. Recent Patents on Nanotechnology 1, 29-40 (2007).].The magnetic recording was introduced something ago more than fifty years in the computer systems of the time through hard drives that at the beginning were very expensive and of great dimensions, but that supposed a revolution in the Information storage field. Over time the disks hard were improving reducing the size and costs of production until in the eighties they were introduced in Personal computers Currently hard drives produced have reached dimensions and storage capacities unimaginable in the beginning, joining different electronic devices such as laptops, MP3 players, video cameras, consoles, etc ... that have been assimilated by the society of consumption becoming fundamental elements for life daily The capacity of the current disks exceeds 700 GB with a bit density per unit area of about 130 GB / in2 which contrasts with the 2 KB / in2 of the first disk hard [R. Sbiaa, S. N. Piramanayagam. Recent Patents on Nanotechnology 1, 29-40 (2007).].
En los primeros discos rígidos se utilizaron óxidos de hierro magnéticos, pero a medida que se fue incrementando la densidad de información se hizo necesario cambiar a otros materiales con más posibilidades y agregar capas adicionales que ayuden a mejorar la estabilidad magnética. Sin embargo la tecnología base que hay detrás del almacenamiento de datos sigue siendo la misma que en sus comienzos; se hace necesaria la presencia de un medio magnético donde grabar la información y de una cabeza lectora/escritora de esta información. El medio magnético consiste en un sustrato recubierto por un material magnético permanente que permite almacenar la información magnéticamente, y la cabeza lectora/escritora consiste en un electroimán que está localizado muy próximo al medio magnético, funcionando de manera distinta si se encuentra en modo de lectura o escritura [J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) R147-R168.]. Los enormes avances tecnológicos que han experimentado cada uno de los componentes asociados con el proceso de escritura y lectura han hecho posible una reducción enorme en el tamaño de los componentes del disco duro. En particular la gran disminución en el tamaño de grano ha posibilitado aumentar la capacidad de almacenaje de los discos duros, y reducir en gran medida la señal de ruido que está asociada a la granularidad del medio magnético [R. L. White. JMMM 209 (2000) 1-5.]. Sin embargo, la drástica reducción en el tamaño de grano parece ir acompañada de una inestabilidad térmica de la información almacenada, que puede comenzar a ser crítica a partir de volúmenes de grano pequeños [R. Sbiaa, S. N. Piramanayagam. Recent Patents on Nanotechnology 1, 29-40 (2007)]. En este punto recobra importancia la anisotropía magnética, ya que una reducción muy abrupta del volumen de grano podría únicamente ser compensada con un aumento en la anisotropía del sistema. El producto K_{u}\cdotV (donde K_{u} es la constante de anisotropía y V es el volumen de grano) representa la barrera energética que la partícula debería sobrepasar para modificar su magnetización en la dirección contraria. El límite de reducción de esta barrera es la energía térmica k_{B}\cdotT (k_{B} representa la constante de Boltzman y T es la temperatura, T > 300 K en la mayoría de discos duros). En este punto crítico se estaría próximo al límite que se conoce como superparamagnético, que podría limitar la evolución en la capacidad de grabación de los medios magnéticos. Indudablemente se sabe que el uso de materiales con altas anisotropías implica altos campos coercitivos que deberían poder ser alcanzados técnicamente con el fin de poder escribir y borrar la información magnética.In the first hard drives were used magnetic iron oxides, but as it increased information density became necessary to change to others materials with more possibilities and add additional layers that Help improve magnetic stability. However the technology base behind data storage is still the same as in its beginnings; the presence of a magnetic medium where to record the information and a head reader / writer of this information. The magnetic medium consists on a substrate coated by a permanent magnetic material that allows to store the information magnetically, and the head reader / writer consists of an electromagnet that is located very close to the magnetic medium, working differently if is in read or write mode [J. Phys. D: Appl. Phys. 32 (1999) R147-R168.]. The huge technological advances who have experienced each of the components associated with the writing and reading process have made possible a reduction huge in the size of the hard drive components. In particular the large decrease in grain size has made it possible to increase the storage capacity of hard drives, and greatly reduce measured the noise signal that is associated with the granularity of the magnetic medium [R. L. White JMMM 209 (2000) 1-5.]. However, the drastic reduction in grain size seems to go accompanied by a thermal instability of the information stored, which can begin to be critical from volumes small grain [R. Sbiaa, S. N. Piramanayagam. Recent Patents on Nanotechnology 1, 29-40 (2007)]. In this point Magnetic anisotropy becomes important, since a reduction very steep grain volume could only be compensated with an increase in the anisotropy of the system. The product K_ {u} \ cdotV (where K_ {u} is the anisotropy constant and V is the volume of grain) represents the energy barrier that the particle should exceed to modify its magnetization in the opposite direction. The limit of reduction of this barrier is the thermal energy k_ {B} \ cdotT (k_ {B} represents the constant of Boltzman and T is the temperature, T> 300 K on most discs hard). At this critical point it would be close to the limit that known as superparamagnetic, which could limit the evolution in The recording capacity of magnetic media. Undoubtedly It is known that the use of materials with high anisotropy implies high coercive fields that should be reached technically in order to be able to write and erase the information magnetic
Una alternativa para no frenar esta evolución y superar los inconvenientes del límite superparamagnético fue propuesta por la ya desaparecida "IBM storage división" en 1990, y consistía en el uso de dos capas ferromagnéticas separadas por una fina capa no magnética de rutenio con el fin de acoplarlas antiferromagnéticamente [S. S. P. Parkin, N. More, K. P. Roche. Phys. Rev. Lett. 64, 2304-2307 (1990)]. De esta manera se estabilizó la magnetización de los bits permitiéndose reducir aun más el tamaño de los granos de las capas magnéticas que en el momento actual se encuentra alrededor de 7 nm [R. Sbiaa, S. N. Piramanayagam. Recent Patents on Nanotechnology 1, 29-40 (2007)].An alternative not to curb this evolution and overcoming the inconveniences of the superparamagnetic limit was proposed by the already disappeared "IBM storage division" in 1990, and consisted of the use of two separate ferromagnetic layers by a thin non-magnetic layer of ruthenium in order to couple them antiferromagnetically [S. S. P. Parkin, N. More, K. P. Roche. Phys. Rev. Lett. 64, 2304-2307 (1990)]. This way the magnetization of the bits was stabilized allowing further reduce the grain size of the magnetic layers that at the present time it is around 7 nm [R. Sbiaa, S. N. Piramanayagam Recent Patents on Nanotechnology 1, 29-40 (2007)].
Otra nueva estrategia planteada y que constituye una nueva vía de desarrollo hacia más altas densidades del medio magnético supone la sustitución de la grabación magnética paralela empleada hasta ahora por la grabación perpendicular, incorporándose ya este tipo de lectura a los más novedosos discos duros. Con la grabación perpendicular se confiere mayor estabilidad a los bits reduciendo el factor de demagnetización entre bits adyacentes con magnetizaciones opuestas. De ésta manera la zona de transición (no magnética) entre bits se puede reducir, y consecuentemente la densidad de bits por área se puede aumentar. Adicionalmente la nueva arquitectura asociada a la escritura perpendicular es capaz de generar campos magnéticos dos veces más altos, lo cual es fundamental si cada vez se emplean materiales con más altas anisotropías magnéticas que confieren mayor estabilidad a los bits almacenados pero que requieren mayores campos coercitivos para poder ser tratados. En este contexto se plantea el conseguir alcanzar densidades de bits por área en el rango de los Terabits/in^{2} y de diseñar medios magnéticos que cubran estas necesidades.Another new strategy proposed and that constitutes a new path of development towards higher densities of the environment magnetic supposes the replacement of parallel magnetic recording used so far by perpendicular recording, joining and this type of reading to the latest hard drives. With the perpendicular recording confers greater bit stability reducing the demagnetization factor between adjacent bits with opposite magnetizations. In this way the transition zone (no magnetic) between bits can be reduced, and consequently the Bit density per area can be increased. Additionally the new architecture associated with perpendicular writing is capable of generate magnetic fields twice as high, which is fundamental if increasingly higher materials are used magnetic anisotropies that confer greater bit stability stored but that require larger coercive fields to be able to Be treated. In this context, it is possible to achieve bit densities per area in the Terabits / in2 range and of designing magnetic media that cover these needs.
Para poder superar esta frontera con éxito se plantea el diseño de nuevos medios mucho más optimizados. Actualmente cada bit contiene cientos de granos del medio magnético, y la alta granularidad puede llegar a afectar las fronteras que definen cada bit produciendo una señal de ruido. Por ello se ha planteado el diseño de medios magnéticos formados por una red de unidades magnéticas perfectamente ordenadas y homogéneas donde cada unidad o isla es capaz de almacenar un bit individual.In order to successfully overcome this border, raises the design of new media much more optimized. Currently each bit contains hundreds of grains of the magnetic medium, and high granularity can affect the boundaries that They define each bit producing a noise signal. That is why it has raised the design of magnetic media formed by a network of perfectly ordered and homogeneous magnetic units where each unit or island is able to store an individual bit.
Estos medios se preparan actualmente mediante diversos métodos que están fundamentalmente basados en técnicas litográficas [R. Sbiaa, S. N. Piramanayagam. Recent Patents on Nanotechnology 1, 29-40 (2007)].These means are currently prepared by various methods that are fundamentally based on techniques lithographic [R. Sbiaa, S. N. Piramanayagam. Recent Patents on Nanotechnology 1, 29-40 (2007)].
Sin embargo, estos métodos implican el empleo de
costosas y complicadas técnicas para su puesta en práctica, lo que
encarece los medios obtenidos. Además éstos no cumplen
satisfactoriamente las expectativas en cuanto a
eficacia.However, these methods involve the use of expensive and complicated techniques for its implementation, which makes the means obtained more expensive. Furthermore, these do not satisfactorily meet expectations regarding
effectiveness.
Por tanto sigue existiendo la necesidad en el estado de la técnica de desarrollar nuevos medios con alta capacidad de almacenaje que resulten flexibles, y económicos, así como nuevos procedimientos más sencillos para su obtención.Therefore the need still exists in the state of the art of developing new media with high capacity of storage that are flexible, and economical, as well as new simpler procedures to obtain it.
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Fig. 1: Imagen de STM (V_{bias} = -1.5 V) de
un templado de la invención que muestra la estructura de superred
formada por la aleación superficial de Gd y Au con resolución
atómica:(a) Imagen de la superficie de un área de
50 nm x 50
nm; (b) Imagen 3-dimensional en un área de 15 nm x
15 nm, que muestra las ondulaciones de la superficie que sirven de
centros de nucleación para el crecimiento de las islas de Co.Fig. 1: Image of STM (V_ {bias} = -1.5 V) of a tempering of the invention showing the superred structure formed by the surface alloy of Gd and Au with atomic resolution: (a) Image of the surface of an area of
50 nm x 50 nm; (b) 3-dimensional image in an area of 15 nm x 15 nm, showing the surface undulations that serve as nucleation centers for the growth of the islands of Co.
Fig. 2: Imagen de STM (V_{bias} = -1.0 V) de las islas de Co evaporadas sobre la estructura de superred del templado de la invención mostrado en la Figura 1. La densidad de las islas en la imagen es de 38 Teradots/inch^{2}.Fig. 2: Image of STM (V_ {bias} = -1.0 V) of the islands of Co evaporated on the superred structure of the tempered of the invention shown in Figure 1. The density of the Islands in the picture is 38 Teradots / inch2.
Fig. 3: Ciclos de histéresis medidos a 300 K mediante la técnica de magnetómetro de muestra vibrante, en un PPMS Quantum Design 9T con el campo magnético aplicado perpendicular al plano de la muestra, y paralelo al plano de la muestra. El ciclo de histéresis se detecta únicamente en la geometría perpendicular.Fig. 3: Hysteresis cycles measured at 300 K using the vibrating sample magnetometer technique, in a PPMS Quantum Design 9T with the magnetic field applied perpendicular to the sample plane, and parallel to the sample plane. The cycle of Hysteresis is detected only in perpendicular geometry.
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En un primer aspecto, la invención se relaciona con un templado útil para preparar un sistema susceptible de ser usado para la grabación magnética de datos y su almacenaje. El templado, en adelante templado de la invención, se obtiene al evaporar sobre un substrato de Au un elemento de la familia de las tierras raras (RE) que comprende los siguientes elementos: lantano, cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio, lutecio, escandio e ytrio. Como resultado se forma una aleación superficial RE-Au con espesores de 1-3 capas atómicas sobre la superficie evaporada del sustrato de Au. La diferencia del parámetro de red entre la aleación de RE-Au formada sobre la superficie del Au y el propio sustrato de Au sobre el que ésta crece produce una estructura de superred que se caracteriza por una periodicidad adicional a la que ya tienen los átomos de la superficie de la aleación RE-Au. Es esta periodicidad lo que caracteriza al templado de la invención y lo hace útil como nanomolde para el posterior crecimiento de nanoestructuras.In a first aspect, the invention relates to with a useful tempering to prepare a system capable of being used for magnetic data recording and storage. He tempered, hereinafter tempered of the invention, is obtained by evaporate on an Au substrate an element of the family of rare earths (RE) comprising the following elements: lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, tulio, ytterbium, lutetium, scandium and ytrium. As a result a surface alloy is formed RE-Au with 1-3 layer thicknesses atomic on the evaporated surface of the Au. The difference of the network parameter between the alloy of RE-Au formed on the surface of the Au and the own Au substrate on which it grows produces a structure of superred that is characterized by an additional periodicity to which they already have the atoms of the alloy surface RE-Au. It is this periodicity that characterizes the tempered of the invention and makes it useful as a nanomold for subsequent growth of nanostructures.
Por tanto el templado de la invención comprende un sustrato de Au(111) sobre el que se ha evaporado un elemento seleccionado del grupo formado por lantano, cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio, lutecio, escandio e ytrio, el cual presenta una aleación superficial de Au y dicho elemento, cuyo espesor está comprendido entre 1 y 3 capas atómicas y presenta estructura de superred.Therefore the tempering of the invention comprises a substrate of Au (111) on which a element selected from the group consisting of lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, tulio, ytterbium, lutetium, scandium and ytrium, which has a surface alloy of Au and said element, whose thickness is between 1 and 3 atomic layers and has superred structure.
La periodicidad de la estructura de superred, en
adelante superred, que caracteriza al templado de la invención varía
en función del elemento seleccionado del grupo formado por lantano,
cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio, terbio,
disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio, lutecio, escandio e ytrio,
en adelante elemento
RE.The periodicity of the superred structure, hereinafter superred, that characterizes the tempering of the invention varies depending on the element selected from the group consisting of lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium , tulio, iterbio, lutetium, scandium and ytrium, hereinafter element
RE.
En una realización preferente del templado de la invención, éste comprende un sustrato de Au sobre el que se ha evaporado Gd, y presenta una superred de una aleación de Au y Gd con periodicidad de 38 \pm 2 \ring{A}, que está asociada con una ondulación superficial que se muestra en las imágenes de STM. Además las medidas de espectroscopia de fotoelectrones mediante rayos X (XPS) ponen de manifiesto que en una realización particular la estequiometría es GdAu_{2}. Las medidas de XPS se llevaron a cabo con una energía de fotón de 135 eV, obteniéndose de esta manera información de la superficie (capas de GdAu_{2}) y apenas información del Au volumen (bulk) del sustrato. Las medidas se realizaron en un sincrotrón, donde es posible alcanzar la energía de fotón empleada, ya que los aparatos de XPS convencionales de los laboratorios trabajan en otros rangos de energía de fotón. La figura 1 muestra las imágenes de STM de un templado que presenta una superred de Au y Gd, en particular a) muestra la imagen de la superficie, y b) una imagen tridimensional en la que pueden observarse claramente las ondulaciones de la superficie que sirven de centros de nucleación para el crecimiento de islas o dots magnéticos.In a preferred embodiment of the tempering of the invention, it comprises an Au substrate on which Gd has evaporated, and has a super alloy of an Au and Gd alloy with a periodicity of 38 ± 2 Å, which is associated with a superficial undulation shown in the STM images. In addition, X-ray photoelectron spectroscopy measurements (XPS) show that in a particular embodiment the stoichiometry is GdAu 2. The XPS measurements were carried out with a photon energy of 135 eV, thus obtaining surface information (layers of GdAu 2) and just information on the Au volume ( bulk ) of the substrate. The measurements were made in a synchrotron, where it is possible to reach the photon energy used, since the conventional XPS devices of the laboratories work in other photon energy ranges. Figure 1 shows the STM images of a temper that has an Au and Gd supernet, in particular a) shows the surface image, and b) a three-dimensional image in which the undulations of the surface that serve as a surface can be clearly observed. Nucleation centers for the growth of islands or magnetic dots.
El templado de la invención puede ser utilizado por tanto para la preparación de una red de dots o islas magnéticas con altas densidades de islas por unidad de área, que puede ser usado para el diseño de un sistema de grabación magnética de datos y su almacenaje. Este sistema, que constituye un aspecto adicional de la presente invención comprende:The tempering of the invention can be used. therefore for the preparation of a network of dots or magnetic islands with high island densities per unit area, which can be used for the design of a magnetic data recording system and Your storage This system, which constitutes an additional aspect of The present invention comprises:
(i) el templado de la invención según se ha definido arriba, y(i) the tempering of the invention as has been defined above, and
(ii) un recubrimiento sobre la superred de aleación de dicho templado que consiste en una red periódica de islas de un metal ferromagnético.(ii) a coating on the supernet of alloy of said tempering consisting of a periodic network of Islands of a ferromagnetic metal.
El metal ferromagnético de las islas de la presente invención puede ser en principio cualquier material con propiedades ferromagnéticas, tanto metales como aleaciones. En una realización particular el material se selecciona de entre Co, Ni, Fe y sus aleaciones.The ferromagnetic metal of the islands of the The present invention may in principle be any material with Ferromagnetic properties, both metals and alloys. In a particular embodiment the material is selected from Co, Ni, Fe and its alloys.
De acuerdo con la presente invención el recubrimiento (ii), presenta un espesor variable. Estas islas o dots magnéticos que crecen en los centros de nucleación del templado mantienen la periodicidad determinada por el templado, y presentan una distribución de tamaños muy homogéneos.In accordance with the present invention the coating (ii), has a variable thickness. These islands or dots Magnets that grow in the nucleation centers of the temperate maintain the periodicity determined by tempering, and present a distribution of very homogeneous sizes.
En una realización preferente los dots magnéticos son de Co y el templado presenta una superred de GdAu_{2}; la densidad de la red periódica de islas de Co se encuentra comprendida entre 36 y 38 Teradot/in^{2} dependiendo de la cantidad de Co evaporado para formar el recubrimiento; las islas de Co presentan diámetros comprendidos entre 3.8 nm y 4.0 nm, y las islas tienen espesores comprendidos entre 3.6 \ring{A} y 4.6 \ring{A} medidos mediante microscopía de efecto túnel (STM). En este sentido, en una realización particular del sistema de la invención el templado (i) presenta una superred de GdAu_{2}, tal como la que se ha definido anteriormente, y el recubrimiento (ii) consiste en islas de Co con 3.6 \ring{A} de altura y con una densidad de 38 Teradot/in^{2}, y las islas de Co presentan diámetros de 3.8 nm (ver Figura 1). En otra realización particular del sistema de la invención el templado (i) presenta una superred de GdAu_{2}, tal como la que se ha definido anteriormente, y el recubrimiento (ii) consiste en islas de Co con 4.6 \ring{A} con una densidad de 36 Teradot/in^{2}, y las islas de Co presentan diámetros 4.0 nm.In a preferred embodiment the dots Magnetic are from Co and the tempered presents a superred of GdAu 2; the density of the periodic network of Co islands is is between 36 and 38 Teradot / in2 depending on the amount of Co evaporated to form the coating; the islands of Co have diameters between 3.8 nm and 4.0 nm, and the islands have thicknesses between 3.6 \ ring {A} and 4.6 Å measured by tunnel effect microscopy (STM). In this sense, in a particular embodiment of the system of the invention the tempering (i) has a supernet of GdAu_ {2}, such as defined above, and the coating (ii) consists of islands of Co with 3.6 \ A {high} and with a density of 38 Teradot / in2, and the Co islands present 3.8 nm diameters (see Figure 1). In another particular embodiment of the system of the invention the tempering (i) has a supernet of GdAu_ {2}, such as the one defined above, and the Coating (ii) consists of Co Islands with 4.6 Å with a density of 36 Teradot / in2, and the Co islands have 4.0 nm diameters.
En una realización particular el sistema de la invención comprende además un soporte sobre el que se prepara el templado de la invención. Dicho soporte puede ser cualquier material que permita el crecimiento de una capa de Au(111) encima de él. En una realización particular dicho soporte es un sustrato de mica de espesor variable, y con un espesor de 0.15 mm de acuerdo con una realización particular.In a particular embodiment the system of the invention further comprises a support on which the tempered of the invention. Said support can be any material that allows the growth of a layer of Au (111) above he. In a particular embodiment said support is a substrate of mica of variable thickness, and with a thickness of 0.15 mm according to a particular realization
En otro aspecto la invención se relaciona con un procedimiento para la preparación del templado de la invención que comprende las siguientes etapas:In another aspect the invention relates to a process for the preparation of the tempering of the invention which It comprises the following stages:
a) reconstrucción superficial de un sustrato de Au(111);a) superficial reconstruction of a substrate of Au (111);
b) evaporación de un elemento seleccionado del grupo formado por lantano, cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio, lutecio, escandio e ytrio mediante la técnica de epitaxia de rayo molecular.b) evaporation of an element selected from group formed by lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, samarium, europium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, tulio, ytterbium, lutetium, scandium and ytrium by epitaxy technique of molecular beam.
El sustrato de Au(111) de partida se puede seleccionar entre un monocristal de Au(111) y un sustrato que comprende una capa de Au(111) evaporada sobre un soporte de mica con un espesor de 0.15 mm sobre el que se ha evaporado una capa de Au(111) con 150 nm de espesor. Ambos sustratos se pueden adquirir de forma comercial.The starting Au (111) substrate is you can select between a single crystal of Au (111) and a substrate comprising a layer of Au (111) evaporated on a mica support with a thickness of 0.15 mm over which evaporated a layer of Au (111) with 150 nm thickness. Both of them Substrates can be purchased commercially.
La reconstrucción superficial de un sustrato de Au(111) es un procedimiento bien conocido en el estado de la técnica y tiene por objeto eliminar las impurezas localizadas en la superficie del Au.The superficial reconstruction of a substrate of Au (111) is a well known procedure in the state of technique and aims to eliminate impurities located in the Au surface
La reconstrucción superficial se realiza típicamente en una campana de ultra-alto vacío, a presiones del orden de 1x10^{-10} mbar. Consiste en una serie de ciclos combinados de bombardeo de iones y recocido de la superficie. De esta manera se eliminan las primeras capas de la película de Au y con ello todo tipo de óxido o impurezas que pudiera haber en la superficie. Después de cuatro ciclos generalmente se obtiene una superficie perfectamente reconstruida y libre de impurezas, sobre la cual se lleva a cabo la evaporación de uno de los elementos arriba definidos.Surface reconstruction is performed typically in an ultra-high vacuum hood, to pressures of the order of 1x10-10 mbar. It consists of a series of Combined cycles of ion bombardment and surface annealing. In this way the first layers of Au's film are removed and with it all kinds of rust or impurities that could be in the surface. After four cycles you usually get a surface perfectly reconstructed and free of impurities, on the which evaporation of one of the elements above is carried out defined.
La etapa b) de evaporación se lleva a cabo en la misma campana de ultra-alto vacío a presiones del orden de 1x10^{-9} mbar y con una temperatura del substrato de Au(111) entorno a 500-550 K. La campana de ultra-alto vacío evita la contaminación de las superficies y la oxidación de las especies a evaporar. La velocidad de deposición del elemento seleccionado depende de las condiciones a las que se lleva a cabo la técnica de epitaxia de rayo molecular. Estas condiciones tales como voltaje aplicado al crisol que contiene el elemento seleccionado, corriente del filamento que emite electrones, distancia evaporador-sustrato pueden ser fácilmente determinadas por un experto en la materia. En función de estas condiciones se obtienen distintas velocidades de deposición y tiempos de evaporación.The evaporation stage b) is carried out in the same ultra-high vacuum hood at pressures from order of 1x10 -9 mbar and with a substrate temperature of Au (111) around 500-550 K. The bell of ultra-high vacuum prevents contamination of surfaces and the oxidation of the species to evaporate. Speed Deposition of the selected item depends on the conditions to which is carried out the molecular ray epitaxy technique. These conditions such as voltage applied to the crucible it contains the selected element, current of the filament that emits electrons, evaporator-substrate distance can be easily determined by an expert in the field. In function of these conditions obtain different deposition rates and evaporation times
En una realización particular de la invención el elemento evaporado es gadolinio.In a particular embodiment of the invention the evaporated element is gadolinium.
En otra realización particular se evaporan entre 10 y 16 \ring{A} de Gd con una velocidad de deposición de 2 \ring{A}/min y un tiempo de evaporación de 5 minutos. El templado de la invención obtenido consiste en un sustrato de Au(111) que presenta una aleación superficial de Gd y Au que cubre toda la superficie del Au(111) y forma una superred con periodicidad de 38 \pm 2 \ring{A} como se muestra en la Figura 1.In another particular embodiment they evaporate between 10 and 16 \ ring {A} of Gd with a deposition rate of 2 \ ring {A} / min and an evaporation time of 5 minutes. The temperate of the invention obtained consists of a substrate of Au (111) which features a surface alloy of Gd and Au that covers all the Au surface (111) and form a superred periodically of 38 ± 2 \ ring {A} as shown in Figure 1.
En otro aspecto la invención se relaciona con un procedimiento para la preparación del sistema de la invención que comprende:In another aspect the invention relates to a procedure for the preparation of the system of the invention which understands:
- (i)(i)
- la preparación del templado de la invención según se ha descrito arriba, ythe preparation of the tempering of the invention according to described above, and
- (ii)(ii)
- el crecimiento de un metal ferromagnético sobre dicho templado mediante la técnica de epitaxia de rayo molecular.the growth of a ferromagnetic metal over said tempered by lightning epitaxy technique molecular.
Para la preparación del sistema de la invención, una vez evaporado el elemento RE a la temperatura ya indicada el templado obtenido se deja enfriar a temperatura ambiente, y entonces se analiza "in-situ" en la misma campana el crecimiento del templado mediante STM. A continuación se lleva a cabo el crecimiento del metal ferromagnético. Esta etapa de crecimiento se realiza generalmente a temperatura ambiente, y asimismo en una campana de ultra-alto vacío en la que la presión se mantiene igualmente en valores entorno a 3x10^{-10} mbar. El crecimiento supone la deposición de un metal con recubrimientos del orden de 1 monocapa (ML) de dicho metal, donde 1 monocapa se considera como una capa completa de ese metal con un espesor que equivale a la altura de un átomo de esa especie. El resultado son islas o dots magnéticos con una distribución de tamaños muy homogéneos y posiciones bien definidas determinadas por el templado. Las condiciones a las que se lleva a cabo el crecimiento mediante la técnica de epitaxia de rayo molecular, tales como voltaje corriente del filamento, distancia evaporador-sustrato pueden ser fácilmente determinadas por un experto en la materia. En función de estas condiciones se obtienen distintas velocidades de deposición y tiempos de evaporación.For the preparation of the system of the invention, once the RE element has evaporated at the temperature already indicated, the tempering obtained is allowed to cool to room temperature, and then the growth of the tempering by STM is analyzed " in-situ " in the same hood. The ferromagnetic metal growth is then carried out. This growth stage is generally carried out at room temperature, and also in an ultra-high vacuum hood in which the pressure is also maintained at values around 3x10-10 mbar. The growth involves the deposition of a metal with coatings of the order of 1 monolayer (ML) of said metal, where 1 monolayer is considered as a complete layer of that metal with a thickness equivalent to the height of an atom of that species. The result is islands or magnetic dots with a distribution of very homogeneous sizes and well defined positions determined by tempering. The conditions at which growth is carried out by the molecular beam epitaxy technique, such as current filament voltage, evaporator-substrate distance can easily be determined by one skilled in the art. Depending on these conditions, different deposition rates and evaporation times are obtained.
En general como ya se ha mencionado arriba, la densidad de las islas de un metal y la distribución de tamaños de las mismas pueden controlarse a través de la cantidad de metal evaporado. Los tamaños resultan altamente homogéneos en el caso de que las islas tengan una altura superior a 2 \ring{A}. Las densidades de islas ferromagnéticas por área alcanzadas en la presente invención están entorno a los 40 Terabits/in^{2}, y las islas o dots magnéticos presentan una anisotropía magnética perpendicular que resulta interesante debido al enorme interés que se tiene actualmente en la grabación magnética perpendicular.In general as already mentioned above, the density of the islands of a metal and the size distribution of they can be controlled through the amount of metal evaporated. The sizes are highly homogeneous in the case of that the islands have a height greater than 2 \ ring {A}. The densities of ferromagnetic islands by area reached in the The present invention is around 40 Terabits / in2, and the islands or magnetic dots have a magnetic anisotropy perpendicular that is interesting due to the enormous interest that it is currently in perpendicular magnetic recording.
En una realización particular se crece Co, utilizando un templado de Au-Gd, y se obtienen islas con alturas medias de entre 3.6 \ring{A} y 4.6 \ring{A}, y con diámetros que varían entre 3.8 hasta 4.0 nm respectivamente dependiendo de la cantidad de Co evaporado. Su ordenamiento mantiene la periodicidad determinada por la superred, ya que crecen en las zonas topográficas más bajas del templado que actúan como centros de nucleación. Como resultado se obtiene una red hexagonal de islas o dots metálicos con propiedades ferromagnéticas y una distribución de tamaños muy homogéneos cuando las islas superan una altura de 2 \ring{A}.In a particular embodiment Co is grown, using a tempered Au-Gd, and islands are obtained with average heights between 3.6 \ ring {A} and 4.6 \ ring {A}, and with diameters that vary between 3.8 to 4.0 nm respectively depending on the amount of evaporated Co. Your order keeps the periodicity determined by the supernet, as they grow in the lower topographic zones of the temperate that act as centers of nucleation As a result, a hexagonal network of islands or metal dots with ferromagnetic properties and a distribution of very homogeneous sizes when the islands exceed a height of 2 \ ring {A}.
Los inventores han observado de forma experimental que al aumentar el diámetro de los dots de 3.8 a 4.0 nm se detecta una ligera disminución en la densidad de dots de 38 Teradot/in^{2} hacia valores de 38-36 Teradot/in^{2} dependiendo de la cantidad de Co evaporado. Ello sería debido a una posible coalescencia a nivel local que reduce la densidad.The inventors have observed in a way experimental that by increasing the diameter of the dots from 3.8 to 4.0 nm a slight decrease in the density of dots of 38 is detected Teradot / in2 towards values of 38-36 Teradot / in2 depending on the amount of evaporated Co. It it would be due to a possible local coalescence that reduces the density.
Los inventores han realizado asimismo medidas magnéticas del sistema de la invención llevadas a cabo a diversas temperaturas en un magnetómetro de muestra vibrante PPMS Quantum Design 9T, que revelan un comportamiento ferromagnético de las islas de Co con un campo coercitivo de unos 100 Oersted medido a 300 K de temperatura, cuando el campo magnético se aplica perpendicularmente a la muestra. Medidas del momento magnético hechas con el campo aplicado paralelamente a la superficie de la muestra revelan un comportamiento totalmente distinto, sin un ciclo de histéresis visible. La ausencia de ciclo de histéresis en dirección paralela al plano de la muestra y la presencia de una histéresis en dirección perpendicular indica la presencia de una anisotropía magnética en la dirección perpendicular al plano. Estos resultados se muestran en la Figura 3. En esta figura se comparan los ciclos de histéresis medidos en las dos geometrías (paralela y perpendicular). La pequeña imagen interior representa un aumento de la parte central de ambas curvas de magnetización.The inventors have also made measurements magnetic system of the invention carried out to various temperatures in a quantum PPMS vibrating sample magnetometer Design 9T, which reveal a ferromagnetic behavior of the islands of Co with a coercive field of about 100 Oersted measured at 300 K of temperature, when the magnetic field is applied perpendicularly to the sample. Magnetic moment measurements made with the field applied parallel to the surface of the sample reveal a totally different behavior, without a hysteresis cycle visible. The absence of hysteresis cycle in a direction parallel to sample plane and the presence of a hysteresis in the direction perpendicular indicates the presence of a magnetic anisotropy in the direction perpendicular to the plane. These results are shown in the Figure 3. This figure compares the hysteresis cycles measured in the two geometries (parallel and perpendicular). The little girl interior image represents an increase in the central part of both magnetization curves
Los sistemas de la invención resultan por tanto útiles para el almacenamiento informático de datos de forma magnética, empleando la red de islas del metal ferromagnético como medio de grabación magnética, y permitiendo la elaboración, por ejemplo, de un disco duro con elevadas capacidades para almacenar información con densidades que se aproximan a los 40 Teradot/in^{2}. Las altas densidades de isla de metal por área alcanzadas en la presente invención resultan interesantes, ya que supera la frontera de 1 Tera/in^{2} que tanto se persigue actualmente en los medios magnéticos de alta densidad.The systems of the invention are therefore useful for computer data storage so magnetic, using the network of ferromagnetic metal islands as magnetic recording medium, and allowing the elaboration, by example of a hard drive with high storage capacities information with densities approaching 40 Teradot / in2. High metal island densities by area achieved in the present invention are interesting, since exceeds the border of 1 Tera / in2 that is so much sought after currently in high density magnetic media.
El procedimiento para la obtención de estos sistemas presenta numerosas ventajas derivadas de la utilización de los fenómenos de auto-organización del metal evaporado, que hacen de él un procedimiento de gran flexibilidad y sencillez frente a otras técnicas existentes.The procedure for obtaining these systems has numerous advantages derived from the use of the phenomena of self-organization of metal evaporated, which make it a highly flexible procedure and simplicity compared to other existing techniques.
A continuación se presentan un ejemplo ilustrativo de la invención que se expone para una mejor comprensión de la invención y en ningún caso deben considerarse una limitación del alcance de la misma.Below is an example illustrative of the invention set forth for a better understanding of the invention and in no case should be considered a limitation of the scope of it.
Se introdujo un substrato de Au(111), que podría ser tanto un cristal de Au(111) o una capa de Au(111) de unos 150 nm de espesor sobre mica en un manipulador en una campana de vacío. Una vez situado en el manipulador se desgasificó de 10 a 12 horas, calentándolo ligeramente a temperaturas superiores a la temperatura ambiente (aproximadamente 350 K). De esta manera la posible película de agua que cubre todo el sustrato debido a la humedad ambiental que había en el exterior de la campana se evapora más fácilmente, permitiendo que se puedan obtener buenos rangos de presión durante la preparación de las muestras.A substrate of Au (111) was introduced, which it could be either an Au crystal (111) or a layer of Au (111) about 150 nm thick over mica in a Handler in a vacuum bell. Once located in the manipulator degassed from 10 to 12 hours, heating it slightly at temperatures above room temperature (approximately 350 K). In this way the possible water film which covers the entire substrate due to the ambient humidity that was outside the hood evaporates more easily, allowing that good pressure ranges can be obtained during Sample preparation
A continuación se llevaron a cabo 4 ciclos de bombardeo de iones con un cañón de iones instalado en la campana de vacío. El bombardeo se hizo con iones de Ar^{+} con presiones de 3x10^{-6} mbar. El voltaje de aceleración de los iones fue de 1000 V, y las corrientes medidas en las muestras de 4.0 \muA. Cada ciclo de bombardeo tuvo una duración de unos 10 minutos y se alternaron con procesos de recocido del substrato con una duración cada uno de 15 minutos, alcanzándose temperaturas de aproximadamente 600 K con presiones de 1x10^{-9} mbar. La finalidad de cada recocido fue la de cristalizar y reconstruir la superficie de Au(111).Then 4 cycles of ion bombardment with an ion cannon installed in the hood of empty. The bombardment was done with Ar + ions with pressures of 3x10-6 mbar. The ion acceleration voltage was 1000 V, and the currents measured in the samples of 4.0. Every bombing cycle lasted about 10 minutes and it alternated with substrate annealing processes with a duration each of 15 minutes, reaching temperatures of approximately 600 K with pressures of 1x10 -9 mbar. The purpose of each annealing was to crystallize and rebuild the surface of Au (111).
Una vez obtenida una superficie de Au limpia se evaporó Gd por medio de epitaxia de haz molecular aplicando un voltaje de +1000 V al crisol que contiene el Gd y una corriente de 1 A al filamento de W (\diameter: 0.15 mm), lo cual produjo una emisión de electrones del filamento de 30 mA. Con estas condiciones y considerando la distancia evaporador-sustrato de 10 cm, se obtuvo una velocidad de deposición de 2 \ring{A}/min. El tiempo de evaporación fue de 5 minutos, y lo que se formó finalmente fueron entre 1 y 2 monocapas de aleación de GdAu_{2} sobre el sustrato de Au, tal y como se ha detectado in-situ mediante análisis de microscopia de efecto túnel en un VT-STM Omicron y difracción de electrones de baja energía en un Specta LEED Omicron. Durante la evaporación de Gd el sustrato es calentado a unos 500-550 K para favorecer la reacción del Gd con el Au y la formación de la superred de GdAu_{2} que será el templado. A continuación se dejó enfriar la muestra hasta temperatura ambiente (300 K).Once a clean Au surface was obtained, Gd was evaporated by means of molecular beam epitaxy applying a voltage of +1000 V to the crucible containing the Gd and a current of 1 A to the filament of W (\: 0.15 mm), which produced an electron emission of the 30 mA filament. Under these conditions and considering the evaporator-substrate distance of 10 cm, a deposition rate of 2 Å / min was obtained. The evaporation time was 5 minutes, and what finally formed were between 1 and 2 GdAu2 alloy monolayers on the Au substrate, as detected in situ by tunnel effect microscopy analysis. in an Omicron VT-STM and low energy electron diffraction in a Spemic LEED Omicron. During the evaporation of Gd the substrate is heated to about 500-550 K to favor the reaction of the Gd with the Au and the formation of the GdAu 2 supernet which will be the temperate. The sample was then allowed to cool to room temperature (300 K).
En este punto se comenzó con la deposición de Co, manteniendo siempre el sustrato a temperatura ambiente. Para la evaporación de Co se empleó igualmente un evaporador de epitaxia de haz molecular, aplicándose un voltaje de 970 V y una corriente de filamento de 1,95 A, lo cual generó una emisión de 9,6 mA. La distancia evaporador-sustrato fue igualmente de 10 cm y en estas condiciones la velocidad de deposición se pudo estimar como de 0.4 \ring{A}/min. Los tiempos de deposición óptimos se encontraron alrededor de 9 minutos, obteniéndose tamaños de isla de 3.8 nm de diámetro y densidades de área de 36 Terabit/in^{2}.At this point the deposition of Co, always keeping the substrate at room temperature. For the evaporation of Co also used an epitaxy evaporator of molecular beam, applying a voltage of 970 V and a current of 1.95 A filament, which generated an emission of 9.6 mA. The evaporator-substrate distance was also 10 cm and in these conditions the deposition rate could be estimated as 0.4 \ ring {A} / min. The optimal deposition times are they found about 9 minutes, obtaining island sizes of 3.8 nm in diameter and area densities of 36 Terabit / in2.
Claims (15)
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\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
- (i)(i)
- la preparación de un templado según una cualquiera de las reivindicaciones 11 a 14, ythe preparation of a temper according to any one of claims 11 to 14, and
- (ii)(ii)
- el crecimiento de un recubrimiento que consiste en una red periódica de islas de un metal ferromagnético sobre dicho templado mediante la técnica de epitaxia de rayo molecular.the growth of a coating consisting of a periodic network of islands of a ferromagnetic metal on said tempered by lightning epitaxy technique molecular.
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