Hochgeordnete ferromagnetische Nano-Stabensembles - elektrochemische Herstellung und magnetische Charakterisierung

Abstract

In dieser Doktorarbeit wurde die Anwendungsmöglichkeiten von Nanostab-Ensembles aus Nickel, Kobalt und Permalloy als Speichermedium mit senkrechter Magnetisierungsrichtung und höheren Speicherdichten als die vorgesagten superparamagnetischen Grenze (>70 Gbit/in2) untersucht. Als Formstruktur wurden hochgeordnete, bienenwabenförmige Al2O3-Membranstrukturen zur Herstellung der magnetischen Stabensembles mit periodischen Abständen von 65 nm und 100 nm und Stabdurchmessern von 25 bis 55 nm verwendet. Aufgrund von Selbstorganisation sind die Nanostäbe hexagonal in 2D-Gittern quasi polykristallin angeordnet, wobei die Größe solcher 2D-Gitterdomänen > 10x Gitterabstand beträgt. Erstmalig ist eine vollständige Füllung der Membranstrukturen mittels eines neuartigen gepulsten elektrochemischen Abscheideverfahrens gelungen. Bei den Kobalt-Nanostäben dominiert die magnetokristalline Anistropie die gesamten magnetischen Probeneigenschaften, daher sind diese Stäbe nicht zur magnetischen Datenspeicherung geeignet. Dagegen sind Nickel-Nanostäbe nahezu eindomänig magnetisiert und ihre Kristallstruktur hat einen verschwindend geringen Einfluß auf die magnetischen Eigenschaften. Für die Ni-Nanostrukturen wurde entlang der Stabachsen Koerzivitäten von 1200 Oe und 100% Remanenz gemessen. Im Detail wurden diese Nanostab-Ensembles mit dem magnetischen Rasterkraftmikroskop (MFM) untersucht und die dipolaren Wechselwirkungen zwischen den Magnetstäben wurden analysiert. Erfolgreich konnte die Magnetisierung einzelner Nickelstäbe durch ein variables Magnetfeld und eine starke MFM-Spitze lokal manipuliert werden. Die MFM-Resultate zeigen eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Hysteresen und magnetischen Simulationen.

In this work the potential application of ferromagnetic nanowire arrays of nickel, cobalt and permalloy for perpendicular magnetic storage media with areal denities beyond the predicted superparamagnetic limit (>70 Gbit/in2) is analyzed. Highly ordered alumina pore channel arrays are used as templates for the fabrication of ferromagnetic nanowire arrays with a periodic interpore distance of 65 and 100 nm and nanowire diameters betweem 25 and 55 nm. Due to self-organization, the pore channels are hexagonally arranged in 2D-domains, which extend over more than ten interpore distances. For the first time, nearly 100% metal filling of alumina pore structures has been obtained by a novel pulsed electrodeposition technique. For the cobalt nanowires the magneto-crystalline anisotropy affects very strongly the total anisotropy of the nanowire array. Therefore, cobalt is not a suitable candidate for this type of perpendicular storage media. Whereas, the nickel nanowire exhibits a nearly single-domain behavior and the influence of the magneto-crystalline anisotropy can be neglected. For the nickel samples coercive fields of up to 1200 Oe and a squareness of ~100 % was detected in the direction of the nanowires axis. In detail, the Ni nanowire arrays have been measured by magnetic force microscopy (MFM) and the interactions of the dipolar field inside the magnetic arrays are discussed. Single magnetic wires have been locally switched by a strong MFM tip and a variable external magnetic field. The MFM results show a good agreement with the magnetic hysteresis loops and magnetic simulations.