Tentamen vragen DEEL B Materiaalkunde dec. 1999 Vraagstuk 1 ...

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.
Gevraagd:
a). Wanneer treedt deze toestand op?
b). Van welke energien hangt dit af?
c). Wat gebeurt er als het magnetische deeltje heel erg klein (

Vraagstuk 4 (10 eenheden)
De meest fundamentele parameter die de maximale bitdichtheid voor magnetische
recording zal bepalen is de zogenaamde super-paramagnetische limiet.
Gevraagd:
(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.