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Dokumentenidentifikation DE60031181T2 23.08.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001437746
Titel Nanomagnetische Materialien
Anmelder Cambridge University Technical Services Ltd., Cambridge, GB
Erfinder Cowburn, Russell, Durham, GB;
Welland, Mark, Cambridge, GB
Vertreter Hoefer & Partner, 81545 München
DE-Aktenzeichen 60031181
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.04.2000
EP-Aktenzeichen 040060477
EP-Offenlegungsdatum 14.07.2004
EP date of grant 04.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse H01F 1/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01R 33/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H03K 19/168(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung bezieht sich auf magnetische Materialien und insbesondere auf die Anwendung der Rotationssymmetrie, um die magnetischen Eigenschaften der Materialien passend zu machen.

Das Informationsvolumen, das auf einer Computerfestplatte gespeichert werden kann, ist in den letzten 40 Jahren um den Faktor 107 angestiegen und es sieht so aus, dass man sich auf das kontinuierliche Ansteigen in exponentiellen Raten in den kommenden Dekaden einzustellen hat. Die heutigen üblichen magnetischen Materialien können die nachgefragten Leistungsanforderungen der zukünftigen magnetischen Datenspeicherungsindustrie nicht erfüllen. Eine Option, die gegenwärtig betrachtet wird, ist eine Synergie aus Nanotechnologie und Quantenmechanik, um magnetische Partikel im nanometrischen Skalenbereich, Nanomagneten genannt, herzustellen. Aufgrund ihrer extremen kleinen Größe besitzen diese sehr unterschiedliche magnetische Eigenschaften in ihrem Ausgangs-Grundstoff. Der Nanomagnet ist analog einem Riesenatom eines künstlichen Elements, wobei neue magnetische Materialien das Aufbauen des Riesenatoms durch ein Riesenatom ermöglichen. Das schnell wachsende Anwendungsgebiet des Nanomagnetismus kann unter anderem fortgeschrittene Ablösungen für Festplattenmedien und eine neue Generation von Hochgeschwindigkeits-, Niedrigenergie-, nicht flüchtigen Computer-Speicherchips vorsehen.

Die bedeutendste Eigenschaft eines natürlich auftretenden magnetischen Elements oder Legierung ist die Anisotropie. Diese bezieht sich auf das Vorhandensein von bevorzugten Magnetisierungsrichtungen innerhalb des Materials und ist letztendlich verantwortlich für das Bestimmen der Art, in der sich ein magnetisches Material verhält und die technologischen Anwendungen, für die es geeignet ist. In einem üblichen magnetischen Material ergibt sich die Anisotropie aus der Form und Symmetrie der elektronischen Femtometer-Oberfläche und wird so eigentlich zum besonderen Element oder der Legierung und kann leicht passend gemacht werden. Jedoch hängt in Nanomagneten die Anisotropie nicht nur von der Bandstruktur des Ausgangsstoffes ab, sondern auch von der Form des Nanomagneten. Eines der zugkräftigsten Merkmale der künstlichen magnetischen Materialien ist das, dass ihre magnetischen Eigenschaften durch die Wahl der Form der Nanomagnetbestandteile technisch ausgeführt werden können.

Sowohl die EP-A-0 867 728 und die US-A-5 714 536 offenbaren magnetische Widerstands-Wirkungssensoren.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Sensorelement mit einem Sensorelement mit Nanomagneten geschaffen, die eine geometrische Drehsymmetrie um eine ausgewählte Achse herum aufweisen, so dass sie superparamagnetisch sind und im Wesentlichen eine Null-Hysterese aufweisen, so dass eine Magnetisierung der Nanomagneten nur vom gegenwärtigen Wert des angewendeten Tätigkeitsgebietes und nicht von der Tätigkeitshistorie abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanomagneten Drehsymmetrien der 3. oder 5. Ordnung aufweisen.

Die Vorrichtungen der Erfindung sind künstliche magnetische Materialien, die auf der Oberfläche eines Substrates, wie z.B. einem Siliziumteil, unter Verwendung einer Technik, wie z.B. die elektronische Strahllithografie, ausgebildet werden. Die Vorrichtungen können in einer Größenordnung von 40 bis 500 nm und im Dickenbereich von 3 bis 10 nm liegen und können dreieckige oder fünfeckige Geometrien aufweisen, die jeweils den Drehsymmetrien der dritten und fünften Ordnung entsprechen. Die Ordnung kann jedoch größer sein. Der Ausgangsstoff kann Supermalloy (Ni80Fe14Mo5) sein, das aus zwei Gründen ausgewählt wird. Erstens, diese Legierung ist spezifisch fast isotrop und so eine Anisotropie in den Nanomagneten muss von ihrer Form herrühren. Zweitens, Supermalloy und sein molybdänfreies verwandtes Permalloy sind zwei der allgegenwärtigen softmagnetischen Legierungen der Industrie und Forschung und als solche ergeben sie eine effektive Demonstration der neuen und verschiedenen Eigenschaften, die durch die nanometrische Struktur zu einem einfachen Material tendieren können. Wie nachstehend beschrieben, können künstliche magnetische Materialien mit einem enorm großen Bereich von magnetischen Eigenschaften einfach durch Verändern der Symmetrie der Nanomagnetbestandteile hergestellt werden.

Beispiele bezüglich der vorliegenden Erfindung werden nun bezüglich der beigefügten Zeichnung beschrieben. Darin zeigt:

1 Rasterelektronenmikroskopische Gefügeaufnahmen von einigen der künstlichen magnetischen Materialien;

2 Hystereseschleifen für Nanomagneten von unterschiedlicher Größe, Dicke und geometrischer Form;

3 eine Hystereseschleife für einen superparamagnetischen dreieckigen Nanomagneten;

4 experimentell gemessene Koerzitivfeldstärken als Funktion der Nanomagnetgröße;

5 das experimentell gemessene Anisotropiefeld innerhalb verschiedener Nanomagneten;

6 die dominante Anisotropiegröße von 5, dargestellt als ein Anisotropiefeld (A) und als Anisotropieenergie pro Nanomagneten (B) für unterschiedliche Nanomagneten;

7 die Empfindlichkeit als eine Funktion der Nanomagnetgröße und Symmetrie; und

8 eine schematische Anordnung eines superparamagnetischen Nanomagneten bei Verwendung als Magnetfeldsensor oder Logikelement.

In den 2 bis 6 wird der folgende Korrekturfaktor verwendet: 1 Oe = 80 A/m.

Ein Standardstart auf der Basis des elektronischen Strahllithografieablaufes kann ausgeführt werden, um Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden. Das Probesubstrat wurde als ein Kristallsilizium ausgerichtet. Der Abstand zwischen jedem Nanomagneten war zumindest immer gleich dem Durchmesser des Nanomagneten, und für die kleinsten Anordnungen dreimal größer als der Durchmesser. Die Oberflächenrauheit der Nanomagneten war kleiner als 0,5 nm und die Mikrostruktur stellt zufällig ausgerichtete Fasern von 5 nm dar. Die Oberseite von jedem Nanomagneten wurde mit einer 5 nm dicken Goldschicht bedeckt, um die Oxidation zu verhindern. Die Integrität der geometrischen Form wurde gefunden, indem sie in den Strukturen, die in der Größe kleiner als 50 nm sind, beibehalten sind. 1 stellt die rasterelektronenmikroskopischen Bilder von einigen der Strukturen dar.

Um die magnetischen Eigenschaften dieser unterschiedlichen künstlichen Materialien zu bestimmen, werden deren Hystereseschleifen (M-H-Schleifen) unter Verwendung eines bekannten Hochempfindlichkeits-magnetooptischen Verfahrens gemessen. Die Siliziumfläche kann unter einem optischen Mikroskop betrachtet werden, während ein Laserpunkt (Größe ~5 &mgr;m) über die Fläche bewegt wird, bis er auf der Spitze eines der Ausschnitte des künstlichen Materials konzentriert wird. Der reflektierte Laserstrahl wird hinsichtlich der Polarisation analysiert, um auf den longitudinalen Kerr-Effekt zuzugreifen, der als Untersuchung der Komponente der Magnetisierung dient, die in der optischen Einfallsebene liegt. Diese Magnetisierung wird danach aufgezeichnet, während ein 27 Hz-alternierendes Magnetfeld von einer Feldstärke bis zu 1000 Oe in der Ebene der Probe angewendet wird. Alle Messungen werden bei Raumtemperatur durchgeführt.

Die 2 und 3 stellen einige der Hystereseschleifen dar, die von Nanomagneten mit unterschiedlicher Größe, Dicke und geometrischer Form gemessen wurden. Man sieht sofort, dass die Schleifen sehr unterschiedlich voneinander sind und dass sie aus konventionellem unstrukturierten Material erhalten wurden. Die Veränderung der technologischen Anwendungen, die durch die Proben abgedeckt sind, die in dieser Figur dargestellt sind, ist beträchtlich. Die bekannten kleinen, in 2B dargestellten Rechtecke könnten für das Herstellen einer künstlichen Ablösung für das Festplattenmedium geeignet sein: Die hier verwendeten Nanomagneten könnten im Prinzip Datenspeicherdichten größer als 15,5 GBit/cm2 (100 GBit/inch2) erreichen, d.h. 10 Mal größer als die heutigen konventionellen Medien des Stands der Technik. Die bekannten größeren Rechtecke in 2D würden sich gut für den magnetischen Direktzugriffsspeicher (MRAM) eignen, eine neu entstehende Ablösung für Halbleiterspeicher: Ein Speicherchip, der magnetische Elemente dieser Größe verwendet, könnte 1 GBit des nicht flüchtigen Schnellspeichers aufweisen. Das Überraschende ist, dass ein großer Bereich der magnetischen Eigenschaften durch die Dreieck- und Fünfeck-Nanomagneten erklärt wird. Die Dreiecke in 2E, die eine hohe Remanenz und eine geringe Koerzitivfeldstärke aufweisen, könnten als Speicherelement eingesetzt werden, während die Fünfecke von 2F und die superparamagnetischen Dreiecke von 3 einen ausgezeichneten Hochempfindlichkeits-Magnetfeldsensor oder Festplatten-Lesekopf mit einer effektiven relativen Permeabilität von 3000 und einer Null-Hysterese ergeben. Diese diversen Anwendungen sind ein direktes Ergebnis der Veränderung der Größe, Dicke und, am bedeutendsten, der Symmetrie der Nanomagneten, die das künstliche Material bilden.

Um diesen bedeutenden Effekt zu quantifizieren, wird die Koerzitivfeldstärke von den Hystereseschleifen als eine Funktion von Größe, Dicke und Symmetrieordnung der Nanomagneten gemessen. Die Koerzitivfeldstärke ist eine Messung des verwendeten Feldes, das notwendig ist, um die Magnetisierung auf Null zu reduzieren (d.h. die Hystereschleifen weisen eine mittige Breite zweimal so groß wie die Koerzitivfeldstärke auf) und als solches ist es eine Messung dafür, wie leicht ein externes Feld die Magnetisierungsrichtung eines Nanomagneten umkehren kann. Dies ist ein Hauptparameter beim Bewerten der Eignung eines festgelegten magnetischen Materials für die technologischen Anwendungen. 4 stellt die Resultate dar, um die unterschiedlichen Geometrien vergleichen zu können, wobei die Größe der Nanomagneten durch die Quadratwurzel ihres Bereichs ausgedrückt wird. Die Wiederholbarkeit von bestimmten dieser experimentellen Ergebnisse wird durch einen zweiten Satz von Proben bestätigt.

Das erste offensichtliche Merkmal aus den Daten von 4 sind die zweifachen und vierfachen Symmetrien einer Verhaltensklasse, während die Dreifach- und Fünffachsymmetrien eine weitere Klasse darstellen: 2-/4-fache Nanomagneten stellen hohe Koerzitivfeldstärken dar, die zuerst mit abnehmender Skalenlänge ansteigen; 3-/5-fache Nanomagneten stellen niedrige Koerzitivfeldstärken dar, die mit abnehmender Skalenlänge auf Null fallen. Die zweite Beobachtung, die über 4 gemacht werden kann, ist die, dass in allen Fällen die Zunahme der Dicke zu einem starken Anstieg bei der Koerzitivfeldstärke führt, was bei unstrukturierten magnetischen Filmen nicht der Fall ist.

Das Verhalten der zweifachen Nanomagneten ist sehr geradlinig und wird infolge eines wohlverstandenen Phänomens Form-Anisotropie genannt. Die Magnetisierung zieht die „Stromlinienform" mit der längsten Achse des Nanomagneten vor, um den Oberflächenbereich der Polflächen zu minimieren. Das Feld, das diesen Effekt antreibt, ist das Entmagnetisierungsfeld, das zwischen den beiden Polflächen zum Inneren des Magneten hindurchgeht. Das Entmagnetisierungsfeld legt den Maßstab ungefähr mit dem Verhältnis t/a fest, wobei t die Dicke des Nanomagneten und a seine Größe ist und wie man aus 4A sieht, steigt die Koerzitivfeldstärke mit abnehmender Größe an.

Die Effekte der 3-, 4- und 5-fachen Symmetrien sind im Gegensatz dazu nicht so leicht zu verstehen. Das kommt daher, weil das Entmagnetisierungsfeld mit irgendeiner Struktur durch einen zweitrangigen kartesischen Tensor beschrieben wird und somit kann nur die einachsige (zweifache) Symmetrie ausgewiesen werden. Daher gibt es keine Form-Anisotropie, die zumindest im konventionellen Sinne in der Ebene dieser Symmetriestrukturen von höherer Ordnung vorhanden ist. Trotzdem erfahren die Quadratnanomagneten deutlich eine halbwegs kräftige Behinderung, um die Richtung der Magnetisierung zu ändern und daher muss etwas Anisotropie vorhanden sein. Die Tatsache, dass diese Anisotropie in dreieckigen Magneten deutlich schwächer ist, zeigt, dass sie noch mit der Form des Nanomagneten verbunden ist, obwohl es keine klassische Form-Anisotropie ist.

Es gibt ein früher entdecktes Merkmal bei Quadratnanomagneten, die strukturmäßige Anisotropie genannt wird. Dies kommt wegen der sehr kleinen Abweichungen von der gleichmäßigen Magnetisierung zustande, die in fast allen Nanomagneten auftritt. Bis heute ist noch nicht verdeutlicht worden, für welches Ausmaß diese neue Anisotropie beim Definieren der magnetischen Eigenschaften der Nanomagneten wichtig ist. Um die Hypothese zu prüfen, dass das veränderte Verhalten, das man in den 2 bis 4 sieht, wegen der strukturmäßigen Anisotropie erfolgt, wird eine direkte Messung der Anisotropie in den Nanomagneten unter Verwendung einer Technik, die Modulationsfeldmagnetooptische Anisometrie genannt wird, ausgeführt. Ein kräftiges elektrostatisches Magnetfeld H = 28 hA/m (= 350 Oe) wird in der Ebene der Nanomagneten und ein schwächeres oszillierendes Feld Ht (1,12 hA/m (14 Oe) Amplitude) wird in der Ebene der Nanomagneten, senkrecht zu H, angewendet. Die Amplitude der resultierenden Oszillation der Magnetisierung wird durch dieselbe verwendete magnetooptische Technik aufgenommen, um die Hystereschleifen der 2 und 3 zu erhalten und wird direkt auf die Amplitude und die Symmetrie von irgendeiner vorhandenen Anisotropie im Nanomagneten bezogen. Die Anisotropie für dreieckige, quadratische und fünfeckige Nanomagneten in der Größenordnung von 50 bis 500 nm bei einer Dicke von 5 nm ist experimentell gemessen worden und die Ergebnisse sind in 5 dargestellt. In diesen Polardiagrammen gibt der Winkel die Richtung &PHgr; auf gleicher Ebene innerhalb des Nanomagneten, der Radius den Radius des Nanomagneten in dieser Richtung und die Farbe die experimentell gemessene Quantität

für einen Nanomagneten von dieser Größe an, wobei M3 die Sättigungsmagnetisierung 800 kA/m (800 emu cm–3) und E (&PHgr;) die durchschnittliche magnetische Energiedichte des Nanomagneten ist, wenn in Richtung &PHgr; magnetisiert wird. Obwohl Ha nicht die übliche Definition des Anisotropiefeldes ist, kann dargestellt werden, dass beliebige Oszillationen in Ha dieselbe Symmetrieordnung wie die eigentliche Anisotropie aufweist und eine Amplitude gleich der Magnitude des Anisotropiefeldes ist. 5 stellt die experimentellen Daten von 22 verschiedenen Proben des künstlichen magnetischen Materials (8 Dreiecksgrößen, 8 Quadratgrößen und 6 fünfeckige Größen) dar, jedes in entweder 19 oder 37 unterschiedlichen Richtungen &PHgr; gemessen (0–180° in 10°-Schritten für Dreiecke und Quadrate, 0–180° in 5°-Schritten für Fünfecke), wodurch sich eine Summe von 526 Messungen ergibt.

Es ist aus 5 sofort ersichtlich, dass es starke anisotrope Felder gibt, die in all den untersuchten Nanomagneten vorhanden sind. Die dreieckigen Nanomagneten weisen die Anisotropie mit sechsfacher Symmetrie auf, die quadratischen Nanomagneten stellen eine vierfache symmetrische Anisotropie und die fünfeckigen Nanomagneten eine bemerkenswerte zehnfache Anisotropie auf. Die Frequenzverdoppelung tritt in den dreieckigen und fünfeckigen auf, weil die Energie immer quadratisch in der Magnetisierung ist und so können ungerade Symmetrieordnungen nicht unterstützt werden.

Die Fourier-Analyse wurde auf die Diagramme von 5 angewendet, um das Ausmaß der Anisotopiefelder als eine Funktion der Nanomagnetgröße und -symmetrie zu erhalten und die Ergebnisse in zwei unterschiedlichen Formen in 6 darzustellen. In 6A sind die Anisotropiefelder direkt aufgetragen, während in 6B die Anisotropieenergie eines einzelnen Nanomagneten (in Einheiten von kT, wobei k die Boltzmannkonstante und T = 298K ist) unter Verwendung des theoretischen Verhältnisses Ua = 2MsHaV/n2 aufgetragen ist. In dieser Gleichung ist Ua die Anisotropieenergie eines einzelnen Nanomagneten (in ergs, 1 erg = 10–7), Ha das Anisotropiefeld (in Oe; 1 Oe = 1000/4&pgr;·A/m), n die Symmetrieordnung der Anisotropie (4 für Quadrate, 6 für Dreiecke, 10 für Fünfecke) und V das Volumen (in cm3) des Nanomagneten. Ein bedeutendes Element beim Verständnis des Einflusses der Symmetrieordnung auf die magnetischen Eigenschaften wird durch den n2-Ausdruck in dieser Gleichung vorgesehen. Das heißt, dass, obwohl alle Geometrien ungefähr ähnliche Anisotropiefelder in 6A darstellen, sie sehr unterschiedliche Anisotropieenergien in 6B darstellen.

Die Anisotropieenergie ist wegen eines Superparamagnetismus genannten Phänomens besonders interessant, der der Vorgang ist, bei dem anisotropische Energiegrenzen durch die kT-thermischen Energieschwankungen im nanometrischen Skalenbereich der Magneten überwunden werden können. Als ein ungefährer Richtwert kann eine Grenze auf der Zeitskala der Messungen überwunden werden, sobald er kleiner als 10 kT hoch ist. Das heißt, dass man erwarten würde, sobald die Anisotropieenergie kleiner als 10 kT ist, die Koerzitivfeldstärke sehr schnell auf Null fällt. Gemäß der 6B sollte dieses eintreten, sobald die Elementgröße kleiner als ungefähr 150 nm ist, wobei die Quadrate die letzten sind, die absinken, wenn die Größe reduziert wird. Sobald umgekehrt die Anisotropieenergie größer als 10 kT ist, sollte die Koerzitivfeldstärke ungefähr dem Anisotropiefeld folgen. Dieses erklärt die Differenz im Verhalten, das man in 4 zwischen den Quadraten auf der einen Seite und den Dreiecken und Fünfecken auf der anderen Seite feststellt. Das Anisotropiefeld der Quadrate (6A) stellt einen Scheitelpunkt dar, wenn die Elementgröße reduziert wird, und dieser Scheitelpunkt wird direkt in den Quadratdaten der Koerzitivfeldstärke reflektiert (4C). Das Fünfeck-Anisotropiefeld stellt keinen Scheitelpunkt dar, und dieses wird ebenfalls direkt in den Koerzitivfeldstärkedaten (4D) reflektiert, obwohl das Absinken auf Null bei einer etwas größeren Größe bei den Koerzitivfeldstärkedaten als im Anisotropiefeld wegen der thermischen Aktivierung auftritt. Schließlich stellt das Dreieck-Anisotropiefeld einen Scheitelpunkt genauso wie das Quadrat dar, aber weil die Anisotropieenergien im Dreieck geringer sind, setzt die thermische Aktivierung bei einer größeren Größe ein und verhindert, dass der Scheitelpunkt in den Koerzitivfeldstärkedaten erkannt wird (4B). Somit können die experimentell bestimmten Koerzitivfeldstärkedaten eine Folge aus einer Kombination von strukturmäßiger Anisotropie und thermischer Aktivierung sein.

Hohe Remanenzmaterialien, die die finite Koerzitivfeldstärke (und dadurch eine Speicherfunktion) besitzen, sind nicht die einzigen technologisch bedeutenden magnetischen Materialien. Gleichbedeutend sind die Null-Remanenz, Null-Koerzitivfeldstärkematerialien, die Anwendung in magnetischen Sensoren und Logikelementen finden, und in diesem Fall ist es die Empfindlichkeit &kgr;, die der Hauptparameter ist. &kgr; ist definiert als 4&pgr;&dgr;M/&dgr;H, wobei M die Magnetisierung eines Nanomagneten und H das angewandte Magnetfeld ist. &kgr; ist somit direkt proportional zur Null-Feldsteigung der Hystereseschleifen, wie die in 2F dargestellte. Es wurde &kgr; unter Verwendung eines magnetooptischen Experiments (bei einer Frequenz von 27 Hz) als eine Funktion der Nanomagnetgröße und -symmetrie bei einer konstanten Dicke von 3,7 ± 0,5 nm ausgeführt und die Ergebnisse sind in 7 dargestellt. &kgr; ist nur aussagekräftig, wenn die Koerzitivfeldstärke Null ist und so hat man sich auf diesen Fall beschränkt. Zum Vergleich ist in dieser Figur auch die theoretische, von der Langevin-Funktion abgeleitete Empfindlichkeit aufgezeichnet. Diese ist ein statistisches thermodynamisches Konzept, das auf einen einzelnen Riesenspin im freien Raum angewendet würde. Drei Beobachtungen können aus 7 gemacht werden. Erstens, die experimentell bestimmten Empfindlichkeiten der kleinsten Nanomagneten sind alle sehr nah zum freien Raum des Langevin-Modells, obwohl keine Fitting-Parameter verwendet wurden, was sich darin zeigt, dass das experimentelle System besser zu steuern/regeln ist. Zweitens, die Abweichungen vom Langevin-Modell sind am größten für die quadratischen Symmetrie-Nanomagneten. Dieses ist mit denjenigen, die die stärkste strukturmäßige Anisotropieenergie besitzen, übereinstimmend, d.h., dass der Riesenspin, der einen Quadratnanomagneten enthält, am wenigsten wie ein Riesenspin im freien Raum aussieht.

Es ist die strukturmäßige Anisotropie, die eventuell all die Symmetrien bewirkt, um vom Langevin-Modell mit zunehmender Größe abzufallen. Drittens, die hier gemessenen Empfindlichkeiten sind im Ausmaß zwei Ordnungen größer als wenn sie von magnetischen Partikeln derselben Form und Längenverhältnis erhalten würden, aber sich auf einer größeren als der nanometrischen Skalenlänge ergeben (d.h. Mikrometer und Obiges als Verwendung der konventionellsten Magnetfeldsensoren). Im letzteren Fall rührt die Empfindlichkeit von der Bewegung der Blochwände gegen die inneren Demagnetisierungsfelder, die sehr stark sein können, her. Die eindeutige Aufgabe der nanometrischen Skalenanordnung ist somit deutlich dargelegt.

4 und 5 stellen sehr gut die Art dar, bei dem die nanometrische Struktur wirklich die Herstellung der neuen magnetischen Materialien nachbildet. Supermalloy wächst mit der f.c.c.-(Kugelflächen-zentrierten) Kristallographie, die sich üblicherweise aus zwei- oder vierfacher Anisotropie ergibt. Trotzdem stellt 5A die sechsfache Symmetrie dar, die üblicherweise für Materialien mit h.c.p.-(hexagonal dichteste Kugelpackung-) Kristallographie vorbehalten ist. In diesem Fall kann die Symmetrie der nanomagnetischen Form (Dreieck) verwendet werden, um eine Änderung in der Kristallographiephase nachzubilden. Ähnlich würden die relativ hohen Koerzitivfeldstärken der quadratischen und rechteckigen Nanomagneten (4A und 4C) üblicherweise nur in magnetischen Materialien mit einer hohen Anisotropie und einer schwach verkoppelten Mikrostruktur gefunden. In diesem Fall bildet eine sorgfältige Auswahl der nanomagnetischen Symmetrie eine Änderung im Element und eine Änderung in der Mikrostruktur nach. Schließlich schreibt die elementare Kristallographie vor, dass ein kristallines Gitter keine zehnfache Symmetrie besitzen kann und so sollte man nicht erwarten, ein natürlich auftretendes kristallines Element oder Legierung mit einer zehnfachen magnetischen Anisotropie zu finden. 5C stellt jedoch dar, dass es gelungen ist, eine künstlich verwendete Nanostruktur zu erzeugen. In diesem Fall wird die nanometrische Form verwendet, um einem kristallinen Material eine Eigenschaft zu geben, die üblicherweise Quasikristallen vorbehalten ist.

Das Schema von 8 stellt eine mögliche Anordnung unter Verwendung eines superparamagnetischen Nanomagneten als Teil eines Sensors oder Logikelements dar. Ein dreischichtiges Drehventil 12 ist an beiden Seiten mit Anschlussleitungen 14 verbunden. Das Ventil 12 umfasst eine magnetische Bodenschicht 16, eine nichtmagnetische Abstandsschicht 18 und einen oder mehrere Nanomagneten 20 in einem superparamagnetischen Zustand als Oberschicht. Die Pfeile 22 zeigen den Stromdurchgang durch das Ventil 12 und der Pfeil 24 zeigt die Magnetisierung in der magnetischen Bodenschicht 16 an.

Schließlich wurde die Bedeutung der Symmetrie von der Form der Nanomagneten auf ihre magnetischen Eigenschaften bestimmt und auf praktische Anwendungen angewandt. Dabei spielt die Symmetrie eine entscheidende Rolle, die die zu steuernden/regelnden magnetischen Eigenschaften über einen sehr breiten Bereich ermöglicht. Es wurde dargestellt, dass der Haupteffekt, die Symmetrie mit den magnetischen Eigenschaften zu verbinden, strukturmäßig die Anisotropie ist. Diese sieht neue künstliche magnetische Materialien vor, bei denen die magnetischen Eigenschaften auf eine besondere Anwendung mit einem hohen Genauigkeitsgrad passend gemacht werden können.

Der erste neue Gedanke ist die Anwendung der strukturmäßigen Anisotropie über die Symmetrie des Elementes, um die magnetischen Eigenschaften passend zu machen. Bis heute haben Durchschnittsfachleute nur rechteckige, quadratische oder ringförmige Elemente betrachtet. Es wurde festgestellt, dass die strukturmäßige Anisotropie, die durch andere Formen wie z.B. Dreiecke, Fünfecke und Sechsecke erzeugt wurden, zum Steuern/Regeln der magnetischen Eigenschaften des Elements verwendet werden kann. Der zweite neue Gedanke ist die Verwendung des Superparamagnetismus in Nanostrukturen, um die Hysterese zu entfernen. In konventionellen Materialien führt der Superparamagnetismus zu sehr hohen Sättigungsfeldern, und als solcher findet er keine Anwendung bei magnetischen Sensoren. Es wird hier jedoch dargestellt, dass der Superparamagnetismus in Nanostrukturen zu sehr geringen Sättigungsfeldern führen kann (siehe 2F). An sich wäre das für ein Sensor- oder Logikelement sehr geeignet. Was jedoch noch interessanter sein könnte, ist die Tatsache, dass der Superparamagnetismus eine fast Null-Hysterese garantiert, die eine Voraussetzung für einen guten Sensor ist (siehe 3). Das größte Problem, dem die gegenwärtige Anwendung der Nanostrukturen als Sensoren gegenübersteht, ist die Tatsache, dass üblicherweise die Hysterese größer als die seitlichen Dimensionen der Vorrichtung wird.

Diese beiden Gedanken können durch Festlegen der strukturmäßigen Anisotropie auf einen niedrigen Wert durch die Auswahl einer geeigneten Form (dreieckig, fünfeckig oder ringförmig) kombiniert werden, die danach der Nanostruktur ermöglicht, superparamagnetisch zu werden, und daher als guter Sensor oder Logikelement wirkt.


Anspruch[de]
Sensorelement mit Nanomagneten, die eine geometrische Drehsymmetrie um eine Achse herum aufweisen, die ausgewählt sind, so dass sie superparamagnetisch sind und im Wesentlichen die Null-Hysterese ausweisen, so dass eine Magnetisierung der Nanomagneten nur vom gegenwärtigen Wert des angewendeten Feldes und nicht von der Feldhistorie abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanomagneten Drehsymmetrien in der dritten oder fünften Ordnung aufweisen. Sensorelement gemäß Anspruch 1, das aus einem künstlichen magnetischen Material gebildet wird, das auf der Oberfläche eines Substrats ausgebildet ist, wobei die Achse im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche ist. Sensorelement gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei es aus Supermalloy (Ni80Fe14Mo5) gebildet ist. Sensorelement gemäß einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei die Nanomagneten in einer Größenordnung von 40 bis 500 nm pro Seite und in einem Dickenbereich von 3 bis 10 nm liegen.






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