软硬磁层厚度对L1_0-FePt/Fe交换耦合双层膜磁性能的影响:模拟与实验

首先采用磁控溅射的方法在玻璃基片上沉积不同硬/软磁层厚度的FePt/Fe交换耦合双层膜,结合实验结果,依据微磁学理论对L10-FePt/Fe交换耦合双层膜的磁性能进行研究。结果显示,当FePt硬磁层厚度固定20nm,随Fe软磁层厚度的增加双层膜矫顽力逐渐减小。当Fe软磁层厚度超过其畴壁宽度时,其对矫顽力的影响大幅度降低。Fe软磁层厚度固定为10nm,FePt硬磁层厚度发生变化时,由于理论和实际双层膜界面的不同,导致对双层膜成核场起作用的临界硬磁层厚度也不一样。

L1_0-FePt(001)/A1-FePt双层交换弹簧的磁性

在加热到400℃的MgO(001)单晶基片上,用磁控溅射法沉积30 nm厚A1相FePt软磁薄膜,在T_a=[400℃,700℃]温度范围进行6 h热处理,使其发生不同程度的A1→L1_0转变.以此作为硬磁层,在100℃继续生长不同厚度的A1相FeP t,得到具有(001)织构的L1_0/A1-Fe Pt双层磁性交换弹簧.T_a≤600℃,硬磁层的覆盖率保持100%,但晶粒尺寸有差别.T_a=500℃和600℃,硬磁层的有序度分别为0.61和0.84,层中L1_0相与A1相共存,两相间的交换作用使薄膜出现垂直磁晶各向异性,磁化曲线呈方形.矫顽力在T_a=500℃时接近5 kOe.用T_a=500℃和600℃的硬磁层做成L1_0(001)/A1-Fe Pt双层薄膜,在软磁层厚度为20 nm时,磁化曲线仍然保持方形,而软磁层厚度增加到30 nm,反磁化曲线分成软磁层反转和硬磁层反转两个阶段,表明层间交换作用长度都在20 nm<lex<30 nm范围,是理想L1_0/A1-FePt交换弹性体系的2倍以上.经过分析认为,出现这种现象的原因在于硬磁层中L1_0相与A1相共存,降低了有效单轴磁晶各向异性能密度.这为根据需要设计磁性弹簧的性质提供了方便.

利用FePt/Au多层膜结构制备垂直磁记录L1_0-FePt薄膜

利用磁控溅射方法在100℃的MgO单晶基片上制备了[FePt/Au]10多层膜,并研究了采用FePt/Au多层膜结构对FePt薄膜的有序化温度、矫顽力(HC)、垂直磁各向异性、晶粒尺寸以及颗粒间磁交换耦合作用的影响.磁性测试结果表明:FePt/Au多层膜在退火后具有较高的HC、良好的垂直磁各向异性、较小的晶粒尺寸且无磁交换耦合作用.截面高分辨电镜分析表明:Au可以缓解MgO和FePt之间较大的晶格错配,从而促进薄膜的垂直磁各向异性;同时,采用FePt/Au多层膜结构增加了FePt/Au界面能、应力能以及Au原子在薄膜中的扩散作用,促进了薄膜的有序化,从而有效降低了有序化温度,并且大幅度提高其HC.此外,Au原子部分扩散到FePt相的边界处,起到抑制FePt晶粒生长、隔离FePt颗粒的作用,从而显著降低了FePt晶粒的尺寸和颗粒间磁交换耦合作用.

在MgO(001)基板上生长连续的L1_0-FePt纳米薄膜

用磁控溅射法在加热到400℃的MgO(001)基片上沉积了总厚度为25nm的[Fe(0.6nm)/Fe30.5Pt69.5(1.9nm)]10多层连续薄膜,并对其在[500,900]℃的温度范围进行了3h的真空热处理.结果表明,薄膜在沉积过程中发生了层间扩散,形成A1相的FePt合金,表现为软磁特性;热处理温度高于700℃时,薄膜内形成L10相的(001)织构,其单轴磁晶各向异性能高于2.5×107ergcc?1;薄膜能在800℃以下保持形貌连续.借助于半导体载流子扩散和复合模型,对薄膜在高温下形貌保持连续的机理进行了探讨.分析认为,虽然薄膜在沉积过程中发生了层间扩散,但内部仍然残存微弱的周期性成分起伏,这可以有效阻碍热处理过程中因相变而引起的Pt元素析出,从而抑制了因形成富Pt晶界而导致的形貌不连续.这种薄膜可以方便地用于微加工制作磁性阵列和隧道结.

厚度对L1_0-FePt薄膜的结构和磁性的影响

采用磁控溅射法在Si<0001>基片上制备了FePt薄膜,薄膜样品经过650℃热处理1 h.利用X射线衍射仪和振动样品磁强计对样品的结构和磁性进行了测量和分析.结果表明,样品经过650℃热处理后均形成了有序面心四方结构的L10-FePt相.当FePt薄膜厚度达到20 nm时,样品平行膜面和垂直膜面的矫顽力最大,分别是9.2和8.0 kOe.随着厚度的增加,样品平均晶粒度增大,平行膜面和垂直膜面的矫顽力均呈现减小趋势.

不同底层(Ag,Ti,Cu,Pt)对[Fe/Pt]n多层膜磁性的影响

利用磁控溅射的方法,在热玻璃基片上制备了[Fe/Pt]n多层膜,经不同温度真空热处理后,得到L10有序结构的FePt薄膜(L10-FePt)。实验结果表明:[Fe/Pt]n多层膜结构可使FePt薄膜的有序化温度由500℃降到350℃,350℃退火20 min后其平行膜面矫顽力可达到421.8kA.m-1。同时以Ag,Ti,Cu和Pt做底层,利用[Fe/Pt]n多层膜结构制备了FePt薄膜,磁性和X射线衍射结果表明:与[Fe/Pt]n多层膜相比,四种底层均没有进一步降低FePt薄膜的有序化温度,其中Ag做底层对[Fe/Pt]n多层膜退火后的平行膜面矫顽力影响较小,但能够提高其垂直磁各向异性;其他底层均会降低[Fe/Pt]n多层膜在高温退火时的平行膜面矫顽力,且对其垂直磁各向异性无改善作用。

Pt的含量对[Fe/Pt]_n多层膜磁性能的影响

采用射频磁控溅射的方法,在玻璃基片上制备了不同膜层结构的[Fe/Pt]n多层膜,经不同温度真空热处理后,得到L10有序结构的FePt薄膜。实验结果表明,[Fe/Pt]n多层膜结构可以有效降低FePt薄膜的有序化温度,350℃退火30min后其平行膜面矫顽力可达1.6×105A/m;多层膜结构中,Pt层厚度与Fe层厚度相同时,矫顽力最大,当Fe、Pt层厚度比偏离1∶1时,在Fe/Pt接触处易产生Fe3Pt和FePt3软磁相;Pt层和Fe层厚度相等且总厚度相同的情况下,Fe、Pt单层厚度越薄,有序化温度越低,且对应的矫顽力大。

Bi底层对FePt薄膜的影响

利用磁控溅射的方法,在玻璃基片上制备了以Bi为底层的FePt薄膜,经不同温度真空热处理得到L10-FePt薄膜.研究了Bi做底层对FePt薄膜的有序化温度及矫顽力Hc的影响.实验结果表明:以Bi做底层的FePt薄膜在350℃实现低温有序,同时其Hc也有大幅度提高,并且可以在更大成分范围内获得Hc较高的L10-FePt薄膜.利用X射线光电子能谱研究了薄膜中Bi原子的分布情况,利用X射线衍射研究了薄膜的晶体学结构变化.结果表明,Bi底层在退火过程中的扩散促进了FePt薄膜有序度的升高.

Ag和Ti底层对[Fe/Pt]_n多层膜有序化的影响

利用磁控溅射的方法,在热玻璃基片上制备了以Ag,Ti,Cu,Cr,Pt和Ta为底层的[Fe/Pt]n多层膜,后经不同温度真空热处理,得到L10有序结构的FePt薄膜(L10-FePt).实验结果表明,以Ag和Ti为底层,通过采用基片加温,同时利用[Fe/Pt]n多层膜结构,可以促进FePt薄膜的有序化过程,使FePt-L10有序化温度从500℃降低到350℃.在较高的温度下退火,以Ag为底层对薄膜的磁性能影响较小,而以Ti为底层在高于500℃退火后,矫顽力明显下降.在400℃退火20min后,以Ag和Ti为底层的样品平行膜面的矫顽力分别达到597kA/m和645kA/m,剩磁比分别达到0·81和0·94,为将来FePt-L10有序相合金薄膜用于未来超高密度磁记录介质打下基础.