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【6h】

L10-FePt/A1-FePt双层薄膜中交换弹簧的形成及其性质

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摘要

第一章 绪论

1.1 交换弹簧多层膜的研究

1.1.1 交换弹簧的由来

1.1.2 硬磁/软磁双层薄膜中交换弹簧的原理

1.1.3 交换弹簧薄膜的矫顽力及临界反转厚度

1.1.4 交换弹簧与界面交换耦合强度的关系

1.1.5 交换弹簧中的单畴晶粒

1.1.6 交换弹簧硬磁材料

1.2 L10-FePt的简介

1.3 L10-FePt交换弹簧体系的应用

1.3.1 L10-FePt交换弹簧体系在磁记录介质中的应用

1.3.2 L10-FePt交换弹簧在磁力探针中的应用

1.4 L10-FePt交换弹簧体系所面临的问题

1.5 本论文研究内容

第二章 薄膜的制备及表征

2.1 常见的薄膜制备技术

2.2 磁控溅射

2.3 薄膜热处理

2.4 薄膜厚度表征

2.5 薄膜结构的表征

2.6 薄膜磁性的表征

2.7 薄膜表面形貌的表征

2.8 磁力显微镜

第三章 本研究意义与方法

3.1 研究意义

3.2 研究方法

3.2.1 基片清洗

3.2.2 样品制备

第四章 L10-FePt/A1-FePt的获取及其性质

4.1 FePt单层的结构和磁性

4.1.1 FePt单层的形貌表征

4.1.2 FePt单层的结构表征

4.1.3 FePt单层的磁性表征

4.1.4 FePt单层的磁力显微镜观察

4.2 L10-FePt(10nm,Ta)/A1-FePt(20 nm)双层薄膜的制备及性质

4.2.1 易轴难轴的确定

4.2.2 L10-FePt(10 nm,Ta)/A1-FePt(20 nm)双层薄膜的结构

4.2.3 L10-FePt(10 nm,Ta)/A1-FePt(20 nm)双层薄膜的磁性

4.3 硬磁层和软磁层厚度对双层薄膜性质的影响

4.3.1 FePt(30 nm,Ta)/FePt(ts)双层薄膜的形貌表征

4.3.2 FePt(30 nm,Ta)/FePt(ts)双层薄膜的磁性

第五章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的署名学术论文

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摘要

L10相FePt(面心四方结构)合金具有高达Ku=~7×107 erg/cc的单轴磁晶各向异性能密度,并且饱和磁化强度大、化学性质稳定,做成均匀的小颗粒,可以用于制作磁记录介质,磁性隧道结或者自旋阀。但是矫顽力过大给磁化反转带来困难。将L10-FePt与软磁材料结合,利用层间交换耦合作用,可以有效地降低L10-FePt的开关场。Fe、 Co、 Ni及其合金等软磁材料,要么容易氧化,要么晶体结构与L10-FePt不匹配,形成双层膜时外延生长质量不佳,难以形成优质的交换弹簧。A1相FePt(面心立方结构)表现出很好的软磁性,晶体结构和晶格常数又都与L10-FePt接近,在L10-FePt上容易形成具有异质结特征的L10/A1交换弹簧。本文采用磁控溅射法,用MgO(110)基片,诱导FePt形成(110)织构,并经过热处理使其转变为L10相。[001]方向(易轴)和[110]方向(难轴)都平行于膜面,退磁因子接近于0,可以避免形状各向异性的影响。进而生长A1-FePt层,得到L10-FePt/A1-FePt双层薄膜,通过改变A1→L10的转变程度和软磁层的厚度,调控矫顽力。根据硬磁层的有效交换作用长度,对双层薄膜的交换弹性进行讨论,得到的主要结果如下:
  1.在加热到400℃的MgO(110)基片上制备10nm厚的FePt薄膜,在Ta=[400℃-700℃]温度范围进行6h的热处理,对形貌、结构和磁性进行分析。结果表明,在400℃生长的FePt薄膜确实形成了(110)织构,但是处于无序的A1相。Ta=500℃,薄膜中同时存在A1相和L10相,两相之间有很强的交换耦合作用。基片的一条直角边与L10-FePt的[001]方向(易轴)平行,而基片的另一条直角边与L10相FePt的[110]方向(两条难轴的对角线,在难磁化面内)平行。磁化曲线显示硬磁性特征。沿[001]方向磁化,矫顽力约12 kOe。当Ta≥600℃,L10相的含量持续增加,但是薄膜与基片间严重的晶格失配会薄膜收缩,形成相互分离的岛状结构,连续性遭到破坏。FePt(110)超晶格峰还会在Ta=700℃时消失,表明取向也开始发生变化。
  2.在400℃生长10nm厚的FePt并进行热处理后,再在100℃生长一层20 nm厚的FePt,得到FePt(10 nm,Ta)/A1-FePt(20 nm)双层薄膜。Ta=400℃(第一层未经过热处理),双层薄膜表现为软磁性。Ta=500℃,沿L10-FePt的[001]方向磁化,磁化曲线出现两次跳跃,表明双层膜之间存在交换弹性作用,但软磁相内可以单独形成反向磁畴,硬磁层的有效交换作用长度小于10 nm。反向磁畴形成后,畴壁被外磁场压向硬磁/软磁界面,外磁场达到-7 kOe后,畴壁突破界面,导致硬磁相发生磁化反转。Ta=600℃,磁化曲线的两次跳跃现象消失,最大磁化强度低于饱和磁化强度,并且回线向最先施加的负向磁场方向偏移,表明硬磁相的反转磁场增大,这应该是硬磁相的颗粒开始分散,明显减弱了颗粒之间的交换耦合作用所致。磁场首次达到负向最大值,也只有部分硬磁相的磁矩转向负向。即使正向磁场达到最大,这些硬磁相的磁矩也基本不再反转。Ta=700℃,硬磁层的连续性被破坏得更彻底,沿L10-FePt的[001]方向磁化,回线向最先施加的正向磁场方向偏移。
  3.将硬磁层厚度增加为30 nm,Ta限定为500℃和600℃,并在ts=0-40 nm范围改变软磁层的厚度,进一步分析交换弹性作用,结果表明:
  (1)Ta=500℃,硬磁单层(ts=0)沿L10-FePt[001]方向磁化的磁化曲线呈现很好的方形,矫顽力达到11 kOe。磁化曲线的形状和矫顽力在t=20 nm时都没有明显改变,磁化曲线没有出现两次跳跃现象。与FePt(10 nm,Ta=500℃)/A1-FePt(20 nm)相比,只有硬磁层的厚度不同,但磁化曲线的差异显著,说明两者的硬磁层有效交换作用长度不一样。在同一条件进行热处理,FePt薄膜中A1相和L10相的比例不应该有差别,但是膜厚增加会增大两相区的尺寸,使得相邻L10区对中间A1区的约束变弱(也是依靠交换弹性作用),导致硬磁层的有效磁晶各向异性变弱,与软磁层作用的有效换作用长度变长,因此磁化曲线不再出现两次跳跃。将ts增加到30nm,磁化曲线又出现两次跳跃,由此可知硬磁层的有效交换作用长度大于10nm而小于15nm。
  (2)Ta=600℃,硬磁单层内虽然有更多的A1相转变为L10相,但是矫顽力却下降到不足7kOe,应该是尺寸变大所致。磁化曲线在ts=20 nm时就出现两次跳跃,说明有效交换作用长度又小于10nm,明显是硬磁层的有效磁晶各向异性变强所致。

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