Exchange coupled ferri-/ferromagnetic composite nanomagnets

Abstract

Seit der Einführung von magnetischen Festplatten wurde deren Speicherkapazität jedes Jahr drastisch erhöht. In den letzten Jahren stieß die Industrie jedoch an technologische Grenzen, die das jährliche Wachstum der Bitdichte verlangsamten. Mehrere Ansätze wurden vorgeschlagen, um die derzeitigen Beschränkungen zu umgehen. Gegenwärtig arbeitet die Industrie daran, wärmeunterstützte magnetische Aufzeichnung (heat assisted magnetic recording HAMR) und mikrowellenunterstützte Aufzeichnung (microwave assisted magnetic recording MAMR) auf den Markt zu bringen, die dem Wachstum der Bitdichte neuen Schub verleihen sollen. Eine darauffolgende Technologie wäre die Aufzeichnung auf bitstrukturierten Medien (bit patterned magnetic recording BPMR), die mit den derzeit entwickelten Technologien kombiniert werden sollen. Ein aktuelles Problem ist die Reduzierung des magnetischen Volumens pro Bit bei gleichzeitiger Wahrung der thermischen Stabilität und Schreibbarkeit der Bits. Ein möglicher Ansatz dazu sind austauschgekoppelte Verbundmedien mit einem hartmagnetischen Material als thermisch stabile Speicherschicht und einer weichmagnetischen Schicht zur Verringerung des Schreibfeldes. Mögliche Kandidaten für die weiche Schicht sind ferrimagnetische Materialien, da sie abstimmbare magnetische Eigenschaften und eine ungewöhnliche Temperaturabhängigkeit der Magnetisierung aufweisen. Beide Eigenschaften können zur Optimierung des Mediums von Festplatten genutzt werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein mikromagnetisches Modell von austauschgekoppelten ferri-/ferromagnetischen Doppelschichten für den Einsatz in bitstrukturierten Medien entwickelt und ausgewertet. Zunächst wird ein Modell für ferrimagnetische Schichten beschrieben und implementiert. Das Modell wird dann durch den Vergleich von Simulationen mitexperimentellen Ergebnissen angepasst. Durch die Einbeziehung von räumlichen Variationen der magnetokristallinen Anisotropie und der anisotropen Vorzugsachse konnten fünf Merkmale, die in experimentell gewonnenen remanenten Domänenstrukturen beobachtet wurden, reproduziert werden. Die Simulation eines Fe81Gd19 Films mit Vorzugsachse parallel zur Filmnormale zeigte eine Magnetisierungsumkehr durch eine Domänenwandbewegung Richtung Filmebene, die durch Pinningprozesse an räumlichen Inhomogenitäten bestimmt wird. In einem nächsten Schritt wird das Modell um eine austauschgekoppelte ferromagnetische Schicht erweitert. Die Werte der magnetischen Eigenschaften stammen aus Experimenten, bei denen die hartmagnetische Schicht ferrimagnetisches Fe81Tb19 ist und die weichmagnetische Schicht ein mehrlagiger [Co/Pt]10 Film. Die Simulationsergebnisse für ferri-/ferromagnetische Doppelschichten zeigen einen großen Einuss der Kopplungsstärke an der Grenzäche zwischen den beiden Schichten auf die Magnetisierungsumkehr. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass im Experiment große Bereiche der Grenzäche nur schwach gekoppelt sind (<1mJ/m2) und nur ein kleiner Teil eine stärkere Kopplung aufweist (10mJ/m2). Die gekoppelte weiche Schicht reduziert das gesamte Schaltfeld, indem sie einen Nukleationskeim für die Ummagnetisierung bereitstellt. Mit zunehmendem externem Feld wird die Domänenwand gegen die Grenzäche gedrückt, bis sie durchbricht und sich seitlich durch den Ferrimagneten bewegt. Die laterale Bewegung wird durch Domänenwandhaften bestimmt, das durch die räumlich inhomogene Verteilung der magnetokristallinen Anisotropiekonstante entsteht. Schließlich wird das mikromagnetische Modell für ferri-/ferromagnetische Doppelschichten für die magnetischen Inseln in bitstrukturierten Medien angewendet. Die Speicherschicht wird durch Fe52Pt48 repräsentiert während ferrimagnetisches Fe74Gd26 als weiche Hilfsschicht wirkt. Kleine Inseldurchmesser zeigen höhere Schaltfelder und breitere Schaltfeldverteilungen. Dieser Effekt kann durch Erhöhung der Kopplungsstärke an der Grenzäche der Doppelschicht und der Dicke der weichen Schicht reduziert werden. Weitere Berechnungen ergaben, dass durch Zugabe der ferrimagnetischen, weichen Schicht die Standardabweichung der dipolaren Wechselwirkungsfeldverteilung auf 9% des Schaltfeldes der Insel erhöht wird. Eine Berechnungsmethode für eine Medienbitfehlerrate wird vorgestellt. Diese kombiniert den Effekt der Schaltfeldverteilung, der dipolaren Wechselwirkungsfeldverteilung und des SchreibfeldwinkelsineinenParameter.DiegekoppelteferrimagnetischeSchichtsenkt die Medienbitfehlerrate signikant, obwohl mit zunehmender Dicke dieser Schicht das dipolare Feld dominanter wird. Um eine Medienbitfehlerrate von 106 aufrechtzuerhalten, wird das benötigte Schreibfeld bei einem Winkel von 40 um 7% reduziert, wenn eine 20nm dicke ferrimagnetische Schicht gekoppelt wird. Simulationen zeigen, dass während der Fabrikation unerwünscht abgelagertes Material an den Seitenwänden von Bitinseln das Schaltfeld deutlich reduzieren kann. Daher ist es wichtig, diese Ablagerungen bei der Herstellung von bitstrukturierten Medien zu kontrollieren. Das Volumen der Ablagerungen sollte minimiert und über das gesamte Medium so gleichmäßig wie möglich sein, um enge Schaltfeldverteilungen zu gewährleisten. Weitere Simulationen zeigen, dass raue Seitenwände nur vernachlässigbare Auswirkungen auf das Schaltfeld der Inseln haben. Der ungünstigste simulierte Fall einer Insel mit 20nm Durchmesser und maximale Abweichung von 5nm vom idealen Radius, zeigte eine Standardabweichung von nur 1.7% des idealen Schaltfeldes.

Since their introduction the storage capacity of magnetic hard disk drives has increased dramatically every year. However, in recent years the industry hit technological limits slowing down the annual growth of storage density. Several approaches have been suggested to circumvent limitations. The industry is working hard to bring heat assisted magnetic recording (HAMR) and microwave assisted recording (MAMR) to the market, providing a new boost to the areal density growth. One step further in the future is the employment of bit patterned media recording (BPMR) which is expected to be combined with currently developed technologies. The major goal is to decrease the magnetic volume per bit while maintaining thermal stability and writability of the bits. One possible approach to this problem is exchange coupled composite media with a hard-magnetic material as thermally stable storage layer and a soft magnetic layer to lower the writing eld of the bits. Possible candidates for the soft layer are ferrimagnetic materials, since they provide tunable magnetic properties and an unusual temperature dependency of the magnetization. Both features could be exploited for optimizing the media of hard disk drives. In this thesis a micromagnetic model of exchange coupled ferri-/ferromagnetic bilayers for use in bit patterned media is developed and evaluated. First a model for ferrimagnetic lms is described and implemented. The model is then adjusted by comparing simulations with experimental results. By incorporating spatial variations of magnetocrystalline anisotropy and anisotropic easy axis, a number of ve features observed in experimentally derived remanent domain patterns could be reproduced. ThesimulationofanFe81Gd19 lm without-of-plane anisotropy revealed a magnetization reversal process by the lateral movement of domain walls, governed by pinning processes at spatial inhomogeneities. Next the model is extended by an exchange coupled ferromagnetic layer. The magnetic properties are taken from experiments, where the hard-magnetic layer is ferrimagnetic Fe81Tb19 and the soft magnetic layer is a [Co/Pt]10 multilayer. The simulation results for ferri-/ferromagnetic bilayers attribute high importance to the coupling strength at the interface for controlling the magnetization reversal. The results indicate further, that in the experiment large areas were weakly coupled (< 1mJ/m2) at the interface and only a small portion of the interface exhibits stronger coupling (10mJ/m2). The coupled soft layer reduces the overall switching eld by providing a nucleation site for the domain wall. With increasing applied eld the wall is pushed against the interface until it breaks through and moves laterally through the ferrimagnet. The lateral domain wall movement is governed by pinning, mainly due to spatial changes of the magnetocrystalline anisotropy constant. The micromagnetic model for ferri-/ferromagnetic bilayers is applied to dots in bit patterned media. The storage layer is represented by Fe52Pt48 and a ferrimagnetic Fe74Gd26 acts as soft assisting layer. Smaller bilayer dot diameters show higher switching elds and broader switching eld distributions. Both effects can be reduced by increasing the coupling strength at the bilayers interface and the thickness of the soft layer. Further calculations revealed that by adding the ferrimagnetic soft layer the standard deviation of the dipolar interaction eld distribution is increased to 9% of the dots switching eld. A calculation of a medium bit error rate is proposed to combine the effect of switching eld distribution, dipolar interaction eld distribution and write eld angle into a characterizing parameter. Adding the exchange coupled ferrimagnetic layer signicantly lowers the media bit error rate, even though with increasing thickness of the ferrimagnetic layer the dipolar interaction eld becomes more dominant. While maintaining a media bit error rate of <106, the inclusion of a 20nm thick ferrimagnet reduces the write head eld requirement by 7% (with a eld angle of 40). Simulations reveal that redeposited material at the side walls of bit patterned media dots can signicantly reduce the switching eld of the dots. It is therefore important to control the redeposition during fabrication of bit patterned media by minimizing the volume of redeposited material and make it as uniform as possible across the media to maintain narrow switching eld distributions. Further simulations of dots with rough sidewalls show negligible effects on the switching eld. The worst simulated case of a dot with 20nm diameter and maximal deviation of 5nm from the ideal radius showed a standard deviation of only 1.7% of its ideal switching eld.