15.1 Хранение информации наномагнитами

Изучение магнитных материалов, преимущественно пленок из наноразмерных магнитных частиц, иногда называемое мезоскопическим магнетизмом, подогре­вается желанием увеличить емкость магнитных накопителей информацией, таких как жесткие диски компьютеров. Основной механизм хранения информации включает в себя намагничивание в определенном направлении очень малой об­ласти магнитного носителя, называемой битом. Для достижения плотности хра­нения 10 Гигабит (1010 бит) на квадратный дюйм отдельный бит должен занимать место длиной 70 нм и шириной 1 мкм. Толщина пленки должна составлять око­ло 30 нм. Существующие магнитные устройства хранения информации, такие как жесткие диски, основаны на крошечных кристаллах сплава хрома и кобаль­та. Одна из сложностей, возникающих при размерах бита менее 10 нм, состоит в том, что вектор намагниченности может поменять направление под действием тепловых флуктуации, по сути, стирая память. Одно из решений этой проблемы состоит в использовании наноразмерных зерен с большими значениями намаг­ниченности насыщения, и, следовательно, с более сильным взаимодействием между зернами. Группа в IBM получила магнитные нанозерна FePt с намного большим значением намагниченности. Частицы FePt получались при нагреве раствора ацетилацетоната платины и карбонила железа с добавлением восстано­вителя. В качестве поверхностно-активного вещества также использовалась оле­иновая кислота, покрывающая частицы и препятствующая их агрегации. После распыления раствора на подложку он испарялся, оставляя на ней пассивирован-ные частицы. Получившаяся в результате этой операции тонкая пленка затем в течение 30 минут выдерживалась при температуре 560⁰С, что приводило к обра­зованию твердого углеродного слоя, содержащего 3-х нанометровые частицы FePt. Такой размер магнитных наночастиц может привести к плотности записи в 150 Гигабайт на квадратный дюйм, то есть примерно в 10 раз плотнее, чем в ны­не существующих коммерчески доступных носителях.Когда размеры магнитных наночастиц становятся столь малыми, магнитные вектора атомов в присутствии внешнего магнитного поля ориентируются одина­ково в пределах зерна, устраняя сложности, возникающие из-за наличия домен­ных стенок и соседствующих областей с разными направлениями намагниченно­сти. Рассмотрим динамику поведения системы вытянутых наноразмерных маг­нитных частиц в рамках модельи Стоуна-Вольфарта. Обычно в магнитных носителях используются именно вытянутые зерна. В этой модели предполагает­ся, что в отсутствие магнитного поля эллипсоидальные зерна имеют только два возможных устойчивых направления магнитного момента: вверх или вниз по от­ношению к длинной оси магнитной частицы. Зависи­мость магнитной энергии от ориентации вектора магнитного момента представ­ляет собой симметричную потенциальную яму с двумя минимумами, разделен­ными потенциальным барьером. Под действием тепловой флуктуации частица может поменять ориентацию магнитного вектора в соответствии с термоактивационным уравнением Аррениуса, из которого следует, что вероятность переори­ентации Р пропорциональна

,

где Е — высота энергетического барьера, отделяющего две ориентации. Частица также может с гораздо меньшей вероятностью поменять свою ориентацию по­средством квантовомеханического туннелирования. Это может наблюдаться, ког­да тепловая энергия kBT много меньше высоты барьера. Туннелирование — чисто квантовомеханический эффект, возникающий вследствие того, что решение вол­нового уравнения этой системы дает небольшую вероятность изменения магнит­ного состояния с направления «вверх» на направление «вниз». Во внешнем маг­нитном поле потенциал меняется, как показано на рис. 15.5 пунктирной линией, и при достижении полем значения, равного коэрцитивной силе, один из уровней становится неустойчивым.

Рис.15.5 Схема потенциала двойной ямы, на которой показана зависимость энергии от ориентации магнитного момента в отсутствие (сплошная линия) и при наличии (прерывистая линия) внешнего магнитного поля.

Эта модель дает простое объяснение многим магнитным свойствам малень­ких магнитных частиц, например форме петли гистерезиса. Однако у такой теории есть и свои ограничения. Она переоценивает величину коэрцитив­ного поля, так как в ней возможен только один способ переориентации. Магнитная энергия частиц в модели является функцией коллективной ориентации спинов магнитных ато­мов, составляющих частицу, и внеш­него магнитного поля. В описанной модели принимается простейшая (ли­нейная) зависимость магнитной энер­гии частиц от их объема. Однако, когда размер частиц приближается к 6 нм, большинство атомов находится на поверхности. Это означает, что они могут иметь магнитные свойства, сильно отличающиеся от параметров

больших частиц. Показано, что обра­ботка поверхности наночастиц α-железа длиной 600 нм и шириной 100 нм раз­личными химическими веществами приводит к изменению коэрцитивной силы до 50%, что подчеркивает важную роль поверхности наноразмерных магнитных частиц в формировании магнитных свойств зерна. Таким образом, динамичес­кое поведение очень малых магнитных частиц несколько более сложно, чем следует из рассмотренной модели Стоуна-Вольфарта, и остается предметом ис­следований.