TEM and micromagnetic study of FePt ordered/disordered exchange spring media

Abstract

Im Rahmen der folgenden Arbeit wurden "exchange-spring" Medien untersucht. Dies sind Materialen in welchen hart- und weichmagnetische Schichten stark miteinander austauschwechselwirken.<br />Als Beispiel für ein solches Medium wurde eine Nanostruktur aus FePt L1_0/A1 Dünnenschichten analysiert. Diese Untersuchung ergab, dass sich zwischen der chemisch geordneten L1_0-Phase und der ungeordneten A1-Phase eine komplexe und raue Grenzfläche ausbildet. Aus den gemessenen Hysteresiskurven und der HRTEM Analyse lässt sich zudem schlußfolgern, dass die Rauigkeit der Grenzfläche einen Einfluss auf die Schalteigenschaften des Materials hat. Um herauszufinden, wie solch eine Grenzfläche das Ummagnetisierungsverhalten des Mediums beeinflusst, wurden mikromagnetische Simulationen durchgeführt. Für die Simulationen wurden markante Merkmale, so wie Obstakel der einen Phase eingebettet in der anderen Phase, übertragen in Finite Element Modelle.<br />Zusätzlich wurde die Verteilungsfunktion der hartmagnetische Phase entlang der Probehöhe untersucht. Numerische Berechnungen ergaben, dass Position und Größe der Obstakeln einem entscheidenden Einfluss auf das Schaltverhalten des Materials haben. Je nach den Herstellungsparametern der Probe ließ sich die Funktion linear, logistisch oder quadratisch fitten. Für eine quadratische L1_0-Phase in einer 18nm breiten Grenzfläche ergaben die Berechnung als kleinstes mögliches Schaltfeld H_sw =0.9T.<br />Die numerischen Resultate stimmen gut überein mit einer analytischen Formel für das Verankerungsfeld, welche hergeleitet wurde für den allgemeinen Fall räumlich veränderlicher Magnetisierung, Anisotropie und Austauschkonstante. Weiterführende Arbeit könnte sich mit der Wechselwirkung zwischen magnetischen Körnen sowie der Simulation von Lese-/Schreibprozessen in Bit-gemusterten Meterialen befassen. Abschließend ist hervorzuheben, dass sich die Resultate dieser Arbeit nicht nur auf FePt L1_0/A1 Dünnenschichten auwenden lassen, sondern auch interessant sein könnten für andere exchange-spring Materialen, z.B. CoPt L1_0/A1 oder FePt(L1_0)/FeAu(L1_0).

In this work exchange spring media are discussed. Within such materials there exist magnetically hard and soft layers which are strongly exchange coupled. As an example a nanostructure of FePt L1_0/A1 thin films is analysed with electron microscopy. A complex rough interphase between the chemically ordered L1_0 and disordered A1 phase was discovered. This observation together with the experimental analysis of hysteresis loops lead to the conclusion, that a change of the interphase profile roughness by a few nanometers alters significantly the switching properties of FePt L1_0/A1 media. In order to find the physical processes responsible for this behaviour, micromagnetic simulations have been carried out. For the purpose of the simulations, observed features, such as obstacles of one phase embedded in the matrix of a second phase, were transferred into finite element models.<br />Numerical calculations show that the position and size of the obstacles significantly alters the switching field of the media. Also the experimental distribution of the hard phase along the thickness of the medium was analysed. It was found to fit linear, logistic or quadratic functions in the interphase region, depending on the sample deposition conditions. The minimal switching field of H_sw =0.9T was calculated for a quadratic L1_0 distribution in a 18nm thick interphase region. The above mentioned numerical results agree well with an analytical formula for the pinning field of the exchange spring media, which is derived for the general case of spatially varying magnetization, anisotropy and exchange constant.<br />In future work the analysis could be extended to a study of an interaction between magnetic grains and simulation of a read/write processes for a fully formulated FePt bit patterned media. It is emphasized that the applicability of the results is not limited to FePt L1_0/A1 films but could be interesting also for other exchange spring media, such as CoPt L1_0/A1 or FePt(L1_0)/FeAu(L1_0).