10.07.2020

Robuste Datenspeicher durch magnetische Anisotropie

Genaue Analyse der Ausdehnung von dünnen Eisen-Platin-Schichten.

Die neueste Generation von magnetischen Festplatten­laufwerken besteht aus magnetischen Dünn­schichten, die zu den Invar-Materialien zählen und eine extrem robuste und hohe Datenspeicher­dichte ermöglichen. Durch lokales Erhitzen mit einem Laser können winzigste Nano­domänen beschrieben werden – Heat Assisted Magnetic Recording oder HAMR. Dabei dehnt sich das Volumen in solchen Invar-Materia­lien trotz Erhitzung kaum aus. Ein techno­logisch relevantes Material für solche HAMR-Datenspeicher sind Dünnschichten aus Eisen-Platin-Nanokörnern. Ein internationales Team um die Forschungs­gruppe von Matias Bargheer am Helmholtz Zentrum Berlin und der Universität Potsdam hat nun erstmals experi­mentell beobachtet, wie in diesen Eisen-Platin-Dünnschichten eine besondere Spin-Gitter-Wechsel­wirkung die Wärme­ausdehnung des Kristallgitters aufhebt.

Abb.: Zwei Laserpulse treffen in kurzem zeitlichen Abstand auf den Dünnfilm...
Abb.: Zwei Laserpulse treffen in kurzem zeitlichen Abstand auf den Dünnfilm aus Eisen-Platin-Nano­körnchen auf: Der erste Laserpuls zerstört die Spin­ordnung, während der zweite Laserpuls die nun unmag­netisierte Probe anregt. Ein Röntgen­puls ermittelt im Anschluss, wie sich das Gitter ausdehnt oder kontra­hiert. (Bild: M. Bargheer, U. Potsdam)

Im thermischen Gleichgewicht gehört Eisen-Platin zur Klasse der Invar-Materialien, die sich bei Erhitzung kaum ausdehnen. Dieses Phänomen ist schon im Jahr 1897 bei der Nickel-Eisen Legierung „Invar“ beobachtet worden, aber erst seit wenigen Jahren versteht die Fachwelt, wie es zustande kommt: Normaler­weise führt Erwärmung von Festkörpern zu Gitter­schwingungen, die eine Ausdehnung bewirken, weil die vibrierenden Atome mehr Platz brauchen. Erstaunlicher­weise führt das Erwärmen der Spins in FePt aber zum gegen­teiligen Effekt: Je wärmer die Spins sind, desto stärker zieht sich das Material entlang der Magnetisierungs­richtung zusammen. Das Resultat ist die von Invar bekannte Eigenschaft: eine minimale Ausdehnung.

Dieses fas­zinierende Phänomen hat nun das Team um Matias Bargheer erstmals an unter­schiedlichen Eisen-Platin-Dünnschichten experi­mentell verglichen. Gemeinsam mit Kollegen aus Lyon, Brno und Chemnitz wollte er untersuchen, wie sich das Verhalten von perfekt kristallinen FePt-Schichten von den FePt-Dünn­schichten unterscheidet, die für HAMR-Speicher verwendet werden. Diese bestehen aus kristallinen Nano­körnern aus übereinander­gestapelten einatomaren Lagen von Eisen und Platin, die in eine Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind. Mit zwei kurz aufeinander­folgenden Laserpulsen wurden die Proben lokal erhitzt und angeregt, um anschließend durch Röntgen­beugung zu messen, wie stark sich das Kristall­gitter lokal ausdehnt oder kontrahiert.

„Wir waren überrascht, dass sich die kontinuier­lichen kristallinen Schichten ausdehnen, wenn man sie kurz mit Laserlicht erhitzt, während sich lose angeordnete Nanokörner in der gleichen Kristall­orientierung zusammen­ziehen“, sagt Bargheer. „Für die HAMR-Daten­speicher werden dagegen Nanokörner verwendet, die in eine Matrix aus Kohlenstoff eingebettet sind und auf einem Substrat fest­gewachsen sind: Die reagieren viel schwächer auf die Laser­anregung und ziehen sich erst etwas zusammen und dehnen sich dann etwas aus.“

 „Wir haben durch diese Experimente mit ultrakurzen Röntgen­pulsen feststellen können, wie wichtig die Morphologie, also der genaue Aufbau solcher Dünnschichten ist“, sagt Doktorand Alexander von Reppert. Das Geheimnis ist die Querkontraktion, die auch Poisson-Effekt genannt wird. „Das kennt jeder, der schon einmal fest auf einen Radiergummi gedrückt hat“, sagt Bargheer. „Das Gummi wird in der Mitte dicker.“ Und von Reppert ergänzt: „Das können die Nanoteilchen auch, während beim perfekten Film kein Platz zur Ausdehnung in der Filmebene ist, die aber für eine spin-getriebene Kon­traktion senkrecht zum Film benötigt wird.“ FePt ist also ein ganz besonderes Material. Es hat nicht nur außer­gewöhnlich robuste magnetische Eigen­schaften. Seine thermo­mechanischen Eigenschaften verhindern auch, dass bei Erhitzung zu starke Verspannungen entstehen, die das Material zerstören würden.

HZB / JOL

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