L10-FePt/B2-FeRh双层复合薄膜的结构和磁性

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信息化发展造成数据的爆炸式增长。为了提高信息存储容量,必须提高存储密度。硬盘作为一种重要的存储介质,使用磁性材料保存数据。在保证信噪比的前提下,提高存储密度意味着每个记录单元中的磁性晶粒体积要变小。为了克服“超顺磁效应”,需要使用L10-FePt等单轴磁晶各向异性能高的材料作为磁记录介质。而这类材料形成颗粒,开关场会相当大。磁化反转难度增大,又产生写入困难问题。磁头的写入能力、信噪比与介质的热稳定性三者交织在一起,形成了制约磁存储技术发展的“三难困境”。为了在保存数据时颗粒能稳定地保持磁化状态,而在改写数据时又可以方便地改变颗粒的磁化状态,可以将具有特殊热致反铁磁-铁磁相变性质的B2相FeRh合金与L10相FePt合金结合,形成复合结构,采用热辅助磁记录技术,来实现交换弹性作用和交换偏置作用的相互转换。改写数据时,用极细的激光束对改写部位加热,使之升温至FeRh的磁性相变温度以上,形成硬磁-软磁交换弹性作用,从而降低FePt的矫顽力;保存数据时,FeRh层呈反铁磁性,形成硬磁-反铁磁交换偏置作用,可以钉扎FePt层的磁矩,从而使数据保存更稳定。  本文用MgO(001)单晶基片作衬底,采用磁控共溅射法生长FePt/FeRh双层复合薄膜。通过改变FePt层薄膜的有序度,调控FePt层的矫顽力,并适当提高FePt/FeRh双层复合薄膜中FeRh的磁性相变温度,使其远离室温。获得的主要结果如下:  (1)在不同温度生长FePt薄膜,研究基底温度对FePt薄膜取向的影响。结果表明,基底温度为50℃,生长25 nm厚的FePt薄膜,即使再在700℃进行6h的真空热处理,取向也不理想。基底温度升高到400℃,薄膜中形成了良好的(001)织构,且形貌连续,但处于无序的A1相,呈软磁性,需要经过热处理才能够转变为有序的L10相。基底温度升至600℃,薄膜直接形成L10相,厚度降为15nm,形貌也连续。  (2)在加热到400℃的MgO(001)基底上沉积25 nm厚的FePt薄膜,在Ta=[450,700]℃范围进行6h的真空热处理,分析热处理温度对单层FePt薄膜性质的影响。结果表明,Ta=450℃时,薄膜内A1相与L10相共存。沿着平行于膜面方向(L10-FePt的磁化难轴)施加磁场,矫顽力可达5.6 kOe;而沿着垂直于膜面方向(L10-FePt的磁化易轴)施加磁场,矫顽力却只有1.9 kOe。面内矫顽力比垂直矫顽力大,说明A1相和L10相之间存在不能忽略的交换耦合作用。Ta=600℃时,FePt薄膜的有序化程度明显变大,但仍然为A1相与L10相共存的连续膜。沿着平行于膜面方向施加磁场得到的矫顽力升高至6.5 kOe;而沿着垂直于膜面方向施加磁场得到的矫顽力下降为1.8 kOe,这是由于颗粒尺寸变大和薄膜连续性变好,导致A1相和L10相之间存在的交换耦合作用变强。磁化反转机制以交换弹性为主。Ta=700℃时,FePt的有序化基本完成,薄膜分散成岛状颗粒,且颗粒之间存在少量的Pt,说明FePt在有序化过程中会伴随Pt原子的析出。磁化反转机制以硬磁相的形核为主。  (3)在有序化程度不同的FePt薄膜上覆盖50 nm厚的FeRh薄膜,基底温度为450℃。对得到的FePt/FeRh双层复合薄膜在450℃进行24 h的热处理后,分析FePt层结构对FePt/FeRh双层薄膜性质的影响。结果表明,因FePt在有序化过程中会伴随Pt原子的析出,进入FeRh层的Pt扩散量与FePt层的有序度有关。FePt层的有序化程度较低时,受A1相FePt的影响,Pt原子更容易扩散进入FeRh层。对FePt层进行热处理的温度不超过600℃,FePt/FeRh双层复合薄膜中FeRh的反铁磁-铁磁转变温度可以由100℃提升至200℃,用于制作热辅助复合垂直磁记录介质,有助于提高稳定性。FeRh层受热转变为铁磁性后,反磁化过程的磁化强度在2个特征磁场附近发生跳跃,显示双层膜中形成了交换弹簧,矫顽力可以下降一半以上。
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