Nanopartikeln II. Magnetische Datenträger/Speichermedien

Nanopartikeln II. Magnetische Datenträger/Speichermedien
Das mooresche Gesetz (benannt nach Gordon Moore, Mitbegründer der Firma Intel) besagt,
dass sich die Komplexität integrierter Schaltkreise jedes Jahr verdoppelt. Ob es wirklich genau
ein Jahr dauert, die Komplexität zu verdoppeln, ist nicht so wichtig. Es ist jedoch interessant,
dass dieses empirische Gesetz, formuliert 1965, bis heute gilt.
Die Komplexität und Speicherkapazität der Datenträger folgt auch diesem Gesetz. Es wird dabei
erwünscht, dass die Partikeln, die die Information speichern, immer kleiner werden. Nur dann
erreicht man eine höhere Datendichte pro Flächen- oder Volumeneinheit und befriedigt den
wachsenden Bedarf an Speicherkapazität.
Zur Nutzung in magnetischen Datenträgern müssen die verwendeten Substanzen bestimmte
magnetische Eigenschaften aufweisen. Dabei müssen wir uns fragen, woher die magnetischen
Eigenschaften überhaupt kommen.
Wir wissen, dass Atome aus Protonen, Neutronen und Elektronen bestehen. Die Protonen und
Neutronen befinden sich zusammen im schweren Kern, der sich nach der Born-OppenheimerNäherung nur langsam bewegt. Elektronen, auf der anderen Seite, bewegen sich im elektrischen Feld des Atoms relativ schnell und diese Bewegung erzeugt durch den Prozess der Induktion ein magnetisches Feld. Falls ein Orbital mit zwei Elektronen besetzt ist, annullieren sich die
magnetischen Felder der Elektronen, die gesetzmäßig unterschiedlichen Spin haben müssen.
Nur die Atome, die alleinstehende, ungepaarte Elektronen in einem Orbital besitzen, haben ein
permanentes magnetisches Moment. Typischerweise handelt sich dabei um Übergangsmetalle,
zum Beispiel Eisen, Kobalt, Chrom, usw.
In einem kristallinen Stoff mit magnetischen Atomen kommt es zu Interaktionen zwischen den
magnetischen Atomen. Diese Interaktionen führen die Atome dazu, sich in bestimmten Richtungen zueinander zu orientieren, genau wie große, makroskopische Magnete, die wir gut aus
dem Alltag kennen. Gegen diese Interaktionen wirken die thermischen Kräfte, die die Ordnung
destabilisieren. Daher enstehen unterschiedliche Konfigurationen der magnetischen Ordnung:
1. Paramagnetisch: Die magnetischen Momente auf den Atomen sind zufällig orientiert
und bewegen sich schnell, weil die thermischen Kräfte stärker als die magnetischen
Interaktionen sind.
2. Ferromagnetisch: Die magnetischen Momente aller Atome sind parallel zueinander
orientiert. In diesem und weiteren Fällen sind die magnetischen Interaktionen stärker
als die thermischen Kräfte.
3. Antiferromagnetisch: Die magnetischen Momente benachbarter Atome sind entgegen
gesetzt orientiert.
4. Ferrimagnetisch: Es sind mindenstens zwei verschiedene Typen magnetischer Atome
oder Ionen anwesend (z.B. Fe2+ und Cr4+ oder Fe2+ und Fe3+). Das ergebende
magnetische Feld ist die Summe der magnetischen Momente der Mengen der
magnetischen Ionen. Die Magnitude des ergebenden magnetischen Feldes ist nicht Null.
Es handelt sich hier um eine Wechselwirkung zwischen den magnetischen Interaktionen und
den thermischen Kräften. Daraus folgt, dass sich die magnetischen Konfigurationen (ferrom.,
antiferrom., ferrim.) einer Substanz bei Erhitzung in eine paramagnetische Konfiguration umwandeln, sofern die Substanz dabei nicht chemisch zerfällt. Die Umwandlungstemperatur heißt
Curie-Temperatur (nach Pierre Curie) für die ferromagnetischen Substanzen und NéelTemperatur (nach Louis Néel) für die antiferromagnetischen Substanzen.
Reale Kristalle entwickeln sogenannte magnetische Domänen, dies sind Bereiche, in denen die
magnetische Orientierung (egal, ob ferrom., antiferrom. oder ferrim.) einheitlich ist. Die Domänen grenzen sich gegeneinander ab über die Domänenwände, genau wie Körner einer
kristallinen Substanz über die Korngrenzen. Jede Domäne beinflusst die Nachbardomänen über
ihr eigenes magnetisches Feld, aber in mikroskopischen oder makroskopischen Kristallen sind
die Domänen groß genug, um ihre magnetische Orientierung zu behalten.
Falls die Kriställchen aber sehr klein sind, sind die individuellen Domänen magnetisch zu
„schwach“, dem Einfluss der Nachbardomänen zu widerstehen und werden ständig ummagnetisiert. Dieser Zustand ähnelt dem der paramagnetischen Konfiguration. Weil sich in diesem
Fall die Domänen und nicht die einzelnen Atome ummagnetisieren, reden wir von einer
superparamagnetischen Konfiguration.
Aus dieser Diskussion ergibt sich der Wunsch, dass die Partikeln in den magnetischen
Datenträgern kleinstmöglich werden, aber nicht den paramagnetischen Zustand erreichen.
Das klassische Material für die magnetischen Datenträger ist -Fe2O3, als Mineral bekannt als
Maghemit. Für die industrielle Verwendung werden die Maghemit-Nanopartikeln synthetisch
hergestellt (und nicht in der Natur gewonnen). Die Synthese ist relativ kompliziert, mit
Zwischenschritten mit den Phasen Goethit (-FeOOH) und Magnetit (Fe3O4). Maghemit selber
ist ein Spinell, genau wie Magnetit, und ist ferrimagnetisch bis zur Néel-Temperatur von 950 K.
Die individuellen Maghemit-Partikeln sind aber zu klein, um alleine die Information langfristig
zu tragen. Es werden viele Partikeln gemeinsam magnetisiert, um ein Bit der Information zu
speichern. Die Mikrophotographien dazu befinden sich auf den Folien.
Eine andere Möglichkeit, die Informationsdichte zu erhöhen, ist, weniger Partikeln für ein Bit
der Information zu benutzen. Dafür müssen diese wenigen Partikeln magnetisch stabilisiert
werden. 2000 wurden die antiferromagnetically-coupled media (antiferromagnetisch-
gekoppelte Medien) vorgeschlagen. Die Koppelung existiert zwischen einer Schicht der
magnetischen Partikeln, die als Speichermedium dienen, und einer weiteren darunterliegenden
Schicht magnetischer Partikeln. Die zwei Schichten sind durch eine dünne nicht-magnetische
Schicht getrennt, zum Beispiel eine 3 Atome mächtige Ruthenium-Schicht. Die untenliegende
magnetische Schicht stabilisiert die magnetische Orientierung des Speichermediums und
deswegen braucht man wenige Partikeln, um ein Bit Information zu speichern.
Die magnetic multilayer media (magnetische Multischichtmedien) sind eigentlich eine
Erweiterung der Idee der antiferromagnetisch-gekoppelten Medien. Hier finden wir nicht nur
zwei, sondern viele magnetische Schichten, die voneinander durch dünne nicht-magnetische
Schichten getrennt werden. Die individuellen Schichten sind allerdings sehr dünn (3-20 Atome)
und ihre Herstellung verlangt eine sehr fortgeschrittene Technologie.
Die patterned media (gemusterten Medien) basieren auf einem anderen Konzept. Die
Information wird von individuellen Partikeln gespeichert, die voneinander physisch getrennt
werden. Damit die individuellen magnetischen Partikeln die verfügbare Fläche optimal
benutzen, werden sie in ein periodisches Muster gelegt. Dadurch ist auch der Name dieses
Speichermediums entstanden. Eine solche Konfiguration kann über verschiedene Verfahren
erreicht werden. Man könnte eine nicht-magnetische Schicht (Substrat) mit einer magnetischen
Substanz, entweder polykrystallin oder in der Form eines Einkristalls, beschichten. Aus der
magnetischen Schicht bekommt man individuellen Partikeln durch chemische (Ätzen) oder
physikalische (Strahl von Licht – Laser, Strahl von Ionen – ion beam patterning) Methoden.
Eine andere Möglichkeit ist, die magnetischen Nanopartikeln erst herzustellen und sie auf ein
Substrat ablagern (sedimentieren) zu lassen. Solche Nanopartikeln lassen sich, zum Beispiel, aus
einer Legierung von Pt und Fe synthetisieren. Die Synthese verläuft in wässrigen oder organischen Lösungen. Allerdings haben diese Nanopartikeln, genau wie alle anderen, die Tendenz zu
koagulieren und zusammenzuwachsen. Dies ist aber nicht erwünscht, weil das Ziel der Verfahren die Herstellung von gleich großen und gleichförmigen Nanopartikeln ist. Koagulation und
Wachstum kann man mit sogenannten Surfaktanten behindern. Die Surfaktanten werden auf
Deutsch auch Tenside genannt. Es handelt sich um kleine Moleküle, die einen polaren
(hydrophilen) und einen nicht-polaren (hydrophoben) Teil haben. Sie binden sich an die
Nanopartikeln und richten den hydrophoben Teil in die Lösung aus. Dadurch blockieren sie den
direkten Kontakt zwischen den Nanopartikeln. Diese beschichteten Nanopartikeln werden auf
ein Substrat abgelagert und sanft gebrannt. Die organischen Moleküle verlieren ihren
Wasserstoff und wandeln sich in amorphen Kohlenstoff um. Dann sind solche gemusterten
Medien bereit für ihre Verwendung.