L10—FePt為基底的納米薄膜的磁性

姚雅芹++李國(guó)慶

摘 要：用L10相FePt作下底層，分別研究FePt（30nm，Ta）單層、L10-FePt（30nm，Ta）/A1-FePt（30nm）雙層及L10-FePt（30nm，Ta）/MgO（10nm）/A1-FePt（30nm）三層薄膜的磁性，Ta=500℃。結(jié)果表明，經(jīng)500℃熱處理后的單層FePt磁化易軸沿垂直膜面方向，曲線矩形度較好；雙層薄膜磁化曲線出現(xiàn)雙肩現(xiàn)象，說(shuō)明軟硬磁層界面處產(chǎn)生強(qiáng)烈的交換耦合作用，軟磁帶動(dòng)硬磁轉(zhuǎn)，降低了硬磁層的矯頑力。三層膜的磁矩反轉(zhuǎn)機(jī)理同雙層膜一致，但中間層MgO的加入使得交換耦合作用減弱，矯頑力明顯增大，軟硬磁間接接觸，減弱了記錄噪音。

關(guān)鍵詞：FePt薄膜；矯頑力；交換耦合作用

中圖分類(lèi)號(hào)：O484.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）02-0005-02

Abstract： Using L10 phase FePt as the bottom layer， we studied the magnetic properties of FePt（30nm，Ta） mono-layer film， L10-FePt（30nm，Ta）/A1-FePt（30nm） double-layer film and L10-FePt（30nm，Ta）/MgO（10nm）/A1-FePt（30nm） three-leyer thin film， Ta=500℃. The results show that after heat treatment at 500℃， the easy axis of single layer FePt magnetization is better in the direction of perpendicular film surface. The phenomenon of double shoulders in the magnetization curve of the double layer film shows that there is strong exchange coupling at the interface of the soft and hard magnetic layer， and the hard magnetic rotation is driven by the soft magnetic field， which reduces the coercivity of the hard magnetosphere. The magnetic moment reversal mechanism of the three-layer film is the same as that of the bilayer film， but the exchange coupling is weakened with the addition of MgO in the middle layer， the coercivity is obviously increased， and the soft and hard magnetic indirect contact weakens the recording noise.

Keywords： FePt thin film； coercive force； exchange coupling interaction

磁記錄介質(zhì)在記錄過(guò)程中為了克服熱擾動(dòng)，要使用有大“單軸磁晶各向異性能”（Ku）的材料來(lái)降低“超順磁極限”。于是L10相的CoPt基、FePt基合金膜[1][2]受到了高度重視。FePt合金的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，形成L10相后，它的Ku接近7×107erg/cc，最小熱穩(wěn)晶粒尺寸可下降到3nm，理論上可實(shí)現(xiàn)10Tb/in2的超高記錄密度。

Kneller等在1911年提出交換彈簧，將硬磁和軟磁結(jié)合，利用層間強(qiáng)烈的交換耦合作用，使硬磁在軟磁的帶動(dòng)下反轉(zhuǎn)，有效地降低硬磁顆粒的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此想法可以兼得硬磁材料大的矯頑力和軟磁材料高的飽和磁化強(qiáng)度，但它是軟磁層與硬磁層直接接觸，強(qiáng)交換耦合會(huì)使記錄過(guò)程產(chǎn)生很大的噪音。為改善記錄介質(zhì)，2005年摻入中間層的交換耦合復(fù)合磁記錄介質(zhì)（Exchange coupled composite media，ECC）由Victoral提出。ECC介質(zhì)在保證硬磁層熱穩(wěn)定性的前提下，通過(guò)中間層的加入來(lái)減弱兩相間的交換耦合作用，使介質(zhì)的反轉(zhuǎn)場(chǎng)最大化的降低，調(diào)制其矯頑力，解決信息的寫(xiě)入問(wèn)題。

1 實(shí)驗(yàn)

采用磁控濺射法在加熱到400℃的MgO（001）基片上生長(zhǎng)30nm的FePt薄膜，隨后，對(duì)薄膜進(jìn)行500℃的真空熱處理（時(shí)長(zhǎng)為1h）。濺射前腔體內(nèi)的背景真空度優(yōu)于2.0×105Pa，濺射時(shí)氬氣氣壓為2.8Pa，F(xiàn)ePt采用直流濺射，F(xiàn)e靶和Pt靶的純度都優(yōu)于99.99%，兩靶同時(shí)濺射，F(xiàn)e靶的電流0.47A，Pt靶的電流0.09A（此電流可以保證Fe，Pt成分比接近1：1）。

室溫下在經(jīng)熱處理的薄膜上再沉積30nm的軟磁相FePt，從而形成同材異質(zhì)的FePt交換彈簧。但軟硬磁層界面處的強(qiáng)交換耦合作用會(huì)使記錄噪聲大。而ECC介質(zhì)中間層的作用是隔離軟磁層與記錄層，降低記錄噪音。MgO晶格常數(shù)為0.42nm，A1相FePt晶格常數(shù)為0.384nm，二者晶格常數(shù)比較接近，所以采用非磁性10nm厚的MgO作為中間層形成三層薄膜。MgO采用射頻濺射獲得，發(fā)射功率和反射功率分別為110W，2W，成膜厚度通過(guò)濺射時(shí)間來(lái)控制。用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測(cè)量磁化曲線。

2 結(jié)果與討論

圖1為L(zhǎng)10-FePt（30nm，Ta=500℃）/MgO（xnm）/A1-FePt（ynm）薄膜的M-H曲線，圖a為單層薄膜的M-H曲線，[001]方向曲線具有良好的方形，矯頑力為3.81kOe，F(xiàn)ePt的磁化易軸為垂直膜面方向，說(shuō)明此時(shí)薄膜發(fā)生相變呈L10相；沿面內(nèi)方向磁化，回線有一定的面積，可知薄膜沒(méi)有完全有序化，仍有軟磁相存在。圖b為L(zhǎng)10-FePt（30nm）/A1-FePt（30nm）雙層薄膜的磁化反轉(zhuǎn)曲線，在垂直膜面方向出現(xiàn)了兩個(gè)跳躍的點(diǎn)（雙肩現(xiàn)象），H1（軟磁層的形核場(chǎng)）和H2（硬磁層的開(kāi)關(guān)反轉(zhuǎn)場(chǎng)），薄膜磁矩分兩次完成反轉(zhuǎn)，意味著兩層界面處存在很強(qiáng)的交換耦合作用。與圖a相比，500℃退火后的雙層薄膜，面內(nèi)方向曲線面積明顯減小，零場(chǎng)附近出現(xiàn)了很明顯的臺(tái)階；[001]方向曲線的矯頑力減小為2.05kOe，主要是由于軟/硬磁交換耦合使得界面處的鄰近納米顆粒形成一個(gè)更大的磁性體，這將產(chǎn)生更大的磁化反轉(zhuǎn)體積，從而具有更穩(wěn)定的磁性。圖c為三層薄膜的磁化曲線，[001]方向軟磁層的形核場(chǎng)H1與圖b相比所對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度降低，反轉(zhuǎn)需要施加的外磁場(chǎng)減小，主要是由于MgO插入后，薄膜厚度增加，上層的A1相FePt到外磁場(chǎng)的距離減小，在弱磁場(chǎng)作用下便開(kāi)始反轉(zhuǎn)，同樣硬磁層的開(kāi)關(guān)場(chǎng)H2對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度也降低，軟磁帶動(dòng)硬磁反轉(zhuǎn)的外磁場(chǎng)增大，應(yīng)該是中間層MgO一方面使軟磁層與硬磁層隔開(kāi)，降低記錄時(shí)的噪聲，另一方面使軟硬磁層間接接觸，交換耦合作用減弱，被釘扎的軟磁少，軟磁帶動(dòng)硬磁反轉(zhuǎn)所需的外磁場(chǎng)增大，矯頑力增大為3.29kOe。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用磁控濺射法在加熱到400℃的MgO（001）基片上生長(zhǎng)30nm厚的FePt薄膜，進(jìn)行Ta=500℃時(shí)長(zhǎng)1h的真空熱處理。薄膜會(huì)發(fā)生相變（A1→L10），磁化易軸為垂直膜面方向。在退火后的薄膜上生長(zhǎng)30nm厚的軟磁FePt，得到L10-FePt（001）/A1-FePt交換彈簧，磁化曲線上出現(xiàn)雙肩現(xiàn)象，軟硬磁層磁矩非一致反轉(zhuǎn)，軟硬磁間強(qiáng)的交換耦合作用降低了硬磁的矯頑力。

為優(yōu)化記錄介質(zhì)，繼續(xù)研究L10-FePt（30nm）/MgO（10nm）/A1-FePt（30nm）的磁性，發(fā)現(xiàn)中間層MgO能夠降低軟硬磁層間的交換耦合作用，矯頑力增大，記錄噪聲減弱。

參考文獻(xiàn)：

[1]T.Suzuki，T.Kiya，N.Honda，K.Ouchi，J.Magn.Magn.Mater.2001：312.

[2]Z.G.Zhang， K.Kang， T.Suzuki， Appl.Phys.Lett. 2003：1785.

[3]金哲明，孫可心，楊芳淼，等. Al-N共摻ZnO：Co納米薄膜的制備及其性能研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（10）：7-9.

[4]蘇雨，李陽(yáng)，張培，等. 粉體填充溶膠凝膠制備多孔納米SiO2薄膜[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（10）：19-20.

[5]任曉光.基于納米TiO2薄膜的自清潔玻璃的制備[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（11）：54.

[6]李海博，尹延昭，鄭麗.多晶硅薄膜制備工藝及其應(yīng)用發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（02）：8-10.endprint