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高磁晶各向异性磁记录介质FePt薄膜的研究

作　者: 李宝河
导　师: 朱逢吾
学　校: 北京科技大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 磁记录介质 FePt纳米复合薄膜 L10有序垂直取向
分类号: O484
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

在超高密度磁记录中,记录介质的稳定性成为关键问题。要进一步提高磁记录密度,磁性记录晶粒的尺寸将低于10nm,这样小的晶粒尺寸,热扰动引起的超顺磁行为将影响磁记录介质的稳定性。L10-FePt有序合金由于具有极高的磁晶各向异性（7×10⁶J/m³）,可以在极小晶粒尺寸（3⁵nm）下仍能具有很好的热稳定性。所以近年来对L10有序结构的L10-FePt薄膜的研究成为磁记录的一个热点。L10-FePt相纳米复合薄膜作为超高密度垂直磁记录介质的实用化还需解决两个关键问题:一是降低L10-FePt薄膜的有序化温度;二是L10-FePt颗粒薄膜的垂直（001）取向。本文针对这两个问题进行了系统的研究。（1）　FePt薄膜的低温有序化研究利用磁控溅射法制备了系列FePt和FePtCu单层膜,薄膜厚度控制在50nm。利用直流共溅射方法精确控制Fe和Pt的原子比。实验结果表明, Fe和Pt的原子比为1.1:1的Fe₅₂Pt₄₈样品在350℃真空热处理20 min后,矫顽力达到605 kA / m,有序度达到0.87,实现了较低温度下FePt薄膜的有序化。Fe₅₂Pt₄₈样品中添加Cu不能促进FePt的有序化,但是对于FePt化学原子定比或富Pt的样品,添加Cu可以促进FePt有序化,当（FeCu）/Pt原子比达到1.1¹.2的范围时,即可实现较低温度的有序化。对于Fe₅₂Pt₄₈薄膜,研究了薄膜厚度、退火温度、退火时间对薄膜有序化的影响。结果表明,在较低的温度下退火,样品的厚度和退火时间均起着很重要的作用。在热处理温度低于400℃时,样品的有序度和矫顽力随样品厚度的增加而提高,但当薄膜厚度大于50nm后,厚度的变化对薄膜有序度的影响不大。当FePt的成分为Fe49Pt51时,利用Fe/Pt多层膜和FePt/Cu多层膜化可以降低FePt薄膜有序化温度。与Fe49Pt51（40nm）单层薄膜相比,利用多层膜化可以使有序化温度降低约100℃。以Ag和Ti为衬底层,在400℃热处理后,发现能够有效提高[Fe/Pt]n多层膜的矫顽力。经400℃退火20min后,以Ag为底层的样品平行膜面的矫顽力达到597 kA/m,以Ti为底层的样品400℃退火20min后,矫顽力可达到645kA/m。（2）　FePt纳米颗粒薄膜的垂直取向研究在MgO单晶基片上利用磁控直流共溅射的方法制备了不同厚度的FePt薄膜,并经600℃真空热处理15min。溅射过程中基片保持室温或250℃恒温。结果表明:加热基片有助于获得较好的L10-FePt（001）织构。薄膜厚度越小,越有利于FePt薄膜沿MgO（001）单晶异质外延生长,从而可获得较好的沿膜面法向取向[001]生长。对于溅射时基片保持250℃恒温,厚度仅为5nm的FePt薄膜,垂直矫顽力达到240 kA/m,晶粒平均尺寸为7 nm,具有很好的垂直磁各向异性。在热MgO基片（250℃）制备了FePt/BN颗粒薄膜。[FePt （2nm）/ BN （0.5nm）]10多层膜和[FePt （1nm）/ BN （0.25nm）]20多层膜经700℃真空热处理1h后,获得具有良好垂直取向的L10-FePt/BN颗粒膜。样品具有很强的垂直磁各向异性,且垂直磁滞回线的矩形度很好,具有很好的开关特性。用磁控溅射在单晶MgO（100）基片上制备了[FePt （2nm）/Ag （d nm）]10多层膜,通过加热基片和精确控制FePt薄膜中的Fe和Pt原子比,提高了薄膜矫顽力而且实现了FePt/Ag颗粒薄膜垂直取向,得到具有高矫顽力垂直取向的L10-FePt/Ag颗粒膜。随着Ag层厚度的增加,L10-FePt晶粒尺寸减小。一个典型的结果是[FePt （2nm） /Ag （5nm）]10多层膜经600℃真空热处理15min后,多层膜界面消失形成颗粒膜,L10-FePt晶粒大小仅约8nm,具有很好的垂直磁各向异性,垂直矫顽力达到979 kA / m。δM的研究结果表明,晶粒间无磁交换耦合作用。这种无磁耦合作用的颗粒膜,适合用于将来超高密度的垂直磁记录介质。以上对降低FePt薄膜有序化温度和控制FePt[001]垂直薄膜取向的研究,对未来超高密度垂直磁记录介质的实用化有重要参考意义。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
引言  13-15
1 文献综述  15-45
  1.1 磁记录物理及磁记录介质概述  15-40
    1.1.1 磁记录的发展史  15-19
    1.1.2 磁记录物理简介  19-21
    1.1.3 磁记录介质  21-39
    1.1.4 磁头及磁头材料  39-40
  1.2 高磁晶各向异性L10-FePt有序合金薄膜  40-45
    1.2.1 FePt合金的相图  40
    1.2.2 L1_0-FePt的结构和特征  40-42
    1.2.3 FePt纳米颗粒膜的研究  42-43
    1.2.4 添加少量其它金属对FePt薄膜的影响  43-44
    1.2.5 FePt薄膜的低温有序化  44
    1.2.6 FePt薄膜和FePt纳米颗粒的垂直取向研究  44-45
2 实验方法  45-53
  2.1 磁控溅射原理  45-46
    2.1.1 各种物理气相沉积（PVD）制备薄膜方法  45
    2.1.2 磁控溅射方法制备薄膜原理  45-46
  2.2 薄膜的制备和测试方法  46-53
    2.2.1 薄膜的制备过程  46-47
    2.2.2 样品的热处理过程  47
    2.2.3 样品的测试  47-53
3 FePt薄膜低温有序化研究  53-88
  3.1 Fe 与Pt的浓度比对FePt薄膜材料有序化的影响  53-60
    3.1.1 引言  53
    3.1.2 实验  53-54
    3.1.3 结果与讨论  54-59
    3.1.4 小结  59-60
  3.2 L1_0-FePt相的有序化与薄膜厚度及热处理条件的依赖关系  60-69
    3.2.1 引言  60
    3.2.2 实验  60
    3.2.3 结果与讨论  60-68
    3.2.4 小结  68-69
  3.3 利用[Fe/Pt]_n多层膜降低L1_0-FePt有序化温度  69-75
    3.3.1 引言  69
    3.3.2 实验  69
    3.3.3 结果与讨论  69-74
    3.3.4 小结  74-75
  3.4 利用[FePt/Cu]_n多层膜降低L1_0-FePt有序化温度  75-80
    3.4.1 引言  75
    3.4.2 样品的制备与测试  75
    3.4.3 结果与讨论  75-79
    3.4.4 小结  79-80
  3.5 衬底层对L1_0-FePt相的有序化及薄膜表面形貌的影响  80-88
    3.5.1 引言  80
    3.5.2 实验  80-81
    3.5.3 结果与讨论  81-87
    3.5.4 小结  87-88
4 FePt纳米颗粒膜的垂直（001）取向研究  88-115
  4.1 薄膜厚度对L1_0-FePt相（001）取向的影响  88-93
    4.1.1 引言  88
    4.1.2 实验  88
    4.1.3 结果与讨论  88-92
    4.1.4 小结  92-93
  4.2 垂直取向L1_0-FePt/Ag 纳米复合薄膜的研究  93-106
    4.2.1 引言  93
    4.2.2 实验方法  93-94
    4.2.3 结果与讨论  94-105
    4.2.4 小结  105-106
  4.3 L1_0-FePt/BN 纳米复合薄膜的研究  106-115
    4.3.1 引言  106
    4.3.2 实验方法  106-107
    4.3.3 结果与讨论  107-114
    4.3.4 小结  114-115
结论  115-117
参考文献  117-126
在学研究成果  126-128
致谢  128

高磁晶各向异性磁记录介质FePt薄膜的研究

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