WO2007012672A1 - Method of producing a layer-substrate composite and layer-substrate composite - Google Patents

Method of producing a layer-substrate composite and layer-substrate composite Download PDF

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WO2007012672A1
WO2007012672A1 PCT/EP2006/064808 EP2006064808W WO2007012672A1 WO 2007012672 A1 WO2007012672 A1 WO 2007012672A1 EP 2006064808 W EP2006064808 W EP 2006064808W WO 2007012672 A1 WO2007012672 A1 WO 2007012672A1
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Sebastian Fähler
Karin Leistner
Volker Neu
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Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
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Definitions

  • the invention relates to the field of physics and magnetic materials and relates to a method for producing a layer-substrate composite, as used for example for high-performance magnets in magnetic, microstructured components, such as electromagnetic motors, actuators or sensors, and the magnetic data storage can.
  • the magnetic materials are texturized.
  • the magnetically easy axis which is parallel to the crystallographic c-axis for these high-performance magnets, is aligned along the direction of application.
  • Such texturing allows a doubling of the remanence and thus a quadrupling of the energy product BH max compared to isotropic, not exchange-coupled permanent magnet. With textured permanent magnets therefore much smaller, and thus more efficient electromagnetic motors and actuators can be built.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Texturing is also beneficial for magnetic data storage.
  • the storage density can be further increased within the scope of the perpendicular recording (M. Plumer et al. (Edn.), The Physics of Ultra-High-Density Magnetic Recording, Springer Series in Surface Sciences Vol , Springer-Verlag Berlin (2001)).
  • IBAD Ion Beam Assisted Deposition
  • the methods I-IV have some disadvantages.
  • a suitable, often expensive substrate must be used or additional, complex equipment is required (eg in IBAD).
  • IBAD complex equipment
  • a textured grain generally grows continuously from the substrate to the surface.
  • the grains become so large that it becomes difficult to achieve a high coercive field.
  • a structurally unfavorable, high roughness can arise (U. Hannemann, et al., IEEE Trans. Mag. 38 (5) (2002) 2805).
  • the object of the present invention is to specify a cost-effective method for producing a layer-substrate composite whose texturing is largely independent of the substrate.
  • At least one layer to be textured which is at least the Contains components for forming a layer with hard magnetic properties, applied to a substrate and during the layer application or after the compressive or tensile stresses are introduced into the layer.
  • two layers to be textured or a multiple layer of two repeating layers to be textured are applied.
  • a stress is generated in the layers to be textured during film formation.
  • the substrate is mechanically clamped during the layer application and relaxed before a heat treatment.
  • the substrate is subjected to tensile stress or bending stress during the heat treatment.
  • the phases located in the layers to be textured are deposited in the amorphous state.
  • the phases in the layers to be textured are deposited in a cubic crystal symmetry. It is furthermore advantageous if the layer production is carried out by means of sputter deposition, thermal evaporation, pulsed laser deposition, electrochemical deposition or sol-gel processes.
  • the layer preparation is carried out in an atmosphere which contains or consists of H and / or O and / or N and / or noble gases, the layer preparation is carried out in the presence of solvents and / or materials with high vapor pressure or the layer preparation in the presence of water, organic solvents, halogens and / or Mn, Sm, Ga, In, B is performed.
  • a heat treatment is carried out in the range of 250 to 900 ° C. depending on the hard magnetic phases used in each case, the heat treatment is carried out under a reducing, hydrogen-containing atmosphere, or the heat treatment for the conversion of a component in the textile to be textured Layer with high crystal symmetry in a component with magnetically highly anisotropic properties and tetragonal or hexagonal crystal symmetry is performed.
  • the tension in the layer to be textured is set by the extraction of at least one component.
  • a layer to be textured which contains at least the components for forming a layer with hard magnetic properties and not yet in the tetragonal L1 0 Equilibrium state (c / a ⁇ 1), applied to a substrate and placed in a stress state of compressive or tensile stresses during or after the coating application, followed by heat treatment or ion irradiation to convert the components of the hard magnetic phase forming layer into the tetragonal ones L1 0 equilibrium state (c / a ⁇
  • a heat treatment is advantageously carried out and subsequently two further layers to be textured are applied to the already heat-treated layers and subsequently a heat treatment is carried out and this sequence is repeated one or more times.
  • tensile stresses are generated in all applied layers to be textured and compressive stress in the substrate.
  • the layer-substrate composite according to the invention consists of a substrate and at least one layer to be textured which contains at least the components for forming a layer having hard-magnetic properties, wherein the layer has a stress state of compressive or tensile stresses.
  • one layer of the multilayer contains components for forming a magnetically highly anisotropic phase and the other layer contains components for forming a ferromagnetic material with a high remanence.
  • the layer to be textured FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co and / or Sm-Co as components for forming a layer with contains hard magnetic properties or when in the layer to be textured as components for forming a ferromagnetic material with a high remanence Fe-Co, Fe, F ⁇ 3 Pt and / or Fe-B are included, wherein still advantageously one of the layers to be textured, the Contains components for the formation of hard magnetic phases, has a higher crystal symmetry, as the magnetically highly anisotropic phase.
  • the texturing according to the invention is based on the combination of two steps, which can be realized by different procedures.
  • the layer material from which the hard magnetic phase is to be formed is prepared in an intermediate state (metastable state) as a layer in which the atomic order (crystal symmetry in crystalline phases) still deviates from the desired hard magnetic phase in the final state.
  • the conversion of this layer from the metastable state into a layer having the desired hard magnetic phase under the action of a heat treatment and at the same time acting voltages is performed.
  • the stresses can either be applied externally, or arise through the corresponding application of the layers and / or by the heat treatment in the system itself (internally).
  • a texture sets in the hard magnetic layer.
  • the described method shows how the voltages can be introduced independently of the selected substrate. If it is assumed that the amorphous state, even higher levels of textural can be achieved.
  • the associated volume reduction leads on the one hand to a significant decrease in the layer thickness and on the other hand to high tensile stresses, since the applied layer (1-50 microns) is generally much thinner than the substrate (0.5 -2 mm) and is therefore fixed on this .
  • the simultaneous conversion of the metastable amorphous into the tetragonal LI 0 equilibrium phase (c / a ⁇ 1) during the heat treatment offers the possibility of texturing in the context of the solution according to the invention. Due to the intrinsic tensile stresses, the longer a, b axes align preferentially in the film plane and consequently the shorter, magnetically gentle c axis perpendicular to the substrate surface. The entire magnetic moment is then available in this application direction.
  • a decisive advantage of this solution according to the invention is that the texturing is largely independent of the substrate, so that substrates with more favorable mechanical properties and lower costs can be selected. Since the texturing is not distributed over the substrate but evenly over the layer and thus produced locally, it is also possible to produce textured, exchange-coupled layer packages (multilayers). In applying the layers by electrodeposition, the change in the applied voltage allows the composition to be adjusted so that layer packages of FePt and Fe (or alternatively, F ⁇ 3 Pt) can be made.
  • the heat treatment results in a textured, exchange-coupled layer package, in which the high coercive field of the FePt layer ordered by L1 0 and the high remanence of the Fe (or alternatively F ⁇ 3 Pt) layer results in a significantly higher energy product than in a single layer.
  • the presented solution principle according to the invention can be transferred to a multiplicity of systems.
  • extrinsic stresses can also be generated by placing the layers under external stress during the heat treatment. This can be done in different ways and is advantageously carried out on metallic or polymeric or elastomeric substrates.
  • the substrates are mechanically stressed during the heat treatment.
  • the substrate can also be bent (eg on a 4-point overlay). After coating and relaxation of the substrate, tensile stress acts on one substrate side (the inside of the bend) and compressive stresses on the other substrate side (the outside of the bend) on the layer. With this structure, so both tensile stresses and compressive stresses can be realized - depending on the choice of the substrate side during the coating.
  • a further alternative possibility of generating stresses in the layers is achieved by ion implantation of noble gases, whereby compressive stresses arise due to the additional ions in the layer. If this compressive stress exceeds the yield strength, plastic deformation occurs. In a subsequent heat treatment, the mobility of the implanted ions increases and insoluble noble gas ions can diffuse out of the layer. As a result, the pressure changes to tensile stresses and the shorter axis is perpendicular to the substrate. Unordered layers of FePt, FePd or CoPt can also be irradiated with light ions (eg He + ) in the solution according to the invention, whereby an order adjustment without heat treatment at higher temperatures is achieved.
  • light ions eg He +
  • a texture can be achieved in which the shorter axis lies in the layer plane.
  • the grain growth which is undesirable in magnetic data storage in particular, can be avoided, which can occur at higher heat treatment temperatures.
  • An amorphous layer of FePt with a layer thickness of 700 nm is applied to a substrate of Si with W-Ti buffer with the dimensions 10 ⁇ 20 mm. Subsequently, a heat treatment at 600 0 C is carried out in a hydrogen atmosphere. Reducing the Fe hydroxides reduces the volume by 15%, resulting in tensile stresses in the 2 gigapascal layer.
  • a layer-substrate composite is present, with the light axis layer textured perpendicular to the substrate plane.
  • a pretreatment of the substrate to achieve or improve the texturing of the layer is not required.
  • a layer of CoPt with a layer thickness of 5 ⁇ m is applied by means of a sol-gel process to a 0.5 mm thick, glass substrate with dimensions of 100 ⁇ 50 mm, polished on both sides.
  • the layer on the substrate is now externally subjected to a tensile stress by the middle area of 50 mm supported by two bars and the short sides are pulled down. The elongation of the substrate surface is thus adjusted to 2%.
  • the substrate with the layer is subjected to a heat treatment at 600 ° C. for 60 minutes.
  • a layer-substrate composite is present, the layer being largely textured.
  • a pretreatment of the substrate to achieve or improve the texturing of the layer is not required.
  • Ar ions are introduced into this multilayer layer by means of ion implantation, which place the layer under compressive stresses, whereupon plastic deformation takes place. Subsequently, a heat treatment at 650 0 C for 5 minutes, whereby the implanted Ar ions diffuse out of the multilayer layer out again and thus put the layer under tension. After the heat treatment, a layer-substrate composite is present, wherein the layer is textured and the original layer architecture remains largely intact. A pretreatment of the substrate to achieve or improve the texturing of the layer is not required.

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Abstract

The invention concerns the field of physics and relates to a method of producing a layer-substrate composite, such as can be used for example for high-power magnets in magnetic, microstructured components. The object of the present invention is to provide a low-cost method and a layer-substrate composite of a texturing that is largely independent of the substrate. The object is achieved by a method in which a layer to be textured, which contains components for forming a layer with hard-magnetic properties, is applied to a substrate and compressive or tensile stresses are introduced into the layer during the application of the layer or thereafter. The object is further achieved by a layer-substrate composite comprising a substrate and at least one layer to be textured, which contains components for forming a layer with hard-magnetic properties, the layer having a state of stress comprising compressive or tensile stresses.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes und Schicht-Substrat- VerbundProcess for producing a layer-substrate composite and layer-substrate composite
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Physik und der Magnetwerkstoffe und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes, wie er beispielsweise für Hochleistungsmagnete in magnetischen, mikrostrukturierten Bauelementen, wie elektromagnetische Motoren, Aktuatoren oder Sensoren, und der magnetischen Datenspeicherung eingesetzt werden kann.The invention relates to the field of physics and magnetic materials and relates to a method for producing a layer-substrate composite, as used for example for high-performance magnets in magnetic, microstructured components, such as electromagnetic motors, actuators or sensors, and the magnetic data storage can.
Um die exzellenten hartmagnetischen Eigenschaften moderner Hochleistungsmagnete (basierend auf Nd-Fe-B, Sm-Co, Fe-Pt, Fe-Pd, Co-Pt) effizienter ausnutzen zu können, wird eine Texturierung der Magnetwerkstoffe durchgeführt. Bei einer derartigen Texturierung wird die magnetisch leichte Achse, die für diese Hochleistungsmagnete parallel zur kristallografischen c-Achse liegt, entlang der Anwendungsrichtung ausgerichtet. Eine solche Texturierung erlaubt eine Verdopplung der Remanenz und damit eine Vervierfachung des Energieproduktes BHmax gegenüber isotropen, nicht austauschgekoppelten Permanentmagneten. Mit texturierten Permanentmagneten können deshalb deutlich kleinere, und damit effizientere elektromagnetische Motoren und Aktuatoren gebaut werden. In order to make more efficient use of the excellent hard magnetic properties of modern high-performance magnets (based on Nd-Fe-B, Sm-Co, Fe-Pt, Fe-Pd, Co-Pt), the magnetic materials are texturized. In such texturing, the magnetically easy axis, which is parallel to the crystallographic c-axis for these high-performance magnets, is aligned along the direction of application. Such texturing allows a doubling of the remanence and thus a quadrupling of the energy product BH max compared to isotropic, not exchange-coupled permanent magnet. With textured permanent magnets therefore much smaller, and thus more efficient electromagnetic motors and actuators can be built.
Die Texturierung ist insbesondere für magnetic Microelectromechanical Systems (mag-MEMS) von Bedeutung, welche nicht aus Massivmaterial sondern aus Schichten aufgebaut werden (S.Fähler, u.a. 18th Int. Workshop on high Performances magnets and their applications 2(2004)566).The texturing is particularly important for magnetic Micro Electro Mechanical Systems (MEMS like) is important, which are not built from solid material but from layers (S.Fähler, th inter alia 18 Int. Workshop on high performance magnets and their applications 2 (2004) 566).
Auch für die magnetische Datenspeicherung ist eine Texturierung günstig. Durch eine Texturierung der c-Achse senkrecht zum Substrat kann im Rahmen des perpendicular recording die Speicherdichte weiter erhöht werden (M. Plumer u.a. (Edn.), The Physics of Ultra-High-Density Magnetic Recording, Springer Series in Surface Sciences Vol. 41 , Springer-Verlag Berlin (2001 )).Texturing is also beneficial for magnetic data storage. By texturing the c-axis perpendicular to the substrate, the storage density can be further increased within the scope of the perpendicular recording (M. Plumer et al. (Edn.), The Physics of Ultra-High-Density Magnetic Recording, Springer Series in Surface Sciences Vol , Springer-Verlag Berlin (2001)).
Bisher konnte eine Texturierung an Schichten durchSo far, texturing could be done on layers
I) eine Wachstumstextur,I) a growth texture,
II) Epitaxie,II) epitaxy,
IM) Rekristallisation oderIM) recrystallization or
IV) lonenstrahlunterstützte Deposition (IBAD) (US 2004 0248743) erreicht werden.IV) Ion Beam Assisted Deposition (IBAD) (US 2004 0248743).
In diesen Fällen wird die Texturierung häufig über einen Buffer erreicht (US 2004In these cases, texturing is often achieved via a buffer (US 2004
0058196).0058196).
Die Verfahren I-IV sind mit einigen Nachteilen verbunden.The methods I-IV have some disadvantages.
So muss ein passendes, häufig teures Substrat verwendet werden oder es sind zusätzliche, aufwändige Geräte nötig (z. B. bei IBAD). Wird die Textur durch das Substrat oder den Buffer vermittelt, wächst ein texturiertes Korn im Allgemeinen durchgehend vom Substrat bis zur Oberfläche. Gerade für dicke Schichten, wie sie für mag-MEMS benötigt werden, werden die Körner jedoch so groß, dass es schwierig wird, ein hohes Koerzitivfeld zu erzielen. Außerdem kann eine für die Strukturierung ungünstige, hohe Rauhigkeit entstehen (U. Hannemann, u.a., IEEE Trans. Mag. 38(5) (2002) 2805).Thus, a suitable, often expensive substrate must be used or additional, complex equipment is required (eg in IBAD). When the texture is communicated through the substrate or buffer, a textured grain generally grows continuously from the substrate to the surface. However, especially for thick layers, as required for mag-MEMS, the grains become so large that it becomes difficult to achieve a high coercive field. In addition, a structurally unfavorable, high roughness can arise (U. Hannemann, et al., IEEE Trans. Mag. 38 (5) (2002) 2805).
Durch eine Kombination von Texturierung und Austauschkopplung (E.F. Kneller, u.a., IEEE Trans. Mag. 27 (1991 )3588) in hochanisotropen/hochremanenten Schichtpaketen ist eine deutliche Erhöhung des Energieproduktes über die bisher erzielten Werte möglich (R. Skomski, J. Appl. Phys. 76(10) (1994) 7059). Mit den Texturierungsverfahren I-IV können allerdings nur dünne, zweilagige Schichtaufbauten realisiert werden, da bei Mehrschichtsystemen die Textur der harten Schicht verloren geht.By a combination of texturing and exchange coupling (EF Kneller, et al., IEEE Trans. Mag. 27 (1991) 3588) in highly anisotropic / highly remanent layer packages, a significant increase of the energy product over the previously achieved values is possible (R. Skomski, J. Appl. Phys., 76 (10) (1994) 7059). With the texturing methods I-IV, however, only thin, two-ply Layer structures can be realized because the texture of the hard layer is lost in multi-layer systems.
Lediglich von E.E. Fullerton, u.a. J. Mag. Mag. Mat. 200 (1999) 392 sind bislang texturierte, austauschgekoppelte Vielfachschichten ausschließlich für das System Sm2Co7/Co erreicht worden. Diese Materialkombination ist aber bezüglich des erreichbaren Energieprodukts für eine praktische Anwendung uninteressant.Only EE Fullerton, et al J. Mag. Mat. 200 (1999) 392 previously textured, exchange-coupled multilayers have been achieved exclusively for the system Sm 2 Co 7 / Co. However, this material combination is uninteresting with respect to the achievable energy product for a practical application.
Weiterhin ist nach dem Stand der Technik bekannt, dass bei massiven FePd-Proben durch das Anlegen eines äußeren Druckes eine fast vollständige Texturierung der magnetisch hochanisotropen, geordneten LI 0 Phase erreicht werden kann (K. Tanaka, u.a., J. Mag. Mag. Mat. 200 (1999)392). Dem äußeren Zwang weicht das System aus, indem sich die kürzere, magnetisch leichte Achse in Richtung des äußeren Druckes ausrichtet. Durch die Texturierung wird die Gesamtenergie des Systems reduziert, ein Effekt der sowohl in der Keimbildungsphase als auch während der Wachstumsphase der LI0 Phase wirksam ist.Furthermore, it is known from the prior art that in massive FePd samples by applying an external pressure almost complete texturing of the magnetically highly anisotropic, ordered LI 0 phase can be achieved (K. Tanaka, et al., J. Mag. Mag. Mat 200 (1999) 392). The system avoids the external constraint by aligning the shorter, magnetically light axis in the direction of the external pressure. Texturing reduces the overall energy of the system, an effect that is effective in both the nucleation phase and the growth phase of the LI 0 phase.
Auch durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Schicht und Substrat sowie durch das Schichtwachstum können Spannungen aufgebracht werden (P. Rasmussen et al. Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 191915). Diese Spannungen sind jedoch begrenzt, so dass mit dieser Methode nur sehr geringe Texturgrade erreicht werden (Orientierungskoeffizenten K* = 0.829). Außerdem wird die Auswahl des Substrates durch die Wahl eines geeigneten Ausdehnungskoeffizient eingeschränkt und kann nicht nach ökonomischen Gesichtspunkten erfolgen. Die von Rasmussen beschriebene Lösung geht zudem von dem metastabilen fcc-Ausgangszustand aus. In polykristallinen Schichten wirkt hier auf Körner, deren Elementarzelle schräg zur Spannung liegt, keine einfache tetragonale Verzerrung. Damit ist keine ausreichende Texturierung erreichbar.Voltages can also be applied by different coefficients of thermal expansion of the layer and substrate and by the layer growth (P. Rasmussen et al., Appl. Phys. Lett., 86 (2005) 191915). However, these stresses are limited so that only very low levels of textures are achieved with this method (orientation coefficients K * = 0.829). In addition, the choice of the substrate is limited by the choice of a suitable coefficient of expansion and can not be done from an economic point of view. The solution described by Rasmussen also assumes the metastable fcc starting state. In polycrystalline layers, grains whose elementary cell is oblique to the strain do not have a simple tetragonal distortion. Thus, sufficient texturing is not achievable.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines kostengünstigen Verfahrens zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes, dessen Texturierung weitgehend unabhängig vom Substrat ist.The object of the present invention is to specify a cost-effective method for producing a layer-substrate composite whose texturing is largely independent of the substrate.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat- Verbundes wird mindestens eine zu texturierende Schicht, die mindestens die Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält, auf ein Substrat aufgebracht und während der Schichtaufbringung oder danach werden in die Schicht Druck- oder Zugspannungen eingebracht.In the method according to the invention for the production of a layer-substrate composite, at least one layer to be textured, which is at least the Contains components for forming a layer with hard magnetic properties, applied to a substrate and during the layer application or after the compressive or tensile stresses are introduced into the layer.
Vorteilhafterweise werden zwei zu texturierende Schichten oder eine Vielfachschicht aus zwei sich wiederholenden zu texturierenden Schichten aufgebracht.Advantageously, two layers to be textured or a multiple layer of two repeating layers to be textured are applied.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird in den zu texturierenden Schichten während der Schichtherstellung eine Spannung erzeugt.Also advantageously, a stress is generated in the layers to be textured during film formation.
Weiterhin vorteilhafterweise wird das Substrat während der Schichtaufbringung mechanisch verspannt und vor einer Wärmebehandlung entspannt.Further advantageously, the substrate is mechanically clamped during the layer application and relaxed before a heat treatment.
Von Vorteil ist auch, wenn während der Wärmebehandlung mechanische Spannungen in dem Schichtmaterial erzeugt werden.It is also advantageous if mechanical stresses are generated in the layer material during the heat treatment.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn das Substrat während der Wärmebehandlung unter Zugspannung oder Biegespannung gesetzt wird.It is also advantageous if the substrate is subjected to tensile stress or bending stress during the heat treatment.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn ein metallisches oder polymeres Substrat eingesetzt wird.It is furthermore advantageous if a metallic or polymeric substrate is used.
Es ist auch von Vorteil, wenn mechanischen Spannungen extrinsisch oder intrinsisch erzeugt werden.It is also advantageous if mechanical stresses are generated extrinsically or intrinsically.
Vorteilhaft ist auch, wenn ein teilweiser Spannungsabbau in den Schichten und/oder dem Substrat durch eine Wärmebehandlung oder eine lonenbestrahlung realisiert wird.It is also advantageous if a partial stress relief in the layers and / or the substrate is realized by a heat treatment or an ion irradiation.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die in den zu texturierenden Schichten befindlichen Phasen im amorphen Zustand abgeschieden werden.And it is also advantageous if the phases located in the layers to be textured are deposited in the amorphous state.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die in den zu texturierenden Schichten befindlichen Phasen in einer kubischen Kristallsymmetrie abgeschieden werden. Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Schichtherstellung mittels Sputterdeposition, thermischem Verdampfen, gepulster Laserdeposition, elektrochemischer Deposition oder sol-gel Verfahren durchgeführt wird.It is also advantageous if the phases in the layers to be textured are deposited in a cubic crystal symmetry. It is furthermore advantageous if the layer production is carried out by means of sputter deposition, thermal evaporation, pulsed laser deposition, electrochemical deposition or sol-gel processes.
Und ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn die Schichtherstellung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die H und/oder O und/oder N und/oder Edelgase enthält oder daraus besteht, die Schichtherstellung in Gegenwart von Lösungsmitteln und/oder von Materialien mit hohem Dampfdruck durchgeführt wird oder die Schichtherstellung in Gegenwart von Wasser, organischen Lösungsmitteln, Halogenen und/oder Mn, Sm, Ga, In, B durchgeführt wird.And it is also advantageous if the layer preparation is carried out in an atmosphere which contains or consists of H and / or O and / or N and / or noble gases, the layer preparation is carried out in the presence of solvents and / or materials with high vapor pressure or the layer preparation in the presence of water, organic solvents, halogens and / or Mn, Sm, Ga, In, B is performed.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die lonenbestrahlung mit leichten Ionen durchgeführt wird.It is furthermore advantageous if the ion irradiation is carried out with light ions.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn während oder nach der Schichtherstellung eine lonenbestrahlung mit He+ durchgeführt wird.It is likewise advantageous if ion irradiation with He + is carried out during or after the layer production.
Auch von Vorteil ist es, wenn eine Wärmebehandlung in Abhängigkeit von den jeweils eingesetzten hartmagnetischen Phasen im Bereich von 250 bis 9000C durchgeführt wird, die Wärmebehandlung unter einer reduzierenden, wasserstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird, oder die Wärmebehandlung zur Umwandlung einer Komponente in der zu texturierenden Schicht mit hoher Kristallsymmetrie in eine Komponente mit magnetisch hochanisotropen Eigenschaften und tetragonaler oder hexagonaler Kristallsymmetrie durchgeführt wird.It is also advantageous if a heat treatment is carried out in the range of 250 to 900 ° C. depending on the hard magnetic phases used in each case, the heat treatment is carried out under a reducing, hydrogen-containing atmosphere, or the heat treatment for the conversion of a component in the textile to be textured Layer with high crystal symmetry in a component with magnetically highly anisotropic properties and tetragonal or hexagonal crystal symmetry is performed.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Spannung in der zu texturierenden Schicht durch die Extraktion mindestens einer Komponente eingestellt wird.It is also advantageous if the tension in the layer to be textured is set by the extraction of at least one component.
Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Schicht- Substrat-Verbundes mit hartmagnetischen Eigenschaften wird eine zu texturierende Schicht, die mindestens die Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält und die sich noch nicht im tetragonalen L10 Gleichgewichtszustand (c/a < 1 ) befindet, auf ein Substrat aufgebracht und während der Schichtaufbringung oder danach in einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen versetzt, und nachfolgend eine Wärmebehandlung oder lonenbestrahlung zur Umwandlung der Komponenten der Schicht zur Ausbildung einer hartmagnetischen Phase in den tetragonalen L10 Gleichgewichtszustand (c/a <In a further inventive method for producing a layer-substrate composite having hard magnetic properties is a layer to be textured, which contains at least the components for forming a layer with hard magnetic properties and not yet in the tetragonal L1 0 Equilibrium state (c / a <1), applied to a substrate and placed in a stress state of compressive or tensile stresses during or after the coating application, followed by heat treatment or ion irradiation to convert the components of the hard magnetic phase forming layer into the tetragonal ones L1 0 equilibrium state (c / a <
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1 ) durchgeführt.1).
Vorteilhafterweise wird nach dem Aufbringen von zwei zu texturierenden Schichten eine Wärmebehandlung durchgeführt und nachfolgend zwei weitere zu texturierende Schichten auf die bereits wärmebehandelten Schichten aufgebracht und nachfolgend wiederum eine Wärmebehandlung durchgeführt und dieser Ablauf ein oder mehrmals wiederholt.After the application of two layers to be textured, a heat treatment is advantageously carried out and subsequently two further layers to be textured are applied to the already heat-treated layers and subsequently a heat treatment is carried out and this sequence is repeated one or more times.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird in allen aufgebrachten zu texturierenden Schichten Zugspannungen und im Substrat Druckspannung erzeugt.Also advantageously, tensile stresses are generated in all applied layers to be textured and compressive stress in the substrate.
Der erfindungsgemäße Schicht-Substrat-Verbund besteht aus einem Substrat und mindestens einer zu texturierenden Schicht, die mindestens die Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält, wobei die Schicht einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen aufweist.The layer-substrate composite according to the invention consists of a substrate and at least one layer to be textured which contains at least the components for forming a layer having hard-magnetic properties, wherein the layer has a stress state of compressive or tensile stresses.
Vorteilhaft ist es, wenn zwei zu texturierende Schichten auf dem Substrat vorhanden sind.It is advantageous if two layers to be textured are present on the substrate.
Auch vorteilhaft ist es, wenn eine zu texturierende Vielfachschicht aus mindestens zwei sich wiederholenden Schichten vorhanden ist.It is also advantageous if a multi-layer to be textured of at least two repeating layers is present.
Und auch von Vorteil ist es, wenn eine Schicht der Vielfachschicht Komponenten zur Ausbildung einer magnetisch hochanisotropen Phase und die andere Schicht Komponenten zur Ausbildung eines ferromagnetischen Materials mit einer hohen Remanenz enthält.It is also advantageous if one layer of the multilayer contains components for forming a magnetically highly anisotropic phase and the other layer contains components for forming a ferromagnetic material with a high remanence.
Von Vorteil ist es auch, wenn die zu texturierende Schicht FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe- B, Pr-Co und/oder Sm-Co als Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält oder wenn in der zu texturierenden Schicht als Komponenten zur Ausbildung eines ferromagnetischen Materials mit einer hohen Remanenz Fe-Co, Fe, Fβ3Pt und/oder Fe-B enthalten sind, wobei noch vorteilhafterweise eine der zu texturierenden Schichten, die die Komponenten für die Ausbildung der hartmagnetischen Phasen enthält, eine höhere Kristallsymmetrie aufweist, als die magnetisch hochanisotrope Phase.It is also advantageous if the layer to be textured FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co and / or Sm-Co as components for forming a layer with contains hard magnetic properties or when in the layer to be textured as components for forming a ferromagnetic material with a high remanence Fe-Co, Fe, Fβ 3 Pt and / or Fe-B are included, wherein still advantageously one of the layers to be textured, the Contains components for the formation of hard magnetic phases, has a higher crystal symmetry, as the magnetically highly anisotropic phase.
Die erfindungsgemäße Texturierung basiert auf der Kombination von zwei Schritten, die über verschiedene Verfahrensweisen realisiert werden können. Zuerst wird das Schichtmaterial, aus dem die hartmagnetischen Phase entstehen soll, in einem Zwischenzustand (metastabilen Zustand) als Schicht präpariert, bei dem die atomare Ordnung (bei kristallinen Phasen die Kristallsymmetrie) noch von der gewünschten hartmagnetischen Phase im Endzustand abweicht. Nachfolgend wird die Umwandlung dieser Schicht vom metastabilen Zustand in eine Schicht mit der gewünschten hartmagnetischen Phase unter Einwirkung einer Wärmebehandlung und bei gleichzeitig wirkenden Spannungen durchgeführt. Die Spannungen können entweder extern aufgebracht werden, oder durch das entsprechende Aufbringen der Schichten und/oder durch die Wärmebehandlung im System selbst entstehen (intern). Als Folge dieser zwei Schritte stellt sich eine Textur in der hartmagnetischen Schicht ein. Das beschriebene Verfahren zeigt, wie die Spannungen unabhängig vom gewählten Substrat eingebracht werden können. Wenn dabei vom amorphen Zustand ausgegangen wird, können zusätzlich noch höhere Texturgrade erreicht werden.The texturing according to the invention is based on the combination of two steps, which can be realized by different procedures. First, the layer material from which the hard magnetic phase is to be formed is prepared in an intermediate state (metastable state) as a layer in which the atomic order (crystal symmetry in crystalline phases) still deviates from the desired hard magnetic phase in the final state. Subsequently, the conversion of this layer from the metastable state into a layer having the desired hard magnetic phase under the action of a heat treatment and at the same time acting voltages is performed. The stresses can either be applied externally, or arise through the corresponding application of the layers and / or by the heat treatment in the system itself (internally). As a result of these two steps, a texture sets in the hard magnetic layer. The described method shows how the voltages can be introduced independently of the selected substrate. If it is assumed that the amorphous state, even higher levels of textural can be achieved.
Diese prinzipielle Verfahrensweise wird im Folgenden exemplarisch an elektrodeponierten FePt Schichten dargestellt, kann aber auf weitere Materialsysteme und Realisierungsweisen vom Fachmann ohne Weiteres erweitert werden.This basic procedure is illustrated below by way of example on electrodeposited FePt layers, but can easily be extended to other material systems and ways of implementation by a person skilled in the art.
Bei der Elektrodeposition von FePt aus wässrigen Lösungen werden nennenswerte Anteile an Sauerstoff in Form von Fe-O-H Phasen (bis zu 30 at.% O) in die Schicht eingebracht. Nach der Herstellung sind die Schichten amorph (d. h. keine Richtung ist ausgezeichnet). Bei der nachträglichen Wärmebehandlung (Auslagerung), die zur Bildung der hochanisotropen LI0 Phase (mit einer ausgezeichneten Symmetrieachse) notwendig ist, kann durch die Verwendung einer reduzierenden, wasserstoffhaltigen Atmosphäre der Sauerstoffgehalt auf unter 10 at.% gesenkt werden (K. Leistner u. a. J. Mag. Mag. Mat. 280-291 (2005) 1270). Die damit verbundene Volumenreduktion führt einerseits zu einer deutlichen Abnahme der Schichtdicke und andererseits zu großen Zugspannungen, da die aufgebrachte Schicht (1-50 μm) im Allgemeinen deutlich dünner als das Substrat (0,5 -2 mm) ist und daher auf diesem fixiert wird. Die bei der Wärmebehandlung gleichzeitig stattfindende Umwandlung von der metastabilen amorphen in die tetragonale LI 0 Gleichgewichtsphase (c/a < 1) bietet die Möglichkeit zur Texturierung im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung. Durch die intrinsischen Zugspannungen richten sich die längeren a, b-Achsen bevorzugt in der Filmebene und folglich die kürzere, magnetisch leichte c-Achse senkrecht zur Substratoberfläche aus. Das gesamte magnetische Moment steht dann in dieser Anwendungsrichtung zur Verfügung.When electrodeposition of FePt from aqueous solutions significant amounts of oxygen in the form of Fe-OH phases (up to 30 at.% O) are introduced into the layer. After production, the layers are amorphous (ie no direction is excellent). In the subsequent heat treatment (aging), which leads to the formation of the highly anisotropic LI 0 phase (with an excellent Symmetry axis) is necessary, the oxygen content can be reduced to below 10 at.% By the use of a reducing, hydrogen-containing atmosphere (K. Leistner et al. J. Mag. Mag. Mat. 280-291 (2005) 1270). The associated volume reduction leads on the one hand to a significant decrease in the layer thickness and on the other hand to high tensile stresses, since the applied layer (1-50 microns) is generally much thinner than the substrate (0.5 -2 mm) and is therefore fixed on this , The simultaneous conversion of the metastable amorphous into the tetragonal LI 0 equilibrium phase (c / a <1) during the heat treatment offers the possibility of texturing in the context of the solution according to the invention. Due to the intrinsic tensile stresses, the longer a, b axes align preferentially in the film plane and consequently the shorter, magnetically gentle c axis perpendicular to the substrate surface. The entire magnetic moment is then available in this application direction.
Ein entscheidender Vorteil dieser erfindungsgemäßen Lösung ist, dass die Texturierung weitestgehend unabhängig vom Substrat ist, so dass Substrate mit günstigeren mechanischen Eigenschaften und niedrigeren Kosten gewählt werden können. Da die Texturierung nicht über das Substrat sondern gleichmäßig über die Schicht verteilt und somit lokal erzeugt wird, können auch texturierte, austauschgekoppelte Schichtpakete (Vielfachschichten) hergestellt werden. Bei dem Aufbringen der Schichten durch Elektrodeposition erlaubt die Veränderung der angelegten Spannung eine Einstellung der Zusammensetzung, so dass Schichtpakete aus FePt und Fe (oder alternativ Fβ3Pt) hergestellt werden können. Durch die Wärmebehandlung entsteht ein texturiertes, austauschgekoppeltes Schichtpaket, bei dem durch das hohe Koerzitivfeld der L10 geordneten FePt Schicht und der hohen Remanenz der Fe- (oder alternativ Fβ3Pt-) Schicht ein deutlich höheres Energieprodukt als in einer Einzelschicht erreicht wird.A decisive advantage of this solution according to the invention is that the texturing is largely independent of the substrate, so that substrates with more favorable mechanical properties and lower costs can be selected. Since the texturing is not distributed over the substrate but evenly over the layer and thus produced locally, it is also possible to produce textured, exchange-coupled layer packages (multilayers). In applying the layers by electrodeposition, the change in the applied voltage allows the composition to be adjusted so that layer packages of FePt and Fe (or alternatively, Fβ 3 Pt) can be made. The heat treatment results in a textured, exchange-coupled layer package, in which the high coercive field of the FePt layer ordered by L1 0 and the high remanence of the Fe (or alternatively Fβ 3 Pt) layer results in a significantly higher energy product than in a single layer.
Das dargelegte erfindungsgemäße Lösungsprinzip lässt sich auf eine Vielzahl von Systemen übertragen.The presented solution principle according to the invention can be transferred to a multiplicity of systems.
Die Voraussetzung einer Änderung der Kristallsymmetrie durch Wärmebehandlung (Auslagerung) ist auch für die hochanisotrope Nd-Fe-B und Sm-Co Phase erfüllt, wenn die Schichten im ersten Schritt der Präparation amorph aufwachsen (durch Deposition auf ungeheizte Substrate) und sich erst während einer Wärmebehandlung bei einigen 1000C in ihre hochanisotrope Gleichgewichtsphase umwandeln.The requirement of a change in crystal symmetry by heat treatment (aging) is also fulfilled for the highly anisotropic Nd-Fe-B and Sm-Co phase, when the layers grow amorphous in the first step of the preparation (by Deposition on unheated substrates) and only during a heat treatment at some 100 0 C to convert into their highly anisotropic equilibrium phase.
Das Einbringen der Spannung während der Wärmebehandlung (Auslagerung) ist auf verschiedene, im Weiteren beispielhaft beschriebene Weisen möglich.The introduction of the stress during the heat treatment (aging) is possible in various ways, which are described below by way of example.
Für Seltenerd-Magnete kann eine Volumenvergrößerung durch das Aufbringen (Deposition) unter einer wasserstoffhaltigen Atmosphäre erreicht werden. Dies ist auch deshalb vorteilhaft, da der Einfluss und die Extraktion von Wasserstoff in diesen Systemen im Rahmen des HDDR Prozesses gut verstanden ist und mit einer großen Volumenänderung verbunden ist. Als extrahierbare Stoffe können alle Gase (H, O, N, Edelgase), Lösungsmittel (Wasser, organische Lösungsmittel, Halogene) und/oder Materialien mit hohem Dampfdruck (Mn, Sm, Ga, In, B) eingesetzt werden, die zwar während des Aufbringens zuerst einmal in die Schicht mit eingebaut werden, aber nur schwache Bindungen eingehen, sich daher in Folge der Wärmebehandlung wieder lösen.For rare earth magnets, an increase in volume can be achieved by deposition under a hydrogen-containing atmosphere. This is also advantageous because the influence and extraction of hydrogen in these systems is well understood in the context of the HDDR process and is associated with a large volume change. As extractables, all gases (H, O, N, noble gases), solvents (water, organic solvents, halogens) and / or materials with high vapor pressure (Mn, Sm, Ga, In, B) can be used, which during the Apply first in the layer to be incorporated, but only weak bonds enter, therefore, dissolve again as a result of the heat treatment.
Neben den physikalischen Depositionsmethoden, die eine einfache Inkooperation von Gasen und Feststoffen erlauben, bieten sich vor allem effiziente chemische Depositionsmethoden an (Elektrodeposition, sol-gel Verfahren etc), bei denen Lösungsmittelbestandteile verwendet werden können.In addition to the physical deposition methods, which allow a simple incooperation of gases and solids, especially efficient chemical deposition methods are available (electrode position, sol-gel method, etc.), in which solvent constituents can be used.
Neben intrinsischen Spannungen können auch extrinsische Spannungen erzeugt werden, indem die Schichten während der Wärmebehandlung extern unter mechanische Spannung gesetzt werden. Dies kann auf unterschiedliche Weise durchgeführt werden und wird vorteilhafterweise auf metallischen oder polymeren oder elastomeren Substraten durchgeführt.In addition to intrinsic stresses, extrinsic stresses can also be generated by placing the layers under external stress during the heat treatment. This can be done in different ways and is advantageously carried out on metallic or polymeric or elastomeric substrates.
Beispielsweise werden die Substrate während der Wärmebehandlung mechanisch unter Zugspannung gesetzt.For example, the substrates are mechanically stressed during the heat treatment.
Im Falle einer einachsigen Zugspannung richtet sich die kristallographisch längste Achse entlang der äußeren Kraft aus. Damit lässt sich für c/a>1 eine uniaxiale Texturierung mit der magnetisch leichten Achse (c-Achse) innerhalb der Schichtebene erzielen. Für c/a<1 bewirkt eine einachsige Zugspannung, dass die kürzere Achse senkrecht zu der angelegten Spannung ausgerichtet wird. Durch diese Textur erzielt die remanente Magnetisierung bis zu 64% derIn the case of a uniaxial tensile stress, the longest crystallographic axis aligns with the external force. Thus, for c / a> 1 uniaxial texturing can be achieved with the magnetically easy axis (c-axis) within the layer plane. For c / a <1, a uniaxial tensile stress causes the shorter axis is aligned perpendicular to the applied voltage. Due to this texture, the remanent magnetization reaches up to 64% of the
Sättigungsmagnetisierung (anstatt maximal 50% bei isotropem Gefüge).Saturation magnetization (instead of a maximum of 50% for isotropic microstructure).
Wird das Substrat einer zweiachsigen Zugspannung ausgesetzt, so ist auch für c/a<1 eine vollständige Ausrichtung der kurzen c-Achse senkrecht zur Substratebene möglich.If the substrate is exposed to a biaxial tensile stress, complete alignment of the short c-axis perpendicular to the substrate plane is also possible for c / a <1.
Ebenfalls ist es möglich, die Substrate während der Schichtdeposition zu verspannen und vor der Wärmebehandlung zu relaxieren. Damit werden nach dem Herstellen des Schichtaufbaus die Spannungen auf die Schichten übertragen und wirken während der Wärmebehandlung (Auslagerung) texturbildend. Wird ein Substrat während der Deposition unter eine einachsige Zugspannung gesetzt, kommt es nach der Deposition zu einer einachsigen Druckspannungen innerhalb der Schichtebene. Während der Wärmebehandlung führt dies für c/a<1 wiederum zu einer vollständigen Ausrichtung der c- Achse entlang dieser Richtung.It is also possible to clamp the substrates during the layer deposition and to relax before the heat treatment. Thus, after the production of the layer structure, the stresses are transferred to the layers and have a texture-forming effect during the heat treatment (aging). If a substrate is placed under a uniaxial tensile stress during deposition, uniaxial compressive stresses within the layer plane occur after deposition. During the heat treatment, for c / a <1 this again leads to a complete alignment of the c-axis along this direction.
Anstatt das Substrat unter eine reine Zugspannung zu setzen, kann es auch gebogen werden (z. B. auf einer 4-Punkt Auflage). Nach Beschichtung und Entspannung des Substrates wirken an einer Substratseite (der Innenseite der Krümmung) Zugspannung und an der anderen Substratseite (der Außenseite der Krümmung) Druckspannungen auf die Schicht. Mit diesem Aufbau sind also sowohl Zugspannungen als auch Druckspannungen realisierbar - je nach Wahl der Substratseite während der Beschichtung.Instead of putting the substrate under a pure tension, it can also be bent (eg on a 4-point overlay). After coating and relaxation of the substrate, tensile stress acts on one substrate side (the inside of the bend) and compressive stresses on the other substrate side (the outside of the bend) on the layer. With this structure, so both tensile stresses and compressive stresses can be realized - depending on the choice of the substrate side during the coating.
Eine weitere alternative Möglichkeit der Erzeugung von Spannungen in den Schichten wird durch Ionenimplantation von Edelgasen erreicht, wobei durch die zusätzlichen Ionen in der Schicht Druckspannungen entstehen. Überschreitet diese Druckspannung die Dehngrenze, kommt es zur plastischen Verformung. Bei einer anschließenden Wärmebehandlung erhöht sich die Beweglichkeit der implantierten Ionen und unlösliche Edelgasionen können aus der Schicht herausdiffundieren. Hierdurch wandeln sich die Druck in Zugspannungen um und die kürzere Achse richtet sich senkrecht zum Substrat aus. Im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung können auch ungeordnete Schichten aus FePt, FePd oder CoPt mit leichten Ionen (z. B. He+) bestrahlt werden, wodurch eine Ordnungseinstellung ohne Wärmebehandlung bei höheren Temperaturen erreicht wird. Somit kann gleichzeitig zu der Ordnungseinstellung eine Textur erreicht werden, bei der die kürzere Achse in der Schichtebene liegt. Neben einer einfacheren Prozessführung kann so auch das gerade bei der magnetischen Datenspeicherung unerwünschte Kornwachstum vermieden werden, welches bei höheren Wärmebehandlungstemperaturen entstehen kann.A further alternative possibility of generating stresses in the layers is achieved by ion implantation of noble gases, whereby compressive stresses arise due to the additional ions in the layer. If this compressive stress exceeds the yield strength, plastic deformation occurs. In a subsequent heat treatment, the mobility of the implanted ions increases and insoluble noble gas ions can diffuse out of the layer. As a result, the pressure changes to tensile stresses and the shorter axis is perpendicular to the substrate. Unordered layers of FePt, FePd or CoPt can also be irradiated with light ions (eg He + ) in the solution according to the invention, whereby an order adjustment without heat treatment at higher temperatures is achieved. Thus, at the same time as the order setting, a texture can be achieved in which the shorter axis lies in the layer plane. In addition to a simpler process management, the grain growth, which is undesirable in magnetic data storage in particular, can be avoided, which can occur at higher heat treatment temperatures.
Auch Verfahren, wie die gepulste Laserdeposition und ionenstrahlgestützte Depositionsmethoden sind vielversprechend, da der hochenergetische lonenanteil zur Subplantation und damit zu großen Druckspannungen schon während der Schichtherstellung führt.Also, methods such as pulsed laser deposition and ion beam deposition methods are promising, since the high-energy ion content leads to subplantation and thus to high compressive stresses already during layer production.
Nachfolgend wird die Erfindung an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments.
Beispiel 1example 1
Auf ein Substrat aus Si mit W-Ti Buffer mit den Abmessungen 10x20 mm wird mittels Elektrodeposition eine amorphe Schicht aus FePt mit einer Schichtdicke von 700 nm aufgebracht. Nachfolgend wird ein Wärmebehandlung bei 6000C in Wasserstoffatmosphäre durchgeführt. Durch die Reduktion der Fe-Hydroxide reduziert sich das Volumen um 15%, so dass Zugspannungen in der Schicht von 2 Gigapascal entstehen.An amorphous layer of FePt with a layer thickness of 700 nm is applied to a substrate of Si with W-Ti buffer with the dimensions 10 × 20 mm. Subsequently, a heat treatment at 600 0 C is carried out in a hydrogen atmosphere. Reducing the Fe hydroxides reduces the volume by 15%, resulting in tensile stresses in the 2 gigapascal layer.
Nach der Wärmebehandlung liegt ein Schicht-Substrat-Verbund vor, wobei die Schicht mit der leichten Achse senkrecht zur Substratebene texturiert ist. Eine Vorbehandlung des Substrates zur Erreichung oder Verbesserung der Texturierung der Schicht ist nicht erforderlich.After the heat treatment, a layer-substrate composite is present, with the light axis layer textured perpendicular to the substrate plane. A pretreatment of the substrate to achieve or improve the texturing of the layer is not required.
Beispiel 2Example 2
Auf einem 0.5 mm dicken, beidseitig polierten Substrat aus Glas mit den Abmessungen 100x50 mm wird mittels eines Sol-Gel-Verfahrens eine Schicht aus CoPt mit einer Schichtdicke von 5 μm aufgebracht. Die Schicht auf dem Substrat wird nun extern mit einer Zugspannung beauflagt, indem der mittlere Bereich von 50 mm von zwei Stäben unterstützt werden und die kurzen Seiten nach unten gezogen werden. Die Dehnung der Substratoberfläche wird so auf 2% eingestellt. In diesem Spannungszustand wird das Substrat mit der Schicht einer Wärmebehandlung bei 6000C für 60 Minuten ausgesetzt.A layer of CoPt with a layer thickness of 5 μm is applied by means of a sol-gel process to a 0.5 mm thick, glass substrate with dimensions of 100 × 50 mm, polished on both sides. The layer on the substrate is now externally subjected to a tensile stress by the middle area of 50 mm supported by two bars and the short sides are pulled down. The elongation of the substrate surface is thus adjusted to 2%. In this state of stress, the substrate with the layer is subjected to a heat treatment at 600 ° C. for 60 minutes.
Nach der Wärmebehandlung liegt ein Schicht-Substrat-Verbund vor, wobei die Schicht weitestgehend texturiert ist. Eine Vorbehandlung des Substrates zur Erreichung oder Verbesserung der Texturierung der Schicht ist nicht erforderlich.After the heat treatment, a layer-substrate composite is present, the layer being largely textured. A pretreatment of the substrate to achieve or improve the texturing of the layer is not required.
Beispiel 3Example 3
Auf ein Si-Substrat mit 1 mm Dicke, 3" Durchmesser und mit einem 30 nm dicken Ta Buffer werden mittels Sputterdeposition eine amorphe Schicht aus Nd-Fe-B mit einer Schichtdicke von 10 nm und dann eine Schicht aus Fe-Co mit einer Schichtdicke von 5 nm aufgebracht. Beide Schichten werden jeweils abwechselnd noch 99 mal aufgebracht, so dass eine Multilayerschicht aus 100 Schichten vorliegt. Die gesamte Schicht wird mit 30 nm Cr abgedeckt.On a Si substrate with 1 mm thickness, 3 "diameter and with a 30 nm thick Ta buffer are sputtered by an amorphous layer of Nd-Fe-B with a layer thickness of 10 nm and then a layer of Fe-Co with a layer thickness Each layer is applied alternately 99 times, so that a multilayer layer of 100 layers is present, and the entire layer is covered with 30 nm Cr.
In diese Multilayerschicht werden mittels Ionenimplantation Ar-Ionen eingetragen, die die Schicht unter Druckspannungen setzen, woraufhin plastische Verformung stattfindet. Nachfolgend erfolgt eine Wärmebehandlung bei 6500C für 5 Minuten, wodurch die implantierten Ar-Ionen aus der Multilayerschicht wieder herausdiffundieren und somit die Schicht nunmehr unter Zugspannung setzen. Nach der Wärmebehandlung liegt ein Schicht-Substrat-Verbund vor, wobei die Schicht texturiert ist und die ursprüngliche Schichtarchitektur weitestgehend erhalten bleibt. Eine Vorbehandlung des Substrates zur Erreichung oder Verbesserung der Texturierung der Schicht ist nicht erforderlich. Ar ions are introduced into this multilayer layer by means of ion implantation, which place the layer under compressive stresses, whereupon plastic deformation takes place. Subsequently, a heat treatment at 650 0 C for 5 minutes, whereby the implanted Ar ions diffuse out of the multilayer layer out again and thus put the layer under tension. After the heat treatment, a layer-substrate composite is present, wherein the layer is textured and the original layer architecture remains largely intact. A pretreatment of the substrate to achieve or improve the texturing of the layer is not required.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes, bei dem mindestens eine zu texturierende Schicht, die mindestens die Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält, auf ein Substrat aufgebracht wird und während der Schichtaufbringung oder danach in die Schicht Druck- oder Zugspannungen eingebracht werden.Anspruch [en] A process for producing a layer-substrate composite in which at least one layer to be textured which contains at least the components for forming a layer having hard-magnetic properties is applied to a substrate and printed or coated in or after the layer application Tensile stresses are introduced.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem zwei zu texturierende Schichten oder eine Vielfachschicht aus zwei sich wiederholenden zu texturierenden Schichten aufgebracht werden.2. The method of claim 1, wherein two layers to be textured or a multiple layer of two repeating layers to be textured are applied.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem in den zu texturierenden Schichten während der Schichtherstellung eine Spannung erzeugt wird.3. The method of claim 1, wherein in the layers to be textured during the layer production, a voltage is generated.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Substrat während der Schichtaufbringung mechanisch verspannt und vor einer Wärmebehandlung entspannt wird.4. The method of claim 1, wherein the substrate is mechanically clamped during the layer application and relaxed before a heat treatment.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem während der Wärmebehandlung mechanische Spannungen in dem Schichtmaterial erzeugt werden.5. The method of claim 1, wherein during the heat treatment, mechanical stresses are generated in the layer material.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Substrat während der Wärmebehandlung unter Zugspannung oder Biegespannung gesetzt wird.6. The method of claim 1, wherein the substrate is set during the heat treatment under tensile stress or bending stress.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein metallisches oder polymeres Substrat eingesetzt wird.7. The method of claim 1, wherein a metallic or polymeric substrate is used.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem mechanischen Spannungen extrinsisch erzeugt werden.8. The method of claim 1, wherein the mechanical stresses are generated extrinsically.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem mechanischen Spannungen intrinsisch erzeugt werden. 9. The method of claim 1, wherein mechanical stresses are generated intrinsically.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein teilweiser Spannungsabbau in den Schichten und/oder dem Substrat durch eine Wärmebehandlung oder eine lonenbestrahlung realisiert wird.10. The method of claim 1, wherein a partial stress relief in the layers and / or the substrate by a heat treatment or ion irradiation is realized.
11.Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die in den zu texturierenden Schichten befindlichen Phasen im amorphen Zustand abgeschieden werden.11.A method according to claim 1, wherein the phases located in the layers to be textured are deposited in the amorphous state.
12. Verfahren nach Anspruch 1 , bei der die in den zu texturierenden Schichten befindlichen Phasen in einer kubischen Kristallsymmetrie abgeschieden werden.12. The method of claim 1, wherein the phases in the layers to be textured are deposited in a cubic crystal symmetry.
13. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Schichtherstellung mittels Sputterdeposition, thermischem Verdampfen, gepulster Laserdeposition, elektrochemischer Deposition oder sol-gel Verfahren durchgeführt wird.13. The method of claim 1, wherein the layer production by sputter deposition, thermal evaporation, pulsed laser deposition, electrochemical deposition or sol-gel method is performed.
14. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Schichtherstellung in einer Atmosphäre durchgeführt wird, die H und/oder O und/oder N und/oder Edelgase enthält oder daraus besteht.14. The method of claim 1, wherein the layer preparation is carried out in an atmosphere containing H and / or O and / or N and / or noble gases or consists thereof.
15. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Schichtherstellung in Gegenwart von Lösungsmitteln und/oder von Materialien mit hohem Dampfdruck durchgeführt wird.15. The method of claim 1, wherein the layer preparation is carried out in the presence of solvents and / or high vapor pressure materials.
16. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Schichtherstellung in Gegenwart von Wasser, organischen Lösungsmitteln, Halogenen und/oder Mn, Sm, Ga, In, B durchgeführt wird.16. The method of claim 1, wherein the layer preparation in the presence of water, organic solvents, halogens and / or Mn, Sm, Ga, In, B is performed.
17. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die lonenbestrahlung mit leichten Ionen durchgeführt wird.17. The method of claim 1, wherein the ion irradiation is performed with light ions.
18. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem während oder nach der Schichtherstellung eine lonenbestrahlung mit He+ durchgeführt wird. 18. The method of claim 1, wherein during or after the layer preparation, ion irradiation with He + is performed.
19. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Wärmebehandlung in Abhängigkeit von den jeweils eingesetzten hartmagnetischen Phasen im Bereich von 250 bis 9000C durchgeführt wird.19. The method according to claim 1, wherein a heat treatment in dependence on the particular hard magnetic phases used in the range of 250 to 900 0 C is performed.
20. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Wärmebehandlung unter einer reduzierenden, wasserstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt wird.20. The method of claim 1, wherein the heat treatment is carried out under a reducing, hydrogen-containing atmosphere.
21. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Wärmebehandlung zur Umwandlung einer Komponente in der zu texturierenden Schicht mit hoher Kristallsymmetrie in eine Komponente mit magnetisch hochanisotropen Eigenschaften und tetragonaler oder hexagonaler Kristallsymmetrie durchgeführt wird.21. The method of claim 1, wherein the heat treatment for converting a component in the high crystal symmetry layer to be textured into a component having magnetically highly anisotropic properties and tetragonal or hexagonal crystal symmetry is performed.
22. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Spannung in der zu texturierenden Schicht durch die Extraktion mindestens einer Komponente eingestellt wird.22. The method of claim 1, wherein the tension is set in the layer to be textured by the extraction of at least one component.
23. Verfahren zur Herstellung eines Schicht-Substrat-Verbundes mit hartmagnetischen Eigenschaften, bei dem eine zu texturierende Schicht, die mindestens die Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält und die sich noch nicht im tetragonalen LI0 Gleichgewichtszustand (c/a < 1 ) befindet, auf ein Substrat aufgebracht und während der Schichtaufbringung oder danach in einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen versetzt wird, und nachfolgend eine Wärmebehandlung oder lonenbestrahlung zur Umwandlung der Komponenten der Schicht zur Ausbildung einer hartmagnetischen Phase in den tetragonalen LI0 Gleichgewichtszustand (c/a < 1 ) durchgeführt wird.23. A method for producing a layer-substrate composite having hard magnetic properties, wherein a layer to be textured, which contains at least the components for forming a layer with hard magnetic properties and not yet in the tetragonal LI 0 equilibrium state (c / a <1 ), applied to a substrate and subjected to compressive or tensile stress state during or after the layer application, followed by heat treatment or ion irradiation to convert the components of the hard magnetic phase layer to the tetragonal LI 0 equilibrium state (c / a <1) is performed.
24. Verfahren nach Anspruch 1 oder 23, bei dem nach dem Aufbringen von zwei zu texturierenden Schichten eine Wärmebehandlung durchgeführt wird und nachfolgend zwei weitere zu texturierende Schichten auf die bereits wärmebehandelten Schichten aufgebracht werden und nachfolgend wiederum eine Wärmebehandlung durchgeführt wird und dieser Ablauf ein oder mehrmals wiederholt wird. 24. The method of claim 1 or 23, wherein after the application of two layers to be textured, a heat treatment is carried out and subsequently two more layers to be textured are applied to the already heat-treated layers and subsequently in turn a heat treatment is performed and this process one or more times is repeated.
25. Verfahren nach Anspruch 1 oder 23, bei dem in allen aufgebrachten zu texturierenden Schichten Zugspannungen und im Substrat Druckspannung erzeugt wird.25. The method of claim 1 or 23, wherein in all applied layers to be textured tensile stresses and in the substrate compressive stress is generated.
26. Schicht-Substrat-Verbund, hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 25, bestehend aus einem Substrat und mindestens einer zu texturierenden Schicht, die mindestens die Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält, wobei die Schicht einen Spannungszustand aus Druck- oder Zugspannungen aufweist.26. A layer-substrate composite produced according to at least one of claims 1 to 25, comprising a substrate and at least one layer to be textured, which contains at least the components for forming a layer with hard magnetic properties, wherein the layer has a stress state from or tensile stresses.
27. Verbund nach Anspruch 26, bei dem zwei zu texturierende Schichten auf dem Substrat vorhanden sind.27. The composite of claim 26, wherein two layers to be textured are present on the substrate.
28. Verbund nach Anspruch 26, bei dem eine zu texturierende Vielfachschicht aus mindestens zwei sich wiederholenden Schichten vorhanden ist.28. The composite of claim 26 wherein there is a multi-layer of at least two repeating layers to be textured.
29. Verbund nach Anspruch 28, bei dem eine Schicht der Vielfachschicht Komponenten zur Ausbildung einer magnetisch hochanisotropen Phase und die andere Schicht Komponenten zur Ausbildung eines ferromagnetischen Materials mit einer hohen Remanenz enthält.29. The composite of claim 28, wherein one layer of the multilayer contains components for forming a magnetically highly anisotropic phase and the other layer contains components for forming a ferromagnetic material having a high remanence.
30. Verbund nach Anspruch 26, bei dem die zu texturierende Schicht FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co und/oder Sm-Co als Komponenten zur Ausbildung einer Schicht mit hartmagnetischen Eigenschaften enthält.A composite according to claim 26, wherein the layer to be textured contains FePt, CoPt, FePd, Nd-Fe-B, Pr-Co and / or Sm-Co as components for forming a layer having hard magnetic properties.
31. Verbund nach Anspruch 29, bei dem in der zu texturierenden Schicht als Komponenten zur Ausbildung eines ferromagnetischen Materials mit einer hohen Remanenz Fe-Co, Fe, Fe3Pt und/oder Fe-B enthalten sind.A composite according to claim 29, wherein Fe-Co, Fe, Fe 3 Pt and / or Fe-B are contained in the layer to be textured as components for forming a high-remanence ferromagnetic material.
32. Verbund nach Anspruch 27 oder 28, bei dem eine der zu texturierenden Schichten, die die Komponenten für die Ausbildung der hartmagnetischen Phasen enthält, eine höhere Kristallsymmetrie aufweist, als die magnetisch hochanisotrope Phase. 32. The composite according to claim 27 or 28, wherein one of the layers to be textured containing the components for forming the hard magnetic phases has a higher crystal symmetry than the magnetically highly anisotropic phase.
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