Micromagnetic Simulations of Exchange Coupled Composite Media

Abstract

In this thesis, micromagnetic simulations of exchange coupled composite (ECC) media were employed aiming to study the motion of magnetic moments inside the ECC media and the M-H hysteresis loops. The simulations were performed in the Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF), which is a micromagnetic simulation tool developed by NIST in close cooperation with µMAG. A three- dimensional solid model of typical ECC media was constructed. The structure of the ECC media was composed of two magnetic layers; one is a hard magnetic material as a recording layer laid on top or bottom of the exchange coupling layer that is made of a soft magnetic material. The performance of the ECC media was analyzed by evaluating the coercivity and remanence magnetization of the ECC media from the M-H loops. In this study, the effects of various magnetic materials used in hard and soft magnetic layers of the ECC media on the M-H hysteresis loop were investigated. The hard magnetic alloys chosen in the study were L10-FePt, L10-FePd, L11-CoPt, Co/Pt, CoPt and MnBi. Simulation results showed that L10-FePt, L10-FePd and MnBi alloys were good candidates as they have a relatively large coercivity, i e 10.2, 4.5 and 3.5 T, respectively, which is suitable for being used as a recording layer in the ECC media. Among them, the L10-FePd alloy had the largest remanence magnetization, i.e. 110 mT. To find the appropriate soft magnetic materials for the ECC media, Fe, Co, FeCo and NiFe were chosen as the exchange coupling layer. Simulation results revealed that the ECC media with L10- FePt in the recording layer was the suitable candidate. Results also showed that the coercivity of the ECC media that was constructed from L10-FePt/Fe and L10-FePt/Co, decreased significantly with the soft layer thickness of 10 nm onwards. In contrast, the ECC media with L10-FePd and MnBi as a hard magnetic layer were inadequate since it required a relatively thick soft magnetic layer in order to decrease the coercivity of L10-FePd and MnBi.

ในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ การจำลองไมโครแมกเนติกของแผ่นบันทึกข้อมูลชนิดเอ็กเชนจ์คอบเปิ้ลคอมโพสิต (ECC media) ถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของโมเมนต์แม่เหล็กภายใน ECC media และ M – H hysteresis loop ของ ECC media การจำลองทางคอมพิวเตอร์ถูกพัฒนาขึ้นด้วยโปรแกรม Object Oriented MicroMagnetic Framework (OOMMF) ซึ่งเป็นเครื่องมือจำลองทางไมโครแมกเนติกที่พัฒนาขึ้นภายใต้ความร่วมมือระหว่าง NIST กับ µMAG ในการพัฒนาแบบจำลองไมโครแมกเนติก เราจะทำการสร้างแบบจำลอง 3 มิติของ ECC media ขึ้นมา โดยมีโครงสร้างประกอบด้วยชั้นแม่เหล็กสองชั้น ได้แก่ ชั้นวัสดุแม่เหล็กอย่างแข็งทำหน้าที่เป็นชั้นบันทึกข้อมูลแม่เหล็กซึ่งวางตัวอยู่ด้านบนหรือด้านล่างของชั้นเอ็กเชนจ์คอบเปิ้ลที่ทำจากวัสดุแม่เหล็กอย่างอ่อน การวิเคราะห์ประสิทธิภาพของ ECC media ทำได้จากการพิจารณาค่าโคเออซีวิตีและค่าคงค้างความเป็นแม่เหล็กของ ECC media จาก M – H loop ที่ได้จากการจำลองไมโครแมกเนติก ในวิทยานิพนธ์ฉบับนี้ ผู้วิจัยได้ทำการศึกษารูปร่างของ M – H loop อันเนื่องมาจากผลกระทบของวัสดุแม่เหล็กต่างชนิดกันที่นำมาใช้ในชั้นแม่เหล็กอย่างแข็งและชั้นแม่เหล็กอย่างอ่อนของ ECC media โดยโลหะผสมแม่เหล็กอย่างแข็งที่ศึกษาในงานวิจัยนี้ได้แก่ L10-FePt L10-FePd L11-CoPt Co/Pt CoPt และ MnBi ผลจากการจำลองแสดงให้เห็นว่าโลหะผสม L10-FePt L10-FePd และ MnBi เป็นตัวเลือกที่ดีเนื่องจากมีค่าโคเออซีวิตีมากเมื่อเทียบกับวัสดุแม่เหล็กชนิดอื่น โดยมีค่าโคเออซีวิตีเท่ากับ 10.2 4.5 และ 3.5 เทสลา ตามลำดับ ซึ่งเหมาะสำหรับใช้เป็นชั้นบันทึกข้อมูลใน ECC media และยังพบว่าโลหะผสม L10-FePd มีค่าคงค้างความเป็นแม่เหล็กสูงสุดเท่ากับ 110 มิลลิเทสลา นอกจากนี้วัสดุแม่เหล็กอย่างอ่อน Fe Co FeCo และ NiFe ถูกเลือกมาทำการศึกษาเพื่อหาวัสดุแม่เหล็กอย่างอ่อนที่เหมาะสมสำหรับใช้เป็นชั้นเอ็กเชนจ์คอบเปิ้ลของ ECC media ผลการจำลองไมโครแมกเนติกแสดงให้เห็นว่า ECC media ที่มี L10-FePt เป็นชั้นบันทึกข้อมูลแม่เหล็กเป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด โดยผลการจำลองยังแสดงให้เห็นว่าค่าโคเออซีวิตีของ ECC media ที่ถูกสร้างขึ้นจาก L10-FePt / Fe และ L10-FePt / Co จะทำให้ค่าโคเออซิวิตีของ L10-FePt ลดต่ำลงอย่างมีนัยสำคัญ เมื่อชั้นแม่เหล็กอย่างอ่อนมีความหนา 10 นาโนเมตร ขึ้นไป ในทางตรงกันข้าม ECC media ที่ถูกสร้างขึ้นจาก L10-FePd และ MnBi เป็นชั้นแม่เหล็กอย่างแข็งนั้นไม่เหมาะสมในการนำมาใช้ทำเป็น ECC media ทั้งนี้เนื่องจากต้องใช้ชั้นแม่เหล็กอย่างอ่อนที่มีความหนาใกล้เคียงกับความหนาของชั้นวัสดุแม่เหล็กอย่างแข็งเพื่อลดค่าโคเออซีวิตี