Ionenstrahlinduzierte Strukturierung der Zwischenschicht-Austauschkopplung in magnetischen Schichtsystemen
Final Report Abstract
Der Fortschritt in der Informationstechnologie erfordert die Möglichkeit, immer mehr Daten auf engstem Raum zu speichern. Dabei werden die Informationen in einzelnen Bits abgespeichert, die zwei unterscheidbare Magnetisierungszustände – „0“ und „1“ – besitzen. In diesem Projekt wurde eine Methode untersucht, die Bits durch fokussierte Ionenbestrahlung in ein geeignetes Medium einzuschreiben. Die Ionenbestrahlung ändert dabei lokal die Eigenschaften der Probe, so dass die bestrahlten Bereiche als voneinander getrennte Bits aufgefasst werden können. In der Vergangenheit wurde bereits nachgewiesen, dass dieses Herstellungsverfahren prinzipiell funktioniert, allerdings konnten die Bits nur auf maximal 2 µm Breite und 1 µm Abstand reduziert werden, bevor sie ihre Speicherfähigkeit bzw. Eigenständigkeit verloren. Damit würde man nur etwa ein Zehntausendstel der aktuell möglichen Speicherkapazität erreichen. Das Projekt zielte daher u.a. zunächst auf die Untersuchung inverser Strukturen ab, bei denen ein Bereich bestrahlt, die Mitte aber freigelassen wird. Die Untersuchung dieser vermeintlich unbetroffenen Bereiche in der Mitte ergab das Resultat, dass die reale Breite eines solchen Bereiches etwa 1 µm kleiner ist als die nominelle Breite des unbestrahlten Bereiches. Dies war insofern erwartet worden, als bereits für bestrahlte Bereiche ein Abstand von weniger als 1 µm zum Verlust der Eigenständigkeit dieser Bereiche führte. Zwei bestrahlte Bereiche mit einem Abstand von weniger als 1 µm waren nicht mehr voneinander trennbar. Im Rahmen dieses Projektes wurde nachgewiesen, dass eine Reduzierung der bisher verwendeten Ionendosis um etwa den Faktor 100 immer noch ausreichend ist. Dabei wurde überraschend auch gezeigt, dass Elemente, die mit der viel geringeren Ionendosis bestrahlt wurden, wesentlich näher zusammengeführt werden konnten (weniger als 200 nm), ohne ihre Eigenständigkeit zu verlieren. Elemente, deren Kantenlänge 200 nm oder weniger betrug, zeigten eine homogen ausgerichtete Magnetisierung, die man mit einem externen Magnetfeld umklappen konnte und deren Ausrichtung bei Abschaltung des Magnetfeldes bestehen blieben; sie können als Informationen speichern. Diese Richtungen der Magnetisierung lassen sich als „0“ und „1“ definieren. Damit war es möglich, experimentell einen viel kleineren Speicher zu realisieren, dessen Speicherdichte hundertmal so hoch war wie das bisher angenommene Maximum, allerdings immer noch einen Faktor hundert unterhalb der derzeitigen kommerziellen Systeme. Numerische Simulationen lassen vermuten, dass eine weitere drastische Erhöhung der Speicherdichte möglich ist. Die bisherigen bestrahlten Elemente haben die Form kleiner Plättchen. Geht man zu einer Stäbchenform über, dann lässt sich die benötigte Fläche pro Element noch maßgeblich weiter verkleinern. Entsprechende Simulationen sagen eine Speicherdichte voraus, die mehr als 50% der aktuell erreichbaren beträgt, mit weiteren Optionen nach oben. Allerdings lässt sich dies mit dem hier verwendeten Schichtsystem und der Bestrahlungsmethode nicht realisieren. Theoretische Rechnungen sagen einen Maximalwert von etwa 1,5 – 2 Billionen Bits pro Quadratzoll voraus, was etwa doppelt soviel wie der derzeitige Standard wäre. Falls sich geeignetere Materialien als das hier verwendete Schichtsystem finden ließen, wäre die Grenze möglicherweise auch noch höher anzusetzen.
Publications
- Interplay of energy dissipation, ion-induced mixing, and crystal structure recovery, and surface effects in ion-irradiated magnetic Fe/Cr/Fe trilayers, Phys. Rev. B 84, 214106 (2011)
A. Brodyanski, S. Blomeier, H. Gnaser, W. Bock, B. Hillebrands, M. Kopnarski, B. Reuscher
- Atom probe tomography of ion-irradiated ultra-thin Fe/Cr/Fe trilayers with sub-nm spatial resolution, J. Phys. D 45, 505303 (2012)
H. Gnaser, R. Schiller, M. Wahl, B. Reuscher, A. Zeuner, M. Kopnarski, R. Neb, B. Hillebrands
(See online at https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/50/505303) - Fabricating high-density magnetic storage elements by low-dose ion beam irradiation, Appl. Phys. Lett. 101, 112406 (2012)
R. Neb, T. Sebastian, P. Pirro, B. Hillebrands, S. Pofahl, R. Schäfer, B. Reuscher
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4752447) - A micro-structured ion-implanted magnonic crystal, Appl. Phys. Lett 102, 202403 (2013)
B. Obry, P. Pirro, T. Brächer, A.V. Chumak, J. Osten, F. Ciubotaru, A.A. Serga, J. Fassbender, B. Hillebrands
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4807721) - Microscopic magnetic structuring of a spin-wave waveguide by ionimplantation in a Ni81Fe19 layer, Appl. Phys. Lett 102, 022409 (2013)
B. Obry, T. Meyer, P. Pirro, T. Brächer, B. Lägel, J. Osten, T. Strache, J. Fassbender, B. Hillebrands
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4775759)
