Optische Kräfte in Wärme

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 8451 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Eine der größten Herausforderungen bei der wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnungstechnologie ist die Ansammlung von Verunreinigungen, sogenannten Schmierstoffen, auf dem Nahfeldwandler. In diesem Artikel untersuchen wir die Rolle optischer Kräfte, die aus dem elektrischen Feldgradienten bei der Bildung von Schmierflecken entstehen. Basierend auf geeigneten theoretischen Näherungen vergleichen wir zunächst diese Kraft mit dem Luftwiderstand und der thermophoretischen Kraft in der Kopf-Scheibe-Grenzfläche für zwei verschmierte Nanopartikelformen. Anschließend bewerten wir die Empfindlichkeit des Kraftfeldes gegenüber dem relevanten Parameterraum. Wir stellen fest, dass der Brechungsindex, die Form und das Volumen des Schmiernanopartikels einen erheblichen Einfluss auf die optische Kraft haben. Darüber hinaus zeigen unsere Simulationen, dass die Grenzflächenbedingungen wie Abstand und das Vorhandensein anderer Verunreinigungen auch die Größe der Kraft beeinflussen.

Die Aufzeichnungsdichte herkömmlicher Festplattenaufzeichnungstechnologien nähert sich der superparamagnetischen Grenze, dennoch ist der Bedarf an Datenspeicherung höher als je zuvor. Die hitzeunterstützte Magnetaufzeichnung (HAMR) ist die führende Technologie, um dieser wachsenden Nachfrage gerecht zu werden1. Bei der HAMR wird ein Nahfeldwandler (NFT) über einen Wellenleiter mit einem Laser beleuchtet (Abb. 1a). Dies erzeugt durch die Anregung eines lokalisierten Oberflächenplasmons2 ein starkes optisches Nahfeld an seiner Spitze. Dieses Oberflächenplasmon wird verwendet, um ein FePt-basiertes Medium auf seine Curie-Temperatur (\(> 800\) K) zu erhitzen, um Schreibvorgänge durchzuführen. Während dieses Prozesses beträgt der mittlere Kopf-Scheiben-Abstand \(<10\) nm bei Drücken von mehreren zehn Atmosphären. Der Temperaturfeldgradient übersteigt \(10^9 \) K/m3 und die Stärke des elektrischen Feldes beträgt etwa \(7 \times 10^{7} \) V/m4 mit einem Gradienten von \(5 \times 10 ^{16} \) V/m\(^2\). Diese extremen Bedingungen ebnen den Weg für die Ansammlung von Verunreinigungen, sogenannten Smear, am Kopf5,6,7 (Abb. 1b). Ein grundlegendes Verständnis von Smear ist von entscheidender Bedeutung, da es sich um einen Schlüsselfaktor handelt, der die Zuverlässigkeit von HAMR-Laufwerken einschränkt. Mehrere Untersuchungen haben sich auf den temperaturbedingten Mechanismus konzentriert, der die Bildung von Schmierflecken antreibt8,9,10,11; Allerdings hat unseres Wissens bisher noch keine Studie die Auswirkungen des elektrischen Feldgradienten und sein Einfangpotenzial untersucht.

In seiner bahnbrechenden Arbeit zeigte Arthur Ashkin12, dass ein fokussierter Laserstrahl aufgrund einer optischen Kraft ein mikroskopisches Teilchen einfangen kann. Diese Kraft bildet die Grundlage optischer Pinzetten. Darüber hinaus wurde diese Theorie in den letzten Jahrzehnten erweitert, um die Beugungsgrenze des Lichts durch plasmonische Pinzetten zu durchbrechen13, die Oberflächenplasmonpolaritonen (SPP) und lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz (LSPR) nutzen. Mit dem Oberflächenplasmon auf dem NFT und den großen elektrischen Feldgradienten darüber kann die Kopf-Scheibe-Grenzfläche als plasmonische Pinzette fungieren, die Schmierpartikel einfängt. In dieser Studie untersuchen wir die Auswirkung dieses elektrischen Feldgradienten auf die Schlierenbildung. Wir quantifizieren die optischen, Widerstands- und thermophoretischen Kräfte unter Verwendung geeigneter theoretischer Annahmen. Anschließend vergleichen wir die Größe dieser Kräfte für ein sphärisches und ein ellipsoides Nanopartikel, um die relative Bedeutung der optischen Falle zu zeigen. Die Ergebnisse deuten auf das Vorhandensein einer optischen Falle hin, die die Schlierenbildung beeinflussen kann. Eine Sensitivitätsanalyse des relevanten Parameterraums legt nahe, dass die Eigenschaften und die Form der Schmiernanopartikel die optische Kraft erheblich beeinflussen. Darüber hinaus stellen wir fest, dass ein geringerer Abstand zwischen Kopf und Platte und das Vorhandensein von Fremdverunreinigungen den optischen Kraftmechanismus der Schlierenbildung unterstützen können. Abschließend fassen wir die Ergebnisse zusammen und ziehen Schlussfolgerungen, die beim Design der HAMR-Kopf-Platte-Schnittstelle hilfreich sein werden.

(a) Schematische Ansicht der HAMR-Kopf-Scheiben-Anordnung (nicht maßstabsgetreu). Es werden auch zwei Richtungen relativ zum Kopf angezeigt. Die Abwärtsrichtung verläuft entlang der Umfangsrichtung der Platte und die vertikale Richtung verläuft senkrecht dazu. Die Querrichtung verläuft entlang der Breite des Kopfes und in die Ebene des Schemas (b) Experimentelles Bild eines Abstrichs auf dem Kopf nach dem HAMR-Schreiben5.

Wir beginnen mit der Annahme, dass die grundlegende Schmiereinheit ein Partikel ist. Dies vereinfacht unsere Analyse, da wir das Kraftfeld untersuchen, das das Teilchen an einer bestimmten Position in der Kopf-Scheibe-Grenzfläche erfährt. Die durchschnittliche elektromagnetische Kraft auf ein Teilchen wird durch die elektrischen und magnetischen Felder an einer geschlossenen Oberfläche bestimmt, die das Teilchen umhüllt14. Die auf das Teilchen wirkende Kraft kann wie folgt geschrieben werden:

wobei \(\varvec{E}\) und \(\varvec{H}\) die elektrischen bzw. magnetischen Felder sind. \( \mu \) und \(\varepsilon \) sind die relative Permeabilität bzw. die relative Permittivität des umgebenden Mediums. \(\varvec{T}\) ist Maxwells Spannungstensor, \(\varvec{n}\) ist die Einheitsnormale senkrecht zur Integralfläche ds. Das Integral liegt über einer Oberfläche, die das Teilchen umschließt. Die Lösung dieser Gleichung ergibt zwei Kraftkomponenten. Das eine ist die Streukraft und das andere ist die optische Kraft14. Ersteres zeigt entlang des k-Vektors in der Ebene (d. h. entlang der Ausbreitungsrichtung). Er wird auch als Strahlungsdruck bezeichnet. Im Gegensatz dazu verläuft die optische Kraft entlang des Gradientenvektors des elektrischen Feldes und ist für den optischen/plasmonischen Pinzetteneffekt verantwortlich.

Die Berechnung des Maxwellschen Spannungstensors und die anschließende Integration sind sehr schwierig umzusetzen und erfordern langwierige Berechnungen. Daher verwenden wir eine geeignete Näherung, um eine geschlossene Gleichung abzuleiten. Wenn die Partikelgröße ausreichend kleiner als die Wellenlänge des Lichts ist, wird die Dipol- oder Rayleigh-Näherung angewendet. Das Teilchen wird als Punktdipol angenähert, der auf ein externes elektrisches Feld wirkt. Die Streuung und optischen Kräfte unter dieser Annahme sind gegeben durch14,15:

wobei \(n_m\), I und \({\hat{z}}\) der Brechungsindex des umgebenden Mediums, die Intensität des Lichts bzw. die Ausbreitungsrichtung sind. \(C_{pr}\) ist der Querschnitt des Strahlungsdrucks, gegeben durch:

und \(\varvec{p}\) ist die Polarisation gegeben durch:

Dabei ist r der Radius des Teilchens und \(\varepsilon \), \(\varepsilon _m\) die relative Permittivität des Teilchens und des umgebenden Mediums. \(\varepsilon _0\) ist die Vakuumpermittivität. c und k sind die Geschwindigkeit bzw. Wellenzahl des Lichts. Daher können wir die Kraft auf das Teilchen schreiben als:

wobei \( I = \frac{1}{2} c \varepsilon _0 n_m | \varvec{E}^2|\) die Intensität des Lichts ist. Da die optische Kraft proportional zu \(r^3\) und die Streukraft proportional zu \(r^6\) ist, gilt für \(r\ll 1\) \(\varvec{F}_{ Streuung} \ll \varvec{F}_{optisch}\). Daher werden wir die Streueffekte für den Rest dieses Berichts vernachlässigen.

Die Kopf-Scheibe-Grenzfläche in der Nähe des NFT erstreckt sich über mehrere zehn Nanometer entlang der Kopfoberfläche und weniger als 10 nm in vertikaler Richtung über die Kopf-Scheibe-Grenzfläche. In diese Lücke können dünne Strukturen gut passen. Wir können die flockenartige Struktur als Ellipsoid mit einem sehr hohen Seitenverhältnis annähern. Gans16,17,18 entwickelte eine modifizierte Polarisation für ein ellipsoides Teilchen, gegeben durch:

wobei \(r_i\) und \(L_i\) der Radius bzw. ein geometrischer Faktor in der Richtung \(i^{\text{ th }}\) sind. \(L_i\) liegt zwischen 0 und \(\frac{1}{3}\) und ist gegeben durch:

Dabei ist \(r_i\) der Radius des Ellipsoids in der jeweiligen Richtung. Unter Verwendung der modifizierten Polarisationsfaktoren ist die optische Nettokraft gegeben durch:

Wir nennen den Term in der Klammer den Verstärkungsfaktor \(\left( E_f \right) \), da er die Feldverstärkung angibt, die ein Teilchen um sich selbst induziert. Der Nenner in diesem Begriff weist auf die Möglichkeit einer Singularität hin, wenn der geometrische Faktor und die Permittivität die Fröhlich-Bedingung erfüllen, gegeben durch:

Wenn sich die Permittivität des Teilchens dem durch Gl. (14) nimmt die Kraft, die das Teilchen erfährt, drastisch zu. Da \(L_i\) immer kleiner als 1 ist, ist die Bedingung nur dann erfüllt, wenn der Realteil der Permittivität negativ ist. In solchen Materialien ist die imaginäre Komponente der Permittivität ungleich Null; Somit erreicht die Kraft keine Singularität. Dennoch ist diese Bedingung von Interesse, da die optische Kraft ihren Spitzenwert erreicht, wenn der Realteil die Fröhlich-Bedingung erfüllt. Die Relevanz dieser Bedingung wird untersucht, wenn wir die Materialabhängigkeit der optischen Kraft untersuchen.

Thermophorese ist die kollektive Wirkung der Brownschen Bewegung der Luftpartikel aufgrund eines Temperaturgradienten. Aufgrund der ungleichmäßigen Temperatur an den beiden Enden des Partikels wird eine Nettokraft erzeugt, die zur kühleren Seite gerichtet ist19. Da an der Kopf-Platten-Grenzfläche ein Temperaturgradient von der heißen Platte zum relativ kühleren Kopf herrscht, kann auf ein Schmierpartikel eine thermophoretische Kraft wirken, die auf den NFT gerichtet ist.

Obwohl der Luftdruck in der Kopf-Scheibe-Grenzfläche innerhalb der Kontinuumsgrenze liegt, ist die mittlere freie Weglänge eines Gasmoleküls viel größer als die charakteristische Länge des Kopf-Scheiben-Raums, sodass eine Grenze für freie molekulare Gase angemessener ist. Die thermophoretische Kraft wurde in diesem Fall von Torczynski entwickelt und in Gallis20 beschrieben.

Dabei sind r, n, \(k_B\) der Kugelradius, die Zahlendichte des Gases und die Boltzmann-Konstante. \(T_H\) und \(T_C\) sind die Temperatur am heißen bzw. kalten Ende. Da diese Gleichung für eine Kugel und nicht für ein Ellipsoid entwickelt wurde, beschränken wir die Verwendung der Formel auf das sphärische Nanopartikel.

Bei der Widerstandskraft kann man sich die Kräfte entweder als Druckwiderstand oder als Mantelreibungswiderstand vorstellen. Im Fall des Druckwiderstands formulierte Epstein die Widerstandskraft im freien molekularen Bereich als21:

wobei \(\alpha \) ein Faktor ist, der von der Kollision des Gaspartikels mit der Oberfläche des Nanopartikels abhängt. Bei sehr kleinen Kugeln liegt \(\alpha \) nahe bei 1. Bei einer ellipsoiden Struktur mit hohem Aspektverhältnis dominiert die Reibungswiderstandskraft der Haut. Die Hautreibungskomponente kann durch die Scherkraft, die der Kopf erfährt, angenähert werden. Die Gesamtscherkraft am Kopf wird mithilfe einer Luftlagersimulation berechnet. Wenn die gesamte Scherkraft \(F_{s,total}\) ist, dann

Dabei sind \(A_{Ellipsoid}\) und \(A_{Kopf}\) die projizierten Oberflächen des Ellipsoids bzw. des Kopfes.

Abgesehen von den thermophoretischen Kräften und den Widerstandskräften gibt es in einer typischen HAMR-Kopf-Scheibe-Schnittstelle viele andere Kräfte. Eine wichtige Kraft ist die Van-der-Waals-Kraft, die die Teilchen zum Kopf oder zur Scheibe zieht. Aufgrund der hohen Temperaturen und der komplexen Materialien im Kopf und in der Platte ist es jedoch schwierig, die Van-der-Waals-Kräfte genau zu berechnen. Daher beschränkt sich diese Studie auf den Vergleich der optischen Kraft mit der thermophoretischen Kraft und der Widerstandskraft.

Der erste Satz Simulationen beginnt mit einer sauberen, luftgefüllten Kopf-Scheiben-Schnittstelle mit einem Abstand von 8 nm. Die saubere Luft wurde verwendet, um den Ursprung der Schmieransammlung zu verstehen. Die Luftdichte wird bei einem Druck von 25 atm berechnet. Die repräsentative Masse jedes Luftmoleküls beträgt \(4,3 \times 10^{-26} \)kg. Wir simulieren zwei Teilchen, um die Kräfte zu vergleichen. Das eine ist ein kugelförmiges Nanopartikel mit einem Radius von 1 nm und das andere ist ein Ellipsoid mit Radien von 6 nm in der Richtung in der Ebene und 1 nm in der vertikalen Richtung (siehe Abb. 2). Die Partikel haben einen Brechungsindex von 1,53 bei 830 nm Licht und eine Dichte von \(2650 \; \text {kg}/\text {m}^3\), was einem SiO\(_2\)-Partikel entspricht. Die Kräfte werden in drei Richtungen berechnet. Erstens die Abwärtsrichtung, die entlang der Länge des Kopfes und parallel zur Schreibspur verläuft. Zweitens die Richtung quer zur Spur, die senkrecht zur Schreibspur und entlang der Breite des Kopfes verläuft. Die dritte ist die vertikale Richtung, die senkrecht zum Aufzeichnungsmedium und zur luftgelagerten Oberfläche des Kopfes verläuft. Die Abwärts- und Vertikalrichtungen sind in Abb. 1a dargestellt. Die Kräfte wurden an jedem Punkt der Ebene berechnet und die resultierenden Kräfte als Wärmekarte aufgetragen. Jeder Punkt in dieser Wärmekarte zeigt die Größe der Kraft in der Richtung, die die Karte darstellt.

Das elektrische Feld an der Schnittstelle der HAMR-Kopf-Scheiben-Anordnung wird durch Lösen der Maxwell-Gleichungen mithilfe einer Finite-Elemente-Methodensimulation im Frequenzbereich einer internen HAMR-Kopf-Scheiben-Anordnung in CST Microwave Studio10 ermittelt. Anschließend wird ein stationärer Solver zur Berechnung des Temperaturfeldes verwendet. Aufgrund des proprietären Charakters des Designs können wir die elektrischen und Temperaturfelder nicht öffentlich veröffentlichen; Sie wurden jedoch als Grundlage für die Berechnung der in diesem Bericht dargestellten optischen Kräfte verwendet.

Illustration des Ellipsoids: Die blaue und die rote Ebene stellen die Ober- und Unterseite der Scheibe bzw. des Kopfes dar. Die grüne Scheibe in der Mitte ist das ellipsoide Schmiernanopartikel. (a) Die Seitenansicht des Ellipsoids, (b) Die isometrische Ansicht.

Im Fall des kugelförmigen Partikels sind der Widerstand, die thermophoretischen und optischen Kräfte in Abb. 3 dargestellt. Die Größe der optischen Kraft beträgt etwa 25 fN in Abwärtsrichtung und 60 fN in vertikaler Richtung. In der Nähe des hinteren Endes des Nahfeldwandlers (NFT) wird ein Stagnationspunkt beobachtet. Diese Kraft würde dazu führen, dass das Nanopartikel in der Nähe des NFT bleibt. Einige Merkmale der Kräfte in Abwärtsrichtung sind asymmetrisch, da der zugrunde liegende elektrische Feldgradient asymmetrisch ist. Bei den Kräften in vertikaler Richtung (Abb. 3d) sehen wir eine positive Kraft, die das Teilchen in Richtung NFT (von der Scheibe weg) zieht. Dennoch sind die Kräfte im Vergleich zum Widerstand und den thermophoretischen Kräften kleiner. Sie deuten darauf hin, dass die optischen Kräfte auf die sphärischen SiO\(_2\)-Partikel die Kräfte nicht überwinden würden und das Partikel stromabwärts des NFT drücken würden.

Vergleich der Kräfte auf ein kugelförmiges Teilchen: (a) Optische Kraft in der Abwärtsrichtung auf einer Ebene 1 nm unter dem Kopf, (b) die Widerstandskraft in der Abwärtsrichtung, (c) die thermophoretische Kraft in der Abwärtsrichtung Spurrichtung, (d) die optische Kraft in vertikaler Richtung, (e) die thermophoretische Kraft in vertikaler Richtung.

Im Fall des ellipsoiden Teilchens sind die optischen Kräfte und die Widerstandskraft in Abb. 4 dargestellt. Das Gesamtverhalten und Muster der optischen Kräfte ähneln denen des sphärischen Gehäuses. Es ist jedoch zu beachten, dass bei einer ellipsoiden Form die auf das Teilchen wirkende Kraft um eine Größenordnung größer ist als bei einem kugelförmigen Teilchen. Die optische Kraft auf das ellipsoide Teilchen ist 44x größer, während seine Widerstandskraft 2x größer ist. Dies liegt daran, dass die optische Kraft direkt proportional zum Volumen ist und das ellipsoide Teilchen in der dünnen Grenzfläche ein viel größeres Volumen erreicht als die Kugel. Die Widerstandskraft auf die Ellipsoidform nimmt mit dem Volumen nicht so dramatisch zu, da sich das Ellipsoid wie ein stromlinienförmiger Körper verhält. Somit würden ellipsoide oder schlank geformte SiO\(_2\)-Partikel erhebliche optische Kräfte erfahren. Die entgegengesetzten Kräfte in der Nähe der Hinterkante des NFT induzieren einen Potentialtopf, der ein Schmierpartikel gegen die entgegengesetzte Widerstandskraft einfängt.

In vertikaler Richtung (Abb. 4c) sind die Kräfte in der Nähe der Scheibe vernachlässigbar. Wenn sich das Teilchen jedoch der NFT nähert, nimmt die optische Kraft allmählich zu. Insbesondere werden große Kräfte in der Nähe der Vorder- und Hinterkante des NFT beobachtet. Dies liegt daran, dass das vom Laser erzeugte Oberflächenplasmon an diesen Stellen seine höchste Intensität aufweist. Die gegensätzlichen Kräfte erzeugen eine Einfangzone, so dass ein in der Nähe des NFT fliegender Schmierpartikel von diesem eingefangen wird. In Kombination mit den Kräften, die in Abwärts- und Querrichtung zur Spur wirken, wird die optische Falle gebildet, die Schmierpartikel in der Kopf-Platten-Grenzfläche einschließen kann. Diese Eingrenzung kann zu einer Schmierstoffbildung im Kopf führen.

Vergleich der Kräfte auf ein ellipsoides Teilchen: (a) Optische Kraft in Abwärtsrichtung, (b) die thermophoretische Kraft in Abwärtsrichtung, (c) Optische Kraft in vertikaler Richtung.

Zusätzlich zu SiO\(_2\) kann Schmierung aus einer komplexen Kombination von Materialien entstehen, darunter HAMR-Scheibenmetalle wie Eisen, Platin und Kobalt sowie Dielektrika wie PFPE-Schmiermittel22,23. In diesem Unterabschnitt variieren wir das Abstrichmaterial, um den Einfluss auf die optische Kraft zu bestimmen. Die Permittivitäten der Materialien bestimmen in erster Linie die Variation der optischen Kräfte. Die Komponente, die die relative Permittivität enthält, ist der Feldverstärkungsfaktor \(E_f\). Unter Verwendung der relativen Permittivitätswerte (Quadrat des Brechungsindex), die in der Literatur für verschiedene Partikel in Tabelle 1 gefunden wurden, berechneten wir die optische Kraft entlang der Abwärts-, Quer- und Vertikalrichtung. Der aus diesen Diagrammen erhaltene Potentialtopf ist in Abb. 5 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Metalle im Allgemeinen viel größeren optischen Kräften ausgesetzt sind als Dielektrika. Darüber hinaus weisen Platin und Kobalt selbst unter den bewerteten Metallen das größte Potenzial auf. Unter den Dielektrika haben Silica-Partikel größere optische Kräfte als PFPE-Schmiermittel. Diese Unterschiede können auf die unterschiedlichen Verstärkungsfaktoren zurückgeführt werden, die mit den verschiedenen Materialien verbunden sind.

Wir zeichnen den Verstärkungsfaktor für diese Materialien als Funktion des Seitenverhältnisses in Abb. 5a – c auf. In diesen Diagrammen ist der Radius in vertikaler Richtung \(r_z\) auf 1 nm festgelegt. Im Fall von Eisen, wenn \(r_y = 1\)nm und \(r_x = 6,76\) nm, beträgt der geometrische Faktor \(L_i = 0,0578\). Die Permittivitäten von Eisen und Luft betragen \(2,9425 + 3,4115i\) bzw. 1. Wenn wir diese Werte in die Frölich-Gleichung einsetzen, erhalten wir \(E_f = 3,4776\), das ist der Punkt, an dem der Verstärkungsfaktor seinen Höhepunkt erreicht. Dieser Peak ist darauf zurückzuführen, dass der Realteil seiner Permittivität die Frölich-Bedingung erfüllt. Wie bereits erwähnt, verhindert der imaginäre Term der relativen Permittivität eine Singularität. Ein ähnliches Verhalten ist sowohl für Kobalt als auch für Platin zu beobachten. Die Peakabmessungen sind in Tabelle 2 dargestellt. Für Platin steigt der Verstärkungsfaktor schnell auf Werte an, die um eine Größenordnung über denen von Eisen liegen. Allerdings werden diese Werte nur bei extrem hohen Seitenverhältnissen erreicht. Bei diesen Dimensionen kann das Teilchen nicht mehr als Punktdipol mit einem gleichmäßigen elektrischen Feldgradienten über das Teilchen betrachtet werden. Die zuvor entwickelten Gleichungen würden daher nicht mehr gelten.

Im Fall von PFPE (Abb. 5c) wächst der Verstärkungsfaktor, bis er einen stabilen Spitzenwert erreicht. Jede Erhöhung des Seitenverhältnisses hat vernachlässigbare Auswirkungen auf den Verstärkungsfaktor. Ein ähnliches Ergebnis kann auch für SiO\(_2\) beobachtet werden. Für PFPE und SiO\(_2\) betragen die Spitzenwerte \(E_f\) 0,27 bzw. 0,44. Diese Werte sind kleiner als 1, daher nennen wir sie eher Dämpfung als Verstärkung. Dieses Ergebnis steht im Einklang mit den in Abb. 5 dargestellten Bohrlöchern mit geringerem Potenzial.

(a–c) Feldverbesserung für Platin-, Eisen- und PFPE-Schmiermittel. \(r_x\) ist der Radius in Abwärtsrichtung, \(r_y\) ist der Radius in Querrichtung und \(r_z\), der Radius in vertikaler Richtung ist auf 1 nm festgelegt. (d) Der normalisierte Potentialtopf in Abwärtsrichtung auf einer Ebene 1 nm unter dem Kopf für verschiedene Materialien. (e) Der normalisierte Potentialtopf in vertikaler Richtung für verschiedene Materialien.

Der Kopf-Scheiben-Abstand bei HAMR variiert in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren. Hier untersuchen wir, wie sich die optischen Kräfte mit unterschiedlichem Kopf-Scheiben-Abstand ändern. Wie in den vorherigen Abschnitten wird eine elektromagnetische Analyse für Kopf-Scheiben-Abstände von 8 nm, 4 nm und 2 nm durchgeführt. Anschließend wurden optische Kräfte auf ein ellipsoides SiO\(_2\)-Partikel berechnet und analysiert. Die normalisierten Potentialtöpfe aus diesen Fällen sind in Abb. 6 dargestellt. Alle drei Diagramme zeigen, dass eine Verringerung des Abstands zu einer Erhöhung der optischen Kraft führt. Daher kann das Arbeiten mit größeren Abständen im Allgemeinen möglicherweise die optisch induzierte Abstrichansammlung reduzieren. Darüber hinaus ist die Zunahme der potenziellen Tiefe von 8 nm auf 4 nm und die von 4 nm auf 2 nm ähnlich. Dies deutet darauf hin, dass die Geschwindigkeit, mit der die optische Kraft abnimmt, bei größerem Abstand ebenfalls abnimmt. Somit gibt es eine Grenze, jenseits derer jede Vergrößerung des Abstands nicht zu einem nennenswerten Abfall der optischen Kraft führt.

Optische Kräfte für unterschiedliche Abstände: (a) Richtung nach unten (berechnet auf einer Ebene 1 nm unter dem Kopf), (b) Richtung quer zur Spur (berechnet auf einer Ebene 1 nm unter dem Kopf) und (c) vertikale Richtung .

Unsere Analyse ging in allen vorherigen Simulationen von einer sauberen Luftschnittstelle ohne Kontamination aus. Unter Betriebsbedingungen enthält die Kopf-Platten-Schnittstelle jedoch viele Verunreinigungen. In diesem Unterabschnitt analysieren wir die Kraft, die ein ellipsoidisches Nanopartikel aus Schmierstoff in einer Umgebung erfährt, in der bereits andere Schmierstoffkontaminanten vorhanden sind. Wir betrachten zwei Arten von Schadstoffen. Da an der Schnittstelle reichlich organische Materialien vorhanden sind, beispielsweise das Schmiermittel, mit dem die Platte beschichtet ist, wird unsere erste Verunreinigung eine Schicht organischer Schmierstoffe auf dem Kopf sein. Zweitens weist Platin, wie wir gezeigt haben, einen erheblichen Verstärkungsfaktor auf und hat das Potenzial, einen erheblichen Einfluss auf die Kräfte zu haben, denen ein sekundäres Nanopartikel ausgesetzt ist. Deshalb werden wir einen metallischen Körper aus Platin in Nanogröße in die Schnittstelle einführen und die Ergebnisse analysieren.

In diesem Fall modellieren wir die Kopf-Platten-Schnittstelle in zwei Schichten. Die erste an der Platte befestigte Schicht war sauber und frei von Verunreinigungen, und die zweite am Kopf befestigte Schicht bestand vollständig aus organischem Schmiermittel. Durch die unterschiedliche Dicke der beiden Schichten ähnelt diese Konfiguration dem Wachstum des Abstrichs auf der Kopfoberfläche im Laufe der Zeit. Unter Annahme eines Brechungsindex der organischen Schicht von 1,3 haben wir für jeden Fall die optische Kraft in Abwärts- und Vertikalrichtung berechnet und analysiert. Die Kräfte werden mit der Spitzenkraft normiert und die erhaltenen Potentialtöpfe sind in Abb. 7 dargestellt. Im ersten Fall beträgt der Gesamtabstand 4 nm ohne jegliche Verschmierung, im zweiten Fall beträgt der Gesamtabstand 4 nm mit jeweils 2 nm Luft und Verschmierung, und im dritten Fall liegt ein Gesamtabstand von 2 nm ohne Verschmierung vor, und im vierten Fall liegt ein Gesamtabstand von 2 nm mit 1 nm Luft und Verschmierung vor.

Der Kraftanstieg bei Einführung des Abstrichs für die 2-nm- und 4-nm-Fälle beträgt den Faktor 1,5. Wenn wir also den Abstand festlegen und gleichzeitig zulassen, dass sich die Verschmierung auf dem Kopf aufbaut, erhöhen sich die optischen Kräfte, die auf ein verschmiertes Nanopartikel in der Luftschicht wirken. Darüber hinaus folgt die Potenzialquelle im zweiten und dritten Fall an kritischen Stellen einem ähnlichen Pfad. In beiden Fällen liegt eine 2 nm dicke Luftschicht vor. Dies zeigt, dass die Dicke der Luftschicht die optische Kraft auf ein verschmiertes Nanopartikel bestimmt. Wenn sich der Schmutz auf der Kopfoberfläche ansammelt, verringert sich die effektive Tiefe der Reinluft. Somit verhält sich die Schnittstelle so, als ob der Kopf-Scheiben-Abstand verringert würde, wenn wir die optische Kraft schätzen. Diese Ergebnisse unterstreichen, wie wichtig es ist, die Schnittstelle zwischen Kopf und Platte frei von organischen Schmierschichten zu halten. Andernfalls kann die optische Kraft ein zusätzliches Schmierwachstum begünstigen.

Normalisierter Potentialtopf entlang verschiedener Richtungen für unterschiedliche Abstände und Kontaminationsraten: (a) Abwärtsrichtung und (b) vertikale Richtung.

In diesem Fall führen wir ein zylindrisches Objekt aus Platin in eine saubere 8 nm dicke Kopf-Scheiben-Grenzfläche ein. Der Zylinder hat einen Radius von 10 nm und eine Länge von 2,2 nm. Das Platinpartikel wurde auf die Scheibe gelegt. Anschließend berechnen wir die optische Kraft und untersuchen das Nettokraftfeld, das vom primären Grenzflächenpartikel auf einem sekundären Nanopartikel erzeugt wird. Das Kraftfeld wird mit der Kraft normalisiert, wenn das Objekt nicht vorhanden ist. Der nachfolgende Potentialtopf in Abwärts- und Vertikalrichtung ist in Abb. 8 dargestellt.

Wir haben herausgefunden, dass die Tiefe des Potentialtopfs in Gegenwart des Partikels in Abwärtsrichtung etwa 8-mal größer und in vertikaler Richtung 20-mal größer ist. Der Spitzenabfall im Potentialtopf liegt nahe der Oberfläche des Zylinders. Der starke Abfall ist darauf zurückzuführen, dass an der Metall-Luft-Grenzfläche des Objekts ein sekundäres Oberflächenplasmon erzeugt wird. Dieses sekundäre Plasmon induziert einen großen elektrischen Feldgradienten, der andere Schmiernanopartikel einfangen kann. Daher werden Schmierpartikel in der Nähe des metallischen Objekts von diesem und nicht vom NFT angezogen. Diese Anziehungskraft und die anschließende Adhäsion am metallischen Gegenstand könnten dazu führen, dass dieser an Größe zunimmt. Tatsächlich verhalten sich das ursprüngliche Partikel und die es umgebenden Partikel wie ein zusammengesetztes Objekt mit einer beliebigen Form. Dieses zusammengesetzte Objekt hat nun ein viel größeres Volumen und folglich eine viel größere optische Kraft, die auf es einwirkt, die durch das elektrische Feld des NFT induziert wird.

Normalisierter Potentialtopf entlang verschiedener Richtungen für den Fall mit und ohne Platinpartikelverunreinigung: (a) Abwärtsrichtung und (b) vertikale Richtung.

In diesem Artikel wird die optische Kraft auf ein verschmiertes Nanopartikel in der Kopf-Scheibe-Grenzfläche quantifiziert. Weitere Untersuchungen des relevanten Parameterraums ergaben die Bedingungen, unter denen die optische Kraft erhebliche Auswirkungen auf die Schlierenbildung haben kann. Diese Faktoren können als Smear- und Interface-Parameter kategorisiert werden.

Die wichtigsten Schmierparameter sind Form, Material und Volumen des Schmiernanopartikels. Eine Vergrößerung des Partikelvolumens führt zu größeren Kräften. Beim filmartigen Kopf-Scheiben-Abstand wird die Volumenvergrößerung durch die Berücksichtigung einer scheiben-/ellipsoidförmigen Schmierflocke erreicht. Eine Ellipsoidform in Kombination mit einer entsprechenden Permittivität bei Metallen ermöglicht außerdem die Erfüllung der Fröhlich-Bedingung, was den Effekt um das 3- bis 6-fache verstärkt. Daher erfahren Metalle eine viel höhere optische Kraft, selbst wenn sie in relativ geringen Mengen vorhanden sind. Dielektrika wie Silica und PFPE Lube erfahren keine Feldverstärkung, sondern eher eine Abschwächung. Dennoch können Dielektrika in großen Mengen erhebliche optische Kräfte erfahren.

Die Schnittstellenparameter sind der Kopf-Platten-Abstand und das Vorhandensein anderer Verunreinigungen. Eine Verringerung des Kopf-Scheiben-Abstands erhöht die optische Kraft auf ein verschmiertes Nanopartikel. Darüber hinaus kann das Vorhandensein von Verunreinigungen wie einer vorhandenen Schmierschicht und einem Metallpartikel die optische Kraft erhöhen, die ein sekundärer Schmierpartikel erfährt. Metallische Verunreinigungen haben den größten Einfluss auf die optischen Kräfte. Der Kraftanstieg ist um mehr als eine Größenordnung größer als im Fall ohne das Teilchen. Dies ist auf die Bildung eines sekundären, sich oberflächenausbreitenden Plasmons an der Metallpartikel-Luft-Grenzfläche zurückzuführen.

Da optische Kräfte von der Größe des elektrischen Feldgradienten abhängen, kann eine Änderung des NFT-Designs zu unterschiedlichen optischen Kräften führen. Wenn ein NFT jedoch ein Oberflächenplasmon erzeugt, wirken in seiner Nähe optische Kräfte. Die Größe der Kraft hängt von der Größe des elektrischen Feldgradienten ab. Weitere Studien können durchgeführt werden, um zu verstehen, wie optische Kräfte von NFT-Designs abhängen. Zukünftige Untersuchungen werden auch komplexere optische Kraftmodelle mit zusätzlichen Überlegungen untersuchen. Ein entscheidender Gesichtspunkt ist die Permittivität der verschiedenen Materialien. Wir haben angenommen, dass das Schmiernanopartikel die gleiche Dielektrizitätskonstante aufweist wie sein Massengegenstück. Allerdings würde die extrem geringe Größe des Partikels die Permittivität verändern. Von Interesse wäre der Effekt der veränderten Permittivitätswerte. Ein weiterer zu untersuchender Bereich wäre, über die Rayleigh-Näherung hinauszuschauen, um die genaue Kraft zu berechnen, die auf ein verschmiertes Nanopartikel einwirkt. Mit den Maxwell-Gleichungen können die gestreuten elektrischen und magnetischen Felder berechnet werden. Diese Felder können dann verwendet werden, um die genaue optische Kraft mithilfe der Spannungstensormethode von Maxwell zu berechnen (Gleichung 2). Die Ergebnisse können dann verwendet werden, um die Gültigkeit der in diesem Bericht verwendeten Rayleigh-Näherung zu vergleichen.

Die für die aktuelle Studie verwendeten Datensätze sind auf begründete Anfrage möglicherweise beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Arbeit wurde von der Western Digital Corporation unterstützt. RT möchte S. Rajauria, E. Schreck und I. McFadyen für ihre wertvollen Kommentare danken. RT möchte sich auch für die Unterstützung durch das Computer Mechanics Lab der UC Berkeley bedanken.

Fakultät für Maschinenbau, UC Berkeley, Berkeley, CA, 94720, USA

Roshan Mathew Tom & David B. Bogy

Das CTO-Büro, Western Digital Technologies, San Jose, CA, 95119, USA

Robert Smith, Oscar Ruiz und Qing Dai

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RT konzipierte das Ziel, entwickelte das Modell und untersuchte die Ergebnisse. RS betreute RT, führte optische und thermische Simulationen durch und untersuchte die Ergebnisse. ODER konzipierte das Ausgangsproblem und lieferte theoretische Unterstützung. QD überwachte das Projekt und half bei der Untersuchung der Ergebnisse. Die Aufsicht übernahm die DB. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Roshan Mathew Tom.

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen bekannt sind.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Tom, RM, Smith, R., Ruiz, O. et al. Optische Kräfte in der wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnungskopf-Platte-Schnittstelle. Sci Rep 13, 8451 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-35126-3

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Eingegangen: 27. Februar 2023

Angenommen: 12. Mai 2023

Veröffentlicht: 25. Mai 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-35126-3

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