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超高密度磁记录用介质和磁头材料的研究

作　者: 李彦波
导　师: 魏福林
学　校: 兰州大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 磁头材料薄膜技术超高密度软磁性能垂直磁记录介质合金相磁场退火磁晶各向异性能磁记录技术择优取向多层膜结构衬底层垂直各向异性矫顽力典型样品玻璃基片磁控溅射通常条件退火温度介质材料
分类号: TB34
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着磁记录技术的不断发展,记录面密度迅速提高,已经接近磁记录的物理极限。目前,磁记录技术发展所面临的挑战主要包括介质材料和磁头材料两个方面。超高密度磁记录要求写磁头材料具有高的饱和磁化强度。Fe65Co35合金具有最高的饱和磁化强度值(24.5 kG),因而引起了研究人员的广泛关注。但是,由于Fe65Co35合金的磁晶各向异性常数(～10 kJ／m3)和饱和磁致伸缩系数(4.0～6.5×10-5)都很高,通常条件下制备的Fe65Co35薄膜的矫顽力都很高,无法直接应用于超高密度磁记录磁头材料。因此,如何改善Fe65Co35薄膜的软磁性成了一项非常重要和有意义的工作。Ll0相FePt合金的磁晶各向异性能(Ku～7×107ergs／cm3)很高,作为超高密度垂直磁记录介质材料具有广阔的应用前景。众所周知,作为垂直磁记录介质材料,FePt薄膜中晶粒的易磁化轴(即c轴)应该与膜面垂直。然而,由于FePt合金的原子密堆积面为(111)面,通常条件下制备的FePt薄膜为(111)织构,晶粒的c轴与膜面并不垂直。如何在FePt薄膜中获得良好的(001)取向和垂直各向异性成为垂直磁记录介质材料研究的重要挑战之一。该论文主要研究了用于超高密度磁记录介质材料的FePt薄膜和[Fe／Pt]n。多层膜以及用于写磁头材料的Fe65Co35薄膜的微结构和磁性能。论文主要包括三部分：一、沉积在不同衬底层上的Fe65Co35薄膜的微结构和软磁性研究主要研究了沉积在Fe,Ni80Fe20,Co93Fe7,Cu四种衬底上的Fe65Co35(100 nm)薄膜的微结构和软磁性,并对(200)和(110)两种织构典型样品的磁晶各向异性能和磁弹性各向异性能进行计算和比较,进而从能量的角度深入地分析和探讨了不同衬底材料对Fe65Co35薄膜软磁性改善效果不同的内在原因。该工作得到的结论主要有以下几点：(a)与直接沉积在玻璃基片上的Fe65Co35薄膜相比,使用衬底层后Fe65Co35薄膜的软磁性明显得到改善。(b)衬底层对Fe65Co35薄膜软磁性的改善效果与衬底层的材料和厚度密切相关,不同的衬底材料对Fe65Co35薄膜软磁性的改善效果不同。(c)在不同材料的衬底层生长的Fe65Co35薄膜的织构不同,随着(110)峰与(200)峰的积分强度比I(110)／I(200)的降低,Fe65Co35薄膜的难轴矫顽力整体上呈下降趋势,亦即当择优取向由(110)转变为(200)时,Fe65Co35薄膜的软磁性改善。(d)以典型样品为例,计算表明择优取向为(200)的Fe65Co35薄膜的磁晶各向异性能和磁弹性各向异性能均低于择优取向为(110)的Fe65Co35薄膜,因此择优取向为(200)的Fe65Co35薄膜的软磁性优于择优取向为(110)的Fe65Co35薄膜。二、磁场退火对FePt薄膜微结构、(001)取向和磁性的影响用磁控溅射法在Si基片上沉积了一系列不同厚度的FePt薄膜,并在L10相FePt合金的居里温度Tc附近对其进行了加磁场热处理,重点研究了磁场退火对FePt薄膜微结构、(001)取向和磁性能的影响。该工作得到的结论主要有以下几点:(a)通过磁场退火的方法可以有效地改善FePt薄膜的(001)取向。(b)当低温阶段的退火温度在FePt合金的居里温度Tc附近时,FePt薄膜的(001)取向最明显,退火效果最好。先在700℃退火30分钟,再在478℃退火60分钟后的FePt(20 nm)薄膜的(001)峰与(111)峰的积分强度比I(001)/I(111)接近于7.(c)在实际工业应用中,这可能是一种改善FePt薄膜(001)取向和垂直各向异性的新方法。三、非外延[Fe／Pt]n多层膜的微结构和磁性能研究主要研究了采用非外延方法生长的一系列[Fe／Pt]n(n=8,16,20,32)多层膜的微结构和磁性,重点讨论了Fe层和Pt层之间的界面效应对[Fe／Pt]n多层膜垂直各向异性的影响,并通过测量[Fe／Pt]n多层膜典型样品和相同厚度FePt单层膜的δM(H)曲线的方法分析了薄膜中晶粒之间的磁相互作用。该工作得到的主要结论有以下几点：(a)所制备[Fe／Pt]n多层膜的择优取向为(111)取向,却呈现出一定的垂直各向异性。(b)[Fe／Pt]n多层膜的垂直各向异性与循环周期数n密切相关,随着周期数n的增加,[Fe／Pt]n多层膜的垂直各向异性先增大后减小,垂直各向异性的增强很可能是由Fe层和Pt层接触界面上的界面各向异性导致的。(c)采用[Fe／Pt]n多层膜结构可以有效地降低晶粒之间的交换耦合作用,这对提高超高密度磁记录的信噪比是非常有利的。(d)这可能是工业上比较实用的可以有效增强FePt薄膜垂直各向异性,同时降低晶粒之间交换耦合作用的一种新方法。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-37
  1.1 磁记录技术的发展历程  13-17
  1.2 超高密度磁记录发展遇到的挑战  17-19
  1.3 磁记录知识简介  19-30
    1.3.1 磁记录的写读过程  19-22
    1.3.2 磁记录磁头  22-27
    1.3.3 磁记录介质  27-30
  1.4 磁记录技术的展望  30-33
    1.4.1 热辅助磁记录(HAMR-Heat Assisted Magnetic Recording)  30-31
    1.4.2 倾斜磁记录(Tilted Perpendicular Recording)  31-32
    1.4.3 图形介质(Pattern Media)  32
    1.4.4 交换耦合复合介质(ECC Media-Exchange Coupled Composite Media)  32-33
  参考文献  33-37
第二章薄膜的制备与表征  37-51
  2.1 薄膜的制备  37-40
    2.1.1 溅射和磁控溅射的原理介绍  37-39
    2.1.2 薄膜的制备装置  39-40
    2.1.3 基片的选择与清洗  40
  2.2 薄膜的结构和性能表征  40-50
    2.2.1 薄膜晶体结构的确定  40-41
    2.2.2 薄膜宏观磁性的测量  41-44
    2.2.3 薄膜的微观磁性测量  44-45
    2.2.4 薄膜厚度的测量  45-47
    2.2.5 薄膜表面形貌和磁畴的观察  47-49
    2.2.6 薄膜材料的成分分析  49-50
  参考文献  50-51
第三章沉积在不同衬底上的Fe_(65)Co_(35)薄膜的微结构和软磁性能研究  51-79
  3.1 Fe_(65)Co_(35)薄膜及衬底层的制备  51-52
  3.2 Fe衬底层对Fe_(65)Co_(35)薄膜的影响  52-55
  3.3 Ni_(80)Fe_(20)衬底层对Fe_(65)Co_(35)薄膜的影响  55-57
  3.4 Fe_yCo_(100-y)(0≤y≤11)衬底层对Fe_(65)Co_(35)薄膜的影响  57-62
  3.5 Cu衬底层对Fe_(65)Co_(35)薄膜的影响  62-64
  3.6 实验结果小结  64-67
  3.7 典型样品的各向异性能分析  67-73
  3.8 本章小结  73-74
  附录  74-77
  参考文献  77-79
第四章磁场退火对FePt薄膜微结构和磁性的影响  79-96
  4.1 研究背景及研究方法介绍  79-81
  4.2 FePt薄膜的制备与热处理  81-83
    4.2.1 FePt薄膜的制备  81-82
    4.2.2 FePt薄膜的磁场热处理  82-83
  4.3 实验结果和讨论  83-91
    4.3.1 磁场退火对不同厚度FePt薄膜织构的影响(初步实验)  83-86
    4.3.2 退火时间对FePt(20 nm)薄膜织构的影响  86-87
    4.3.3 磁场退火对FePt(20 nm)薄膜(001)取向影响的进一步验证  87-91
  4.4 本章小结  91-93
  参考文献  93-96
第五章非外延的[Fe/Pt]_n多层膜的微结构和磁性能研究  96-109
  5.1 [Fe/Pt]_n多层膜的制备  96-97
  5.2 实验结果和讨论  97-105
    5.2.1 [Fe/Pt]_n多层膜的织构  97-98
    5.2.2 [Fe/Pt]_n多层膜的磁性  98-101
    5.2.3 [Fe/Pt]_n多层膜的表面形貌和磁畴特征  101-103
    5.2.4 [Fe/Pt]_n多层膜的δM(H)曲线研究  103-105
  5.3 本章小结  105-107
  参考文献  107-109
第六章结论  109-111
博士在读期间发表和完成的论文  111-113
致谢  113-114

超高密度磁记录用介质和磁头材料的研究

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