Tentamen vragen DEEL B Materiaalkunde dec. 1999 Vraagstuk 1 (10 eenheden) In het algemeen zal een ferro-magnetisch lichaam zich opsplitsen in een aantal magnetische domeinen. a). Wanneer treedt deze toestand op? b). Van welke energien hangt dit af? c). Wat gebeurt er als het magnetische deeltje heel erg klein (<2 nm) wordt? d). Hoe groot is de Hc in de toestand genoemd bij c) Vraagstuk 2 (15 eenheden) Er worden verschillende legeringen gebruikt voor het optimale ontwerp van het dunne film media voor een magnetische harddisk recording. De keuze van de verschillende elementen wordt bepaald op basis van de recording eigenschappen, de magnetische eigenschappen en de microstructuur van de dunne film. Geef in het kort aan welke microstructuur eigenschappen een rol spelen voor de bepaling van (a) de verzadigingsmagnetisatie, (b) anisotropie energie, (c) coerciviteit en voor de recording eigenschappen (d) bitdichtheid en (e) (c) SNR? Vraagstuk 3 (15 eenheden) Een harddisk medium voor loodrechte magnetische recording heeft een diameter van 4 inch. Het medium bestaande uit een gesputterde Co-Cr film met een hcp-structuur en een laagdikte van 40 nm. De dunne magnetische laag heeft een Ms = 500 ka/m. a) In welke richting staan de zg. hard axis en easy axis? Hoe groot is de Mr in de easy richting indien S = 0,92? b) Hoe groot zal, in het meest ideale geval, S in de hard axis zijn? c) Bereken de magnetische flux dichtheid bij een aangelegde veld van 400 ka/m loodrecht op het oppervlak? d) Wat is de kristallografische voorkeursrichting van het medium en hoe is deze georienteerd? e) Waarom gebruikt men Cr in de genoemde legering?
Vraagstuk 4 (10 eenheden) De meest fundamentele parameter die de maximale bitdichtheid voor magnetische recording zal bepalen is de zogenaamde super-paramagnetische limiet. (a). Welke energieën spelen een cruciale rol bij de bepaling van deze limiet? (b). Wat zou men in principe kunnen doen om de grens van de super-paramagnetische limiet te verleggen? (c). Waarom is in dit verband een patterned medium beter dan een medium dat bestaat uit een continue dunne magnetische film?
UITWERKINGEN TENTAMEN VRAGEN DEEL B DECMBER 1999 MATERIAALKUNDE (122817) Ad vraagstuk 1 Fig.4.9 (boven) op blz.49 van het dictaat toont de drie situaties waarin een magnetisch deeltje zich kan bevinden. De totale energie is uitgezet als functie van de diameter van het deeltje. De totale energie is de som van de magnetostatische energie en de exchange energie. In de kkn-domein situatie is er geen domeinwand en heeft dus de laagste energietoestand. Wordt het deeltje groter dan zullen er domeinen ontstaan (en dus domeinwanden). Het opdelen in domeinen verlaagt de magnetostatische energie. Dus boven een bepaalde kritische diameter is de multi-domein toestand voordeliger. a). Boven een bepaalde diameter b). Magnetostatische energie en exchange energie. c). Het wordt superparamagnetisch d). De coërciviteit is nagenoeg nul Ad Vraagstuk 2 (a) Verzadigingsmagnetisatie (Ms) De magnetisatie (M) is sterk verbonden met het soort element(en) waaruit de dunne film bestaat (bv. een legering van Co-Cr-Ta-Pt), dus met andere woorden de chemische samenstelling (zie bv. De figuren 4.5 op blz. 43 en 44) van de harddisk. Strikt gesproken is natuurlijk ook het aangelegde veld van belang voor M. Wanneer er geen veld (Ha) is aangelegd zal bij de meeste ferromagnetische legeringen de M niet gelijk zijn aan Ms maar aan de remanente magentisatie (Mr) (denk aan de niet rechthoekige hysterese loop bv. Zie fig.4.3. op blz 41). De Ms is uiteraad ook afhankelijk van de temperatuur (zie fig 3.4 blz 35) (b).anisotropie energie De anisotropie energie is een intrinsieke parameter van het materiaal en in principe afkomstig van de exchange krachten in de kristalstructuur. Kristalsymmetrie speelt hierbij een belangrijke rol. In feite is DE anisotropie energie de som van alle mogelijke energieën zoals: kristal-anisotropie, vorm-anisotropie, spanninganisotropie, geinduceerde-anisotropie. Het gaat hier om aan te geven welke microstructuur parameters een invloed kunnen hebben op de anisotropie. = Dat zij dus voor de kristal anisotropie: de kristalstructuur (fcc, bcc or hcp); bv fcc Co heeft een lagere energie dan hcp Co. De anisotropie heeft uiteraard ook te maken met de kristallografische richting (makkelijke richting en moeilijke richting) en heeft dus iets te maken met de textuur. Als het gaat om de harddisk media dan spreken we over een dunne gesputterde laag waarvan magnetische voorkeurs richting in het vlak ligt en dat betekent dat de kristallografische oriëntatie compleet in het valk moet liggen. Zelfs het maken van een kleine hoek met de in-vlak richting zal een verticale component van de magentisatie opleveren. = De spanning- anisotropie is afkomstig van materiaalspanning in het kristalrooster. Is dus mede afhankelijk van missing atoms, rooster fouten etc.
= Vorm-anisotropie hang af van de vorm van het magnetische materiaal. In dit vraagstruk spreken we over een dunnelaag van een harddisk. We beschouwen bij de beantwoording dus alleen maar de totale dunne magnetische film en niet de lokale anisotropie veranderingen door vorm en grootte van de individuele deeltjes of kristallen. (b) Coërciviteit (Hc) Hc is een typische extrinsieke parameter en hangt af van veel zaken zoals de anisotropie, de kristalgrootte, de chemische homogeniteit, de onderlinge wisselwerking tussen de kristallen en daarom dus van de fysische of chemische toestand tussen de kristallen (dus op de kristalgrenzen). De grootte verdeling van de kristallen is ook een belangrijke parameter. In geval van de kristal anisotropie (en dat is de meest belangrijke anisotropie bron in de moderne dunne film media) moet hier dus ook de textuur als belangrijke parameter genoemd worden. Ook zal de dikte van de laag een belangrijke rol spelen. (c) Bitdichtheid Hangt af van de Hc, de dikte en de Mr. Ook de gemiddelde kristalgrootte en de mate van exchange energie tussen de kristallen spelen een belangrijke rol. Gelet op bovenstaande antwoorden op de vragen (a) t/m (c) kunnen we hier de volgende microstructurele parameters noemen: chemische homogeniteit, gemiddelde kristalgrootte, textuur. (d) SNR Belangrijk is het aantal magnetisch individuele kristallen in een bit. Hier zijn de meest belangrijke paramaters de kristalgrootte, chemische homogeniteit en de kristallografische oriëntatie. Ad Vraagstuk 3 a) De hard axis staat loodrecht op de easy axis en deze staat weer loodrecht op gesputterde film. S= Mr/Ms dus Mr= s. Ms = 0.92 x 500 = 460 ka/m b) Ideaal is de S in de hard axis bijna nul. c) De magnetische flux dichtheid = B; het aangelegde veld H= 400 ka/m We weten (blz.38) dat B = µ 0 (H + M); µ 0 = 4π 10-7 H/m B = 4π 10-7 (400 10 3 + 500 10 3 ) = 1,1304 T d) De kristallografische voorkeursrichting van een hcp structuur is de c-as (of [1000]) en deze staat loodrecht op het Co-Cr film oppervlak. e) Hieronder staan een aantal (niet in volgorde van belangrijkheid) argumenten waarom Chroom (Cr) gebruikt wordt als legerings element samen met Co om Co- Cr geschikt te maken voor loodrechte recording.: - Met Cr kan het magnetisch moment van de Co-Cr legering precies worden ingesteld en dat is van groot belang voor het verkrijgen van de juiste grootte van de magnetisatie in een loodrecht recording medium. Indien Ms te groot
zou zijn dan zou de demagnetisatie (Hd = -N Ms waarbij N=1 en dus Hd=-Ms) de magnetisatie in het vlak drukken. - Cr fit goed met de hcp structuur van Co - Cr zorgt er voor de kristal-anisotropie wordt vergroot - Cr reduceert de kristalgrootte van de legering - Cr zorgt voor meer corrosie bestendigheid. - Cr is een hard materiaal en vergroot de slijtvastheid - Cr zorgt voor de zg. segregatie (of de compositional separation ) hetgeen wil zeggen dat er een Cr verhoging kan ontstaan op de kristalgrenzen hetgeen zorgt voor een reductie van de exchange krachten tussen de kristallen. Op die manier wordt de continue polykristallijn Co-Cr film meer een deeltjes medium met als gevolg een vergroting van de Hc. Hetgeen nodig is voor hogere bitdichtheden en een betere SNR. Ad Vraagstuk 4 (a). De twee energieën zijn: de magnetische (kristal) energie ( in de term Kv waarbij v het magentische volume is) en de thermische enrgie (in de term kt waarbij k de constante van Boltzman is). Voor een magnetisch recording medium dient Kv/kT>40 om te garanderen dat de data 10 jaar wordt vast gehouden. (b). Zorgen dat we materialen ontwikkelen met een grotere kristal-anisotropie zoals de speciale legeringen Co-Pt en Fe-Pt of BaFe 12 O 19. Of we zouden ook een recordingsysteem kunnen ontwikkelen dat werkt bij lagere temperaturen.. In de huidige recording bestaat een bit uit een aantal individuele magnetische units (magnetische deeltjes, magnetische kristallen of clusters daarvan). Voor een goede SNR moeten we in een bit minstens 100 van die units hebben. Hoe kleiner het bit des te kleiner de units. Bij een bepaalde grootte worden de units super-paramagnetisch en wordt de geheugen werking nihil. Een patterned medium is veel beter dan een medium bestaande uit een dunne film omdat bij een patterned medium een bit gelijk is aan 1 unit.