Μικροκυματικά υποβοηθούμενη αντιστροφή της μαγνήτισης σε νανοδομημένα μαγνητικά υλικά

Abstract

This doctoral dissertation focuses on micromagnetic simulations of Microwave-Assisted Magnetization Reversal in nanostructured magnetic materials. In the first part, an introduction is given to the basic concepts of magnetism, such as magnetic moment, magnetization, hysteresis loop, magnetic domains and walls, methods of magnetization reversal, and the classification of magnetic materials into various categories based on their magnetic properties. Subsequently, a review of magnetic recording technology is presented, which remains a dominant storage technology. Special emphasis is given to microwave-assisted magnetization reversal, which can address the issue of writability that arises as thermal stability at ultra-high recording densities necessitates the use of high-anisotropy materials. Next, an introduction to micromagnetic theory is provided. This is a continuum theory in which the magnetic state of a given magnetic object is described by the spatial dependence of the magnetization vector. This vector has a magnitude equal to the saturation magnetization MS and a direction that is a function of the position within the material. In the general case, determining the micromagnetic state and predicting hysteresis phenomena can be achieved either by minimizing the functional of the total energy or, equivalently, by using a dynamic approach based on the Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) equation, which drives the system towards the energy minimum. In this work, as the focus is on microwave-assisted magnetization reversal, the second method is followed, as it can predict the dynamic properties based on the precessional motion of the magnetization. MAS micromagnetic simulations are performed as the function of applied switching DC-field and the frequency of microwaves for different CoPt and CoPt/Co3Pt structures. With the use of microwave radiation the required applied dc-field can be reduced by at least 50% but always at expense of somewhat increased reversal time. For each field there is an optimal microwave frequency which is close to ferromagnetic resonance as predicted by Kittel equation. (a) When the DC-field is applied along the easy axis the reduction of switching field is proportional to microwave frequency. (b) For DC-field applied at an angle of 45ο the coerctivity is low but resonance frequency is high and shows only a weak dependence on the applied reversed field. Thus, further reduction of coercivity by MAS demands the use of high-frequency. The micromagnetic simulations are also used for investigating the resonances and MAS effects in two-phase nanowires Co/CoPt. This system is chosen as an interesting model system where the processes of nucleation, the interfacial domain-wall pinning and the propagation of the reversal domain are distinguishable and as well as their role in the mechanisms of reversal. The coupling strength is varied to cover both smooth (strong coupling) and stepped (weak coupling) hysteresis curves. At intermediate coupling strengths, the interfacial resonances play a significant role to MAS and enable us to find optimal conditions combining both low DC-field and low frequency of MAS. Finally, there is also a tradeoff between using low DC-fields and achieving short reversal times. Micromagnetic simulations are performed for a 15nm diameter CoPt(4nm)/Co3Pt(2nm) nanodisk at different finite temperatures. The temperatures at which the simulations were conducted were: 0K, 25K, 50K, 100K, 200K, and 300K, in order to account for the micromagnetic simulations. The micromagnetic simulations are conducted using the finite-difference free-license software MUMAX3.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζεται στις μικρομαγνητικές προσομοιώσεις της ‘Μικροκυματικά υποβοηθούμενης αντιστροφής της μαγνήτισης σε νανοδομημένα μαγνητικά υλικά’. Εισάγονται οι βασικές έννοιες του μαγνητισμού όπως η μαγνητική ροπή, η μαγνήτιση, ο βρόχος υστέρησης, οι μαγνητικές περιοχές και τα τοιχώματα τους, οι τρόποι αντιστροφής της μαγνήτισης και η διάκριση των μαγνητικών υλικών σε διάφορες κατηγορίες ανάλογα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Κατόπιν δίνεται μια ανασκόπηση της τεχνολογίας της μαγνητικής εγγραφής που παραμένει μια κυρίαρχη τεχνολογία αποθήκευσης και ειδικότερα στην μικροκυματικά υποβοηθούμενη αντιστροφή που μπορεί να βοηθήσει στο πρόβλημα της εγγραψιμότητας που εμφανίζεται καθώς η θερμική σταθερότητα σε υπερυψηλή πυκνότητα εγγραφής επιβάλλει την χρήση υλικών υψηλής ανισοτροπίας. Γενικά η εύρεση της μικρομαγνητικής κατάστασης και η πρόβλεψη των φαινομένων υστέρησης μπορεί να γίνει είτε μέσω της ελαχιστοποίησης του συναρτησιακού της συνολικής ενέργειας, είτε ισοδύναμα μέσω της δυναμικής προσέγγισης που βασίζεται στην εξίσωση Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG) η οποία οδηγεί το σύστημα προς το ελάχιστο της ενέργειας. Εδώ, εφόσον ενδιαφερόμαστε για την μικροκυματικά υποβοηθούμενη αντιστροφή ακολουθούμε την δεύτερη μέθοδο η οποία μπορεί να προβλέψει τις δυναμικές ιδιότητες που βασίζονται στην μεταπτωτική κίνηση της μαγνήτισης. Πραγματοποιούνται μικρομαγνητικές προσομοιώσεις της μικροκυματικά υποβοηθούμενης αντιστροφής (MAS) για διαφορετικές νανοδομές CoPt και CoPt/Co_3 Pt ως συνάρτηση του σταθερού (dc) πεδίου που εφαρμόζεται για την αντιστροφή της μαγνήτισης και της συχνότητας των μικροκυμάτων. Αποδεικνύεται ότι η εφαρμογή μικροκυματικής ακτινοβολίας μπορεί να μειώσει το απαιτούμενο πεδίο αντιστροφής κατά τουλάχιστον 50%, με κόστος όμως στον χρόνο αντιστροφής. Για κάθε dc πεδίο αντιστροφής υπάρχει μία βέλτιστη συχνότητα, που είναι κοντά σε αυτήν του σιδηρομαγνητικού συντονισμού όπως προβλέπεται από τις εξισώσεις Kittel. Επιπλέον, (α) όταν το πεδίο dc που εφαρμόζεται παράλληλα στον εύκολο άξονα παρατηρείται γραμμική μείωση του πεδίου αντιστροφής, συναρτήσει της συχνότητας των μικροκυμάτων (β) όταν το πεδίο dc που εφαρμόζεται σε γωνία θ=45ο με τον εύκολο άξονα, το συνεκτικό πεδίο είναι χαμηλό αλλά επιπλέον μείωση μέσω μικροκυματικής αντιστροφής επιτυγχάνεται μόνο στις υψηλές συχνότητες εφόσον η συχνότητα συντονισμού εξαρτάται ασθενώς από το dc πεδίο. Επιπρόσθετα, οι μικρομαγνητικές προσομοιώσεις χρησιμοποιούνται με σκοπό την μελέτη των συντονισμών και της μικροκυματικά υποβοηθούμενης αντιστροφής (MAS) σε νανοσύρματα Co/CoPt δύο φάσεων. Αυτό το σύστημα επιλέγεται ως ένα ενδιαφέρον πρότυπο σύστημα-, στο οποίο οι διαδικασίες της πυρήνωσης αντίστροφης περιοχής, της διεπιφανειακής αγκίστρωσης και της διάδοσης των τοιχωμάτων είναι διακριτές όπως και ο ρόλος των μικροκυμάτων στην κάθε περίπτωση Ο βαθμός της σύζευξης μεταβάλλεται για να καλύψει τόσο σύνθετα υλικά με συνεχή την καμπύλη υστέρησης (ισχυρή σύζευξη, ταυτόχρονη αντιστροφή των δύο φάσεων) όσο και αυτά που στο τεταρτημόριο απομαγνήτισης εμφανίζεται ένα σκαλοπάτι (ασθενής σύζευξη, αντιστροφή της κάθε φάσης σε διαφορετικό πεδίο). Σε ενδιάμεσες τιμές σύζευξης, οι διεπιφανειακοί συντονισμοί παίζουν σημαντικό ρόλο στο MAS και επιτρέπουν την εύρεση των βέλτιστων συνθηκών που συνδυάζουν τόσο μικρά συνεχή πεδία (DC) αντιστροφής όσο και χαμηλές συχνότητες της MΑS. Διαπιστώνεται ότι υπάρχει πάντα μια αντιστάθμιση μεταξύ της χρήσης χαμηλών πεδίων και επίτευξης μικρών χρόνων αντιστροφής. Πραγματοποιούνται μικρομαγνητικές προσομοιώσεις για το νανοδίσκο CoPt(4nm)/Co3Pt(2nm) διαμέτρου 15nm σε διαφορετικές πεπερασμένες θερμοκρασίες. Οι θερμοκρασίες για στις οποίες έγιναν προσομοιώσεις ήταν: 0Κ, 25Κ, 50Κ, 100Κ, 200Κ, 300Κ ώστε να ληφθούν υπόψιν οι μικρομαγνητικές προσομοιώσεις. Όλες οι μικρομαγνητικές προσομοιώσεις πραγματοποιούνται με το λογισμικό πεπερασμένων διαφορών mumax3.