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Dokumentenidentifikation DE102006021940A1 22.11.2007
Titel Element, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Ellrich, Jens, 65203 Wiesbaden, DE;
Yong, Lei, 76133 Karlsruhe, DE;
Hahn, Horst, Prof.Dr., 64342 Seeheim-Jugenheim, DE
DE-Anmeldedatum 11.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006021940
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse B82B 1/00(2006.01)A, F, I, 20060511, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B82B 3/00(2006.01)A, L, I, 20060511, B, H, DE   H01L 43/00(2006.01)A, L, I, 20060511, B, H, DE   G11B 5/00(2006.01)A, L, I, 20060511, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Element aus einem Substrat, auf das eine Vielzahl von Nanozylindern aufgebracht ist, wobei jeder Nanozylinder mindenstens vier übereinander liegende Schichten aus 1 bis 10 Atomlagen aufweist. Diese Schichten bestehen abwechselnd aus Atomen M eines magnetischen Elements und Atomen X eines nicht-magnetischen Elements, wobei vorzugsweise für M = Fe, Co oder Ni und für X = Pd, Pt, Rh oder Au gewählt werden. Die Anzahl und Dicke der Schichten beeinflussen die magnetischen Eigenschaften der Nanozylinder.
Die Nanozylinder selbst besitzen vorzugsweise einen Durchmesser von 10 nm bis 100 nm, eine Höhe von 2 bis 500 nm und sind im Abstand von 10 nm bis 100 nm in Form einer kubischen oder hexagonalen Struktur auf dem Substrat angeordnet.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung des Elements und dessen Verwendung als magnetisches Speichermedium, als Schaltelement oder als Sensor.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Element, das ein Substrat, auf das eine Vielzahl von Nanozylindern aufgebracht sind, umfasst, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung als magnetisches Speichermedium, als Schaltelement oder als Sensor.

Dünne Legierungsfilme aus metallischen Komponenten auf geeigneten Substraten werden als magnetische Speichermedien, als Schaltelemente oder als Sensoren eingesetzt, wobei für Speicheranwendungen der Ausrichtung der magnetischen Momente relativ zur Schichtoberfläche eine dominierende Bedeutung zukommt.

Eine Verkleinerung der Bit-Speichergrösse kann durch die Verringerung des magnetischen Volumens, in dem die Information gespeichert wird, erzielt werden. Eine derartige Verringerung bewirkt jedoch zwangsweise ein Verlust in der thermischen Stabilität der gespeicherten Information (Superparamagnetisches Limit, thermische Anregung von Ummagnetisierungsvorgängen oberhalb einer charakteristischen Temperatur), wodurch die gegenwärtig erreichbare Speicherdichte begrenzt ist.

Durch Auswahl geeigneter Materialklassen und durch Strukturierungsmethoden lässt sich die Speicherdichte signifikant erhöhen. Hierzu ist es erforderlich, Systeme einzusetzen, die eine senkrechte magnetokristalline Anisotropie zeigen. Zur Zeit werden hierfür ternäre Materialkombinationen wie Co-Cr-Pt, die in aufwendigen Herstellungsverfahren eingebracht werden müssen und eine thermische Behandlung erfordern, eingesetzt.

Aus Yong Lei und Wai-Kin Chim, Shape and Size Control of Regularly Arrayed Nanodots Fabricated Using Ultrathin Alumina Masks, Chem. Mater. 2005, 17, S. 580-585, ist die Herstellung von hochgeordneten halbleitenden und metallischen Strukturen aus Nanoteilchen mit einstellbarer Größe und Form bekannt.

Diese Strukturen werden mittels nanoporösen Membranen aus Al2O3, die auch als ultradünne Aluminiummasken oder UTAMs bezeichnet werden, auf Si- und Si/SiO2-Substrate aufgebracht. Größe und Form der Strukturen lassen sich durch das Aspektverhältnis der Aperturen dieser Membranen sowie durch die Menge an Material einstellen. Mit diesem Verfahren konnten bisher geordnete Strukturen aus halbleitenden Nanopartikeln mit Größen bis zu 20 nm hergestellt werden.

M. Kröll, W.J. Blau, D. Grandjean, R.E. Benfield, F. Luis, P. M. Paulus und L.J. de Jongh beschreiben in Magnetic properties of ferromagnetic nanowires embedded in nanoporous alumina membranes, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 249 (2002) S. 241-245, Eisen-, Nickel- und Kobalt-Nanodrähte, die mittels nanoporösen Membranen aus Al2O3 hergestellt wurden. Diese ließen sich in Bezug auf Durchmesser (5-250 nm) und Länge (bis zu einigen Hundert Mikrometern) einstellen.

S. Kavita, V. R. Reddy, A. Gupta und M. Gupta untersuchten in Preparation of Fe/Pt Films with Perpendicular Magnetic Anisotropy, Hyperfine Interactions (2005) 160, S. 157-163, die Strukturen und magnetischen Eigenschaften von dünnen äquiatomaren FePt-Filmen in L10-Anordnung, die durch Ionenstrahlsputtern und anschließendem Tempern hergestellt wurden.

Ausgewählte binäre Legierungssysteme können jedoch ebenfalls die gewünschten Eigenschaften aufweisen wie z. B. das System Fe-Pt, Fe-Au oder Co-Pt. Durch kinetische Hemmung wird bei der vorzugsweise durch Aufdampfprozesse durchgeführten Materialsynthese eine wirkungsvolle Ordnungseinstellung der gewünschten L10-Phase mit senkrechter magnetokristalliner Anisotropie verhindert. Vielmehr kristallisiert das System bei Raumtemperatur in der ungeordneten fcc-Phase mit statistischer Besetzung der Gitterplätze. Durch geeignete Aufdampfparameter kann jedoch die gewünschte Orientierung eingestellt werden. Hierdurch lassen sich Materialkombinationen, für die L10-Anordnung keine thermodynamisch stabile Konfiguration darstellt, künstlich herstellen. Ein Beispiel hierfür ist die monolagenweise Abscheidung von Fe und Au.

Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Element, ein Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung vorzuschlagen, die die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweisen. Insbesondere soll ein Element bereitgestellt werden, das eine möglichst perfekte, laterale Ordnung der Strukturen bei hinreichender Entkopplung der einzelnen Strukturelemente aufweist, eine großflächige Anordnung im Bereich einiger cm2 besitzt, eine nahezu senkrechte magnetische Anisotropie zeigt und eine möglichst monodisperse Verteilung der Strukturgrößen aufweist, wobei die Strukturgröße in der Größenordnung von ca. 10 nm liegt.

Diese Aufgabe wird im Hinblick auf das Element durch die Merkmale des Anspruchs 1, im Hinblick auf das Verfahren durch die Verfahrensschritte des Anspruchs 9 und im Hinblick auf die Verwendung durch den Anspruch 12 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßes Element besteht aus einem Substrat, auf das eine Vielzahl von Nanozylindern, die auch als Nanodots, Nanopunkte oder Nanosäulen bezeichnet werden, aufgebracht ist. Hierbei weist jeder Nanozylinder vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun, zehn, elf, zwölf oder mehr übereinander liegende Schichten auf. Die Schichten aus denen sich die Nanozylinder zusammensetzen, bestehen hierbei jeweils abwechselnd aus Atomen eines magnetischen Elements M und eines nichtmagnetischen Elements X.

In einer bevorzugten Ausgestaltung werden M = Fe, Co oder Ni als Atome eines magnetischen Elements und X = Pd, Pt, Rh oder Au als Atomen eines nicht-magnetischen Elements gewählt. Besonders bevorzugt sind hierbei die Kombinationen Fe-Pt, Fe-Au Co-Pt, Co-Au, Co-Ni und Co-Pd.

Vorzugsweise umfasst jede Schicht 1 bis 10 Atomlagen, wobei in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung jede Schicht dieselbe Anzahl von Atomlagen aufweist wie diejenigen Schichten, die ihre übernächsten Nachbarn sind.

Die Anzahl und Dicke der Schichten haben Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften der Nanozylinder. So zeichnet sich die L10-geordnete Phase im System Fe-Pt durch alternierende Atomlagen aus Fe und Pt aus, und zeigt infolge der außergewöhnlich großen magnetokristallinen Anisotropie auch eine sehr große Koerzitivfeldstärke. Dieser Effekt hat jedoch zur Folge, dass für eine Ummagnetisierung in Speichermedien sehr große Ummagnetisierungsfeldstärken (>500 mT) benötigt würden, die nur schwer auf Strukturgrößen in der Größenordnung von einigen Nanometern anzuwenden sind.

Die Ursache für diese außergewöhnliche magnetokristalline Anisotropie liegt in der starken Wechselwirkung zwischen Fe- und Pt-Atomen. Durch Ausnutzung dieser Polarisation lässt sich die Koerzitivfeldstärke jedoch einstellen. Hierfür wird die Dicke der Fe-Schicht variiert, z.B. bewirkt die Verwendung von zwei Monolagen Fe eine signifikante Verringerung der Koerzitivfeldstärke in praktikable Bereiche (250 mT) bei gleichbleibender Stabilität der gespeicherten Information gegenüber externen Feldern und thermischer Anregung. Durch geeignete Wahl der Schichtdicken und der Aufdampfparameter lässt sich eine Koerzitivfeldstärke von 50-1000 mT einstellen. Die obere Grenze ist durch die Sättigungsmagnetisierung einer vollständig geordneten Schicht gegeben. Ein erwünschter Nebeneffekt einer derartigen Struktur ist die Verkippung des Magnetisierungsvektors um ca. 15° aus der Schichtebene. Diese Verkippung ermöglicht einen vereinfachten Ummagnetisierungsprozess und eine höhere Auslesesicherheit bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Elements als magnetisches Speichermedium.

Vorzugsweise besitzen die Nanozylinder einen Durchmesser von 10 nm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 20 nm bis 50 nm, und einen Abstand von 10 nm bis 100 nm, besonders bevorzugt von 20 nm bis 50 nm. Vorzugsweise sind die Nanozylinder in Form einer zweidimensionalen kubischen oder hexagonalen Struktur auf dem Substrat angeordnet. Die lateralen Strukturgrößen werden durch den Durchmesser, die Abstände und die Anordnung der Poren in der Al2O3-Membran eingestellt.

Weiterhin besitzen die Nanozylinder vorzugsweise eine Höhe von 2 bis 500 nm, besonders bevorzugt von 5 nm bis 100 nm. Der gewünschte Wert der Höhe der Nanozylinder wird durch die Variation der deponierten Materialmenge in diesem weiten Bereich eingestellt.

Als Substratmaterialien sind alle Materalien geeignet, sofern Sie zu einer der folgenden beiden Materialklassen gehören:

  • – Amorphe Systeme wie z.B. Glas, die vorzugsweise für Fe-Pd sowie Fe-Au geeignet sind, und
  • – Kristalline Systeme mit geeigneter Gitterkonstante zur Mediation des Wachstums der MX-Filme in derjenigen Wachstumsrichtung, die eine senkrechte Ausrichtung der Magnetisierung ermöglicht. Für Fe-Pt besonders geeignet sind MgO (001), GaAs (001) oder SrTiO3 (001).

Ein erfindungsgemäßes Element lässt sich mit dem folgenden Verfahren herstellen.

Gemäß Verfahrensschritt a) wird zunächst ein Substrat bereitgestellt, das nach den oben genannten Kriterien ausgewählt wird.

Anschließend wird gemäß Verfahrensschritt b) das Substrat mit einer nanoporösen Membran aus Al2O3 bedeckt, wobei der Durchmesser, die Abstände und die Anordnung der Poren in der Al2O3-Membran entsprechend den gewünschten Parametern der Nanozylinder gewählt werden.

Im sich hierzu anschließenden Verfahrensschritt c) werden auf dem mit der nanoporösen Membran bedeckte Substrat abwechselnd solange jeweils eine oder mehrere Atomlagen Atome M eines magnetischen Elements und Atome X eines nicht-magnetischen Elements abgeschieden (deponiert), bis der gewünschte Wert der Höhe der Nanozylinder und der Anzahl der Schichten erreicht ist. Vorzugsweise werden die Atome jeweils mittels eines Elektronenstrahlverdampfers abgeschieden (Molekularstrahlepitaxie). Die hierzu erforderlichen mäßigen Aufdampftemperaturen im Bereich von 250°C bis 400°C ermöglichen eine nahezu vollständige Ordnung der deponierten Schichten. Schichten, die auf diese Weise hergestellt werden, zeigen eine nahezu perfekte L10-Ordnung.

Schließlich wird gemäß Verfahrensschritt d) die Al2O3-Membran vorzugsweise mit einem hierzu geeigneten Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohol von der Oberfläche des Substrat entfernt, so dass an Stelle der Poren der Membran Nanozylinder stehen bleiben.

Erfindungsgemäße Elemente lassen sich einsetzen als magnetische Speichermedien, als Schaltelemente oder als Sensoren.

Die Erfindung weist insbesondere die im Folgenden erwähnten Vorteile auf.

Durch den Einsatz von selbstgeordneten, nanoporösen Al2O3-Masken ist eine hohe Perfektion der erzeugten Fe-Pt-Nanozylinder gegeben. Nach Entfernung der Masken von dem Substrat verbleiben hochgeordnete Anordnungen aus L10-geordneten Fe-Pt-Nanozylindern mit einem Durchmesser, der vom Durchmesser der Poren in den eingesetzten Al2O3-Masken abhängt. Dies wurde durch AFM-Untersuchungen belegt, in denen L10-geordnete Fe-Pt-Nanozylinder mit einem Durchmesser von 15-50 nm nachgewiesen wurden. Eine weitere Verringerung des Durchmessers der Fe-Pt-Nanozylinder ist durch weitere Optimierung der Al2O3-Masken zu erreichen.

Bisher konnte eine großflächige Anordnung der Nanozylinder über einen Bereich von etwa 500 × 500 &mgr;m2 erzielt werden. Bei weiterer Optimierung der Masken lassen sich Arrays in der Größenordnung von einigen cm2 herstellen.

Die senkrechte Anisotropie ist eine inhärente Eigenschaft der L10-Phase im System Fe-Pt. Die Ausrichtung des Magnetisierungsvektors kann durch die gewählten Herstellungsbedingungen (Bedampfungsraten, Substrattemperatur und Schichtdicken) nahezu beliebig eingestellt werden. Eine senkrechte Ausrichtung der Magnetisierung wurde mit tiefenselektiver Mössbauer-Spektroskopie (Bestimmung der magnetischen Eigenschaften auf atomarem Niveau) und mit SQUID-Messungen (Charakterisierung von Ummagnetisierungsvorgängen) nachgewiesen.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Elements (Arrays) aus Fe-Pt-Nanozylindern wurden Substrate aus MgO (001)-Einkristallen bereitgestellt. Vor der Abscheidung (Deposition) der Schichten wurden die Substrate jeweils mit einer nanoporösen Al2O3-Maske versehen. Die Porengröße betrug 20 nm, der mittlere Abstand der Poren 25 nm.

Hieran anschließend wurden Fe- oder Pt-Atome (Reinheit jeweils besser als 99,95 %) mittels Molekularstrahlepitaxie bei definierten Substrattemperaturen auf die Substrate abschieden.

Über ein Heizfilament konnte die Substrattemperatur und somit die Abscheidetemperatur eingestellt werden. Der Abstand zwischen den Materialquellen und dem Substrat betrug etwa 0,3 m. Um eine geordnete L10-Phase zu erhalten, wurden die Schichten bei einer Abscheidetemperatur von 350°C mit Abscheideraten von 0,3 nm/min (Fe) bzw. 0,01 nm/min (Pt) deponiert. Die Gesamtschichtdicke betrug etwa 4 nm. Um eine atomlagenweise Abscheidung durchzuführen, waren der Probenhalter und die Materialquellen jeweils mit einem Shutter versehen, die jeweils nach Erreichen der gewünschten Schichtdicke geschlossen wurden.

Zur Abscheidung des zweiten Elements wurde der entsprechende Shutter geöffnet und das betreffende Element abgeschieden.

Nach erfolgter Abscheidung der Schichten und Abkühlung des Substrats in Raumatmosphäre wurde die nanoporöse Al2O3-Maske durch Abspülen mit Wasser oder Alkohol (Isopropanol) entfernt.

Für die hier vorgestellten Beispiele wurden nacheinander jeweils zwei Monolagen Eisen und zwei Monolagen Platin auf Substrate aus MgO (001)-Einkristallen aufgedampft, bis insgesamt acht oder zwölf übereinander liegende Schichten abgeschieden wurden, die abwechselnd aus zwei Monolagen Eisen und aus zwei Monolagen Platin bestanden.

Die erfindungsgemäßen Elemente aus FePt-Nanozylindern zeigen eine senkrechte Ausrichtung der Magnetisierung für alle hergestellten Teilchendurchmesser (25 nm, 50 nm) mit einer leichten Verkippung um ca. 10° bis 20° gegen die Schichtnormalen.

Durch Einsatz höherer Wachstumstemperaturen kann eine vollständige Ausrichtung und damit eine vollständige Ordnungseinstellung des Schichtsystems erzielt werden. Eine leichte Verkippung ist jedoch vorteilhaft für die Anwendung als Speichermedium, da einerseits die gewünschte Information durch die hohe magnetokristalline Anisotropie gespeichert werden kann, andererseits aber erwünschte Ummagnetisierungsvorgänge durch externe Felder z.B. im Schreibkopf erleichtert werden.


Anspruch[de]
Element, umfassend ein Substrat, auf das eine Vielzahl von Nanozylindern aufgebracht ist, wobei jeder Nanozylinder mindestens vier übereinander liegende Schichten aufweist, die abwechselnd aus Atomen M eines magnetischen Elements und Atomen X eines nicht-magnetischen Elements bestehen. Element nach Anspruch 1 mit M = Fe, Co oder Ni und X = Pd, Pt, Rh oder Au. Element nach Anspruch 1 oder 2, wobei jede Schicht 1 bis 10 Atomlagen umfasst. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei jede Schicht dieselbe Anzahl von Atomlagen aufweist wie ihre übernächste Schicht. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit Nanozylindern mit einem Durchmesser von 10 nm bis 100 nm. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit Nanozylindern mit einer Höhe von 2 bis 500 nm. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit Nanozylindern, die im Abstand von 10 nm bis 100 nm angeordnet sind. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit Nanozylindern, die in einer kubischen oder hexagonalen Struktur auf dem Substrat angeordnet sind. Verfahren zur Herstellung eines Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit den Verfahrensschritten

a) Bereitstellen eines Substrats,

b) Bedecken des Substrats mit einer nanoporösen Membran aus Al2O3,

c) Abwechselndes Bedampfen des mit der nanoporösen Membran bedeckten Substrats mit Atomen M eines magnetischen Elements und Atomen X eines nicht-magnetischen Elements,

d) Entfernen der Membran, so dass an Stelle der Poren der Membran Nanozylinder stehen bleiben.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Atome jeweils mittels Elektronenstrahlverdampfern abgeschieden werden. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Membran mittels eines Lösungsmittels vom Substrat abgelöst wird. Verwendung eines Elements nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als magnetisches Speichermedium, als Schaltelement oder als Sensor.






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