FePt/FeRh双层薄膜的热致反铁磁—铁磁转变

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有序化的L10相FePt硬磁性合金具有面心四方结构,化学性质稳定,饱和磁化强度大,单轴磁晶各向异性能高,是下一代采用垂直记录模式超高面密度磁存储介质的有力材料。但是形成小颗粒后,其矫顽力太大,在改写数据时,需要磁头提供非常高的反转磁场。引入软磁层,形成硬磁-软磁复合结构,借助二者之间的交换弹性作用,可以有效降低FePt的矫顽力,有利于降低反转磁场,但是同时也降低了介质的有效磁晶各向异性能,对磁稳定性不利。引入反铁磁层,形成硬磁-反铁磁复合结构,借助二者之间的交换偏置作用,能够使FePt的磁性更稳定,有利于提高存储密度,但是更加增大了磁化反转难度,对改写数据不利。B2相的FeRh合金能够在100℃左右发生反铁磁-铁磁相变,将其合金与FePt合金结合,形成一种新型的复合结构,则可以实现弹性作用和偏置作用的相互转换,利用热辅助磁记录技术,在改写数据时,用极细的激光束将被照射区域的温度提高到FeRh合金的磁性相交温度以上,使FeRh对FePt起到弹性作用,从而降低FePt的矫顽力;而在常温,FeRh对FePt起到钉扎作用,使保存数据更稳定。但是FeRh的磁性转变温度过于接近室温,会影响介质的可靠性。  本文用磁控溅射方法成膜,用MgO(001)单晶基片获得(001)织构,通过改变FeRh层的成分和控制FePt的有序度,来适当提高FeRh的磁性转变温度并调控FePt的矫顽力,提高FePt/FeRh复合介质的实用性。主要内容包括四部分:  (一)热处理温度对FePt单层性质的影响。在400℃生长25 nm厚的FePt薄膜,在Ta=[500,800]℃温度范围进行6h的真空热处理,分析薄膜的晶体结构,磁性和表面形貌的变化。结果表明:在400℃成膜,MgO(001)基片能诱导FePt沿[001]方向取向生长,但处于无序的A1相,呈软磁性。Ta=500℃时,薄膜的结构无明显变化。Ta=600℃时,薄膜出现部分有序化,A1相与L10相共存。沿平行于膜面的方向(硬磁相的磁化难轴方向)施加磁场,矫顽力可到达10 kOe,而在垂直于膜面的方向(硬磁相的磁化易轴方向)施加磁场,矫顽力却只有5 kOe。说明两相之间存在强烈的交换耦合作用,形成了硬磁—软磁复合体。这为进一步主动调控FePt/FeRh复合薄膜的磁性提供了可能。Ta=700℃,薄膜的有序化基本完成,磁化易轴彻底转向垂直于膜面的方向,饱和磁化后其磁化反转主要依靠形核。  (二)FeRh层成分对FeRh的磁性相变温度的影响。使Fe和Pt的原子比为30∶70,在400℃沉积25 nm厚的FePt薄膜,成膜后在Ta=600℃,700℃进行热处理6h,再在450℃沉积Fe和Rh原子比例不同的FeRh薄膜,得到富Rh的Fe40Rh60和富Fe的Fe53Rh47,厚度为50 nm,完成后对样品继续在450℃保温24 h。分析表明,部分Pt会从FePt层扩散进入FeRh层,占据其中的Rh位,使得FeRh的相转变温度升高;FeRh层中Rh含量多,也可以提高其相转变温度。  (三)FePt层有序度对FeRh磁性相变温度及FeRh/FePt双层薄膜性质的影响。使Fe和Pt原子比例近似为1∶1,在400℃生长25 nm厚的FePt薄膜,在Ta=600℃,700℃进行热处理6h;再在450℃生长50 nm厚的FeRh薄膜(Fe和Rh的原子比例接近1∶1),并保温24 h。结果表明,Pt原子的扩散量取决于FePt层的有序化程度。FePt层的有序化程度越低,处于亚稳态的A1相FePt越多,Pt越容易进入FeRh层。Ta不高于600℃,都可以使FePt/FeRh双层薄膜的相转变温度提高到200℃,并且其室温磁化曲线呈现很好的矩形,提高了FePt/FeRh复合介质的实用性。  (四)尝试用光刻技术在常温制作FePt格点,在780℃进行热处理24 h后,再在450℃生长FeRh薄膜并保温24 h,形成FePt/FeRh镶嵌阵列。对其结构和磁性进行分析表明,FePt层由于成膜温度低,没有形成(001)织构。
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