فقط ۵۰ درجه سانتیگراد تعیین میکند که آیا یک فیلم مغناطیسی فوق نازک صاف میماند یا از هم میپاشد
فقط ۵۰ درجه سانتیگراد تعیین میکند که آیا یک فیلم مغناطیسی فوق نازک صاف میماند یا از هم میپاشد
فناوریهای ذخیرهسازی مغناطیسی که اطلاعات را در جهت مغناطیسی کردن ذخیره میکنند، نقش اساسی در ذخیرهسازی دادههای مدرن دارند. هارد دیسکها (HDD) به طور گسترده برای ذخیرهسازی طولانی مدت استفاده میشوند، در حالی که حافظه دسترسی تصادفی مغناطیسی غیرفرار (MRAM) به عنوان جایگزینی امیدوارکننده برای حافظه فلش در حال ظهور است.
این دستگاهها بر پایه لایههای نازک آلیاژ مغناطیسی اپیتاکسیال هستند که در آنها دو گونه اتمی در لایههای متناوب در امتداد یک جهت کریستالوگرافی واحد چیده شدهاند. این ساختار یک انرژی ناهمسانگردی مغناطیسی-بلوری (MAE) بزرگ ایجاد میکند که حالت مغناطیسی را پایدارتر کرده و از واژگونی تصادفی ذرههای ذخیره شده جلوگیری میکند.
هرچه آرایش اتمی که با درجه نظم L10 اندازهگیری میشود منظمتر باشد، MAE و پایداری حرارتی هر ذره مغناطیسی بیشتر است.
با این حال، تولید لایههایی با درجه بالایی از نظم L10 و سطح مسطح اتمی همچنان یک چالش بزرگ است. گرمایش در دمای بالا، نظم اتمی را بهبود میبخشد، اما با بزرگتر شدن دانهها، لایه را ناهموارتر نیز میکند.
در مطالعهای که به صورت آنلاین در مجله آلیاژها و ترکیبات در دسترس قرار گرفت، محققان دانشگاه تویاما در ژاپن بررسی کردند که چگونه لایههای نازک L10-FePd با ضخامت 5 نانومتر در طی یک فرآیند گرمایش دو مرحلهای تکامل مییابند.
این مطالعه توسط پروفسور هیروشی ناگانوما از دانشگاه تویاما رهبری شد.
لایههای نازک L10-FePd به ویژه برای MRAM امیدوارکننده هستند، زیرا میرایی مغناطیسی پایین آنها اجازه میدهد تا مغناطیسی کردن آنها با استفاده از انرژی بسیار کمی تغییر کند.
گرمایش در دو مرحله
برخلاف روشهای مرسوم، فرآیند گرمایش دو مرحلهای از قرار گرفتن فیلم در معرض دمای بالا در طول رشد آن جلوگیری میکند.
نکته مهم این است که این تیم همچنین نقش یک پدیده نانومقیاس معروف به رطوبتزدایی حالت جامد (SSD) را بررسی کرد، که در آن اتمها در طول گرمایش در سراسر فیلمهای فوق نازک پخش میشوند و باعث میشوند که اگر انرژی آزاد سطح آن بسیار بیشتر از زیرلایه زیرین باشد، فیلم پیوسته به سوراخها یا جزایر جدا شده شکسته شود.
ناگانوما میگوید: "اگرچه SSD در فیلمهای نازک بارزتر است، اما هیچ گزارشی در مورد تأثیر SSD بر فرآیند گرمایش دو مرحلهای برای فیلمهای اپیتاکسیال آلیاژ L10-FePd با ضخامت کمتر از 5 نانومتر وجود ندارد."
محققان این فیلمها را با استفاده ازپوششدهی مگنترون فرکانس رادیویی ساختند. آنها ابتدا اتمهای Fe و Pd را روی یک زیرلایه تیتانات استرانسیوم در دمای نسبتاً پایین رسوب دادند. در این شرایط، اتمها نزدیک به جایی که ابتدا فرود آمده بودند، باقی ماندند و به فیلم اجازه دادند تا به آرامی لایه به لایه رشد کند.
پس از خنک کردن نمونه تا دمای اتاق، محققان آن را تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد (۱۱۱۲ درجه فارنهایت) گرم کردند. این مرحله دوم گرمایش، انرژی کافی را برای اتمهای آهن و پالادیوم فراهم کرد تا به ساختار کریستالی بسیار منظم L10 بازآرایی شوند.
نقطه عطف ۵۰ درجهای
محققان دریافتند که تغییر دمای گرمایش اول تنها به میزان ۵۰ درجه سانتیگراد، به شدت بر نحوه تکامل فیلم در طول مرحله دوم آنیل تأثیر میگذارد.
در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد (۳۰۲ درجه فارنهایت)، فیلم صاف و پیوسته باقی ماند و لایه به لایه در حالتی که به عنوان حالت رشد فرانک-وان در مرو شناخته میشود، رشد کرد.
در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد (۳۹۲ درجه فارنهایت)، انتشار اتمی برای شروع SSD کافی بود و به فیلم اجازه میداد تا به ترتیب تقریباً کامل L10 دست یابد و در عین حال سوراخهای مربعی تشکیل دهد که به داخل زیرلایه نفوذ میکنند.
در دمای ۳۰۰ درجه سانتیگراد (۵۷۲ درجه فارنهایت)، فیلم به مورفولوژی ناهموار و جزیرهای تبدیل شد.
محاسبات اصول اولیه نشان داد که SSD توسط اختلاف انرژی آزاد سطحی بین فیلم و زیرلایه هدایت میشود، اما تنها زمانی شروع میشود که نقصهای ایجاد شده در طول مرحله اول گرمایش، فرآیند را آغاز کنند.
مسیرهای مختلف برای دستگاههای ذخیرهسازی
یافتهها نشان میدهد که کنترل دمای گرمایش اول، راهی ساده برای تنظیم ساختار و خواص مغناطیسی فیلمهای بسیار نازک FePd فراهم میکند.
برای مثال، محققان اظهار میکنند که لایههای نازک رشد یافته در دمای ۱۵۰ درجه سانتیگراد (۳۰۲ درجه فارنهایت) به دلیل سطح صاف و ناهمسانگردی مغناطیسی عمودی قوی، برای MRAM مناسبترین هستند.
در مقابل، SSD کنترلشده مشاهدهشده در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد (۳۹۲ درجه فارنهایت) میتواند ساختارهای مغناطیسی خودسازمانیافته را برای دستگاههای ذخیرهسازی با چگالی بالا نسل بعدی امکانپذیر کند.
این استراتژی میتواند به توسعه مواد ضبط مغناطیسی فوقالعاده کممصرف برای HDDها و MRAMهای آینده کمک کند و چگالی ذخیرهسازی را افزایش داده و در عین حال مصرف انرژی را کاهش دهد.
ناگانوما میگوید: "این یافتهها یک طرح استراتژیک برای بهرهبرداری از ناپایداریهای ترمودینامیکی در مقیاس نانو بر اساس فرآیند گرمایش دو مرحلهای ارائه میدهند تا مسیرهای جدیدی را برای مهندسی ناهمسانگردی مغناطیسی و نانوساختارها در دستگاههای اسپینترونیک ارائه دهند."
تاریخ:1405/5/25
مهسا نعمتی
