（凝聚态物理专业论文）ti对fe的微结构和磁性能的影响.pdf

河北师范大学硕l 学位论文 摘要 随着磁性薄膜在磁记录和传感器技术中的应用，磁性薄膜的结构、磁性能、 层间耦合、界面状况及相关效应等成了人们研究的热点。本文采用磁控溅射法在 室温下制备了t i 咖) f e ( 3 0n m ) m 0m n ) 类三明治结构的纳米薄膜和 f e 门n l o 系 列多层膜样品。利用x 射线衍射仪( x r a y 叭f f r a c t i o n ，x r d ) 、扫描探针显微镜 ( s c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ，s p m ) 和振动样品磁强计( v i b r a t i n gs a m p l e m a g n e t o m e t e r ，v s m ) 系统分析了薄膜在室温下的微结构和磁性能。发现上述薄膜 的微结构和磁性能与t i 层厚度、f e 层厚度以及退火温度等有很大关系，得到的主 要结果如下： r1 ) 首次利用对靶磁控溅射设备在玻璃基片上沉积了类三明治结构的t j0 n m ) f e ( 3 0n m ) t i o n i n ) 薄膜样品，发现t i 层厚度和退火对样品的微结构和磁性能 有很大影响：退火样品比沉积态的样品有更强的f e ( 1 l o ) 峰，形成了择优取向的f e 的! ? o 结构。退火后，非磁性的t i 原子扩散到磁性屡中对磁性的f p 靳粘起刮了 隔离f 仁用，形成了较好的颗粒膜。在r i 层早度为i 6 n f n ，5 0 0 。c 退火3 0 节i i l 的样 星：巾圣童于骥面方向的矫顽力高达62 k n e 平均靳粒用寸l in t n ，m 帆b 钳形比达 到0 9 3 。 ( 2 ) 首次利用对靶磁控溅射设备在玻璃基片上沉积了 f e ( 3n m ) t i 恤n m ) 】l o 多 层膜样品，发现随t i 层厚度的增加样品矫顽力成振荡变化，且平均颗粒尺寸和磁 畴团簇都是先减小后增大。当t i 层厚度为2 m 时，样品的矫顽力最大，颗粒分布 均匀。 ( 3 ) 室温下制备了f e 层变化的【f e qn m ) 厂l j 【1 6n m ) ) l 。多层膜样品，发现平均 颗粒尺寸随f e 层厚度的堪加单调增加，表明磁性层的增加不利于品粒细化。当f e 层厚度为6 胂时样品的磁性能最好颗粒分和均匀。 ( 4 ) 室温下制备了磁性层和非磁性层等厚的系列 f e 0 啪) t i 0n m ) m 多层膜 洋品。发现所有样品，荏沉积态都表现出很强的垂直各向异性。磁性能最好的样 品对应x = 1 5 啪，此时垂直矫顽力达到j3 k o e 。 关键词：磁控溅射：矫顽力：退火：矩形比：交换相互作用 河北师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x t e n s iv es t u d i e sh a v e b e e nm a d eo nt h es t r u c t u r e ，m a g n e t i c p r o p er t i e s ，i n t e r l a y e rc o u p l i n g ， i n t e r f a c i a ls t r u c t u r e sa n di t s r e l a t i v ee f f e c t si nm a g n e t i cf i l m sd u et ot h e i ra p p l i c a t i o ni n m a g n e t i cr e c or d i n ga n ds e n s o r s i nt h i st h e s i s ，f o u rs e r i e so ff i l m s h a v e b e e np r e p a r e db ym a g n e t r o ns p u t t er i n go n t og l a s ss u b s t r a t e s a tr o o mt e m p er a t u r e t h ed e p e n d e n ceo f 【f e ( xn m ) t i ( 1 6n m ) 】loo n th et h ick n es so ff ei a y e rb e e ns t u d i e d t h em ic r o s t r u c tu rea n d m a gn e t icp ro p e r t ieso f 【f e ( 3n m ) ，t i ( x n m ) 】lo a n dt i ( x n m ) f e ( 3 0n m ) t i 似n m ) f i l m sw e r ei n v e s t i g a t e da sf u n c t i o n so ft h e t h i c k n e s so ft ila ye r f o r f e ( zn m ) t i ( xn i n ) lem u l t i l a y e r s ，t h e d e p e n d e n c eo fm i c t o s t t u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so nt h ef e ，t i t h i c k n e s sa n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r ew er ei n v e s t i g a t e d a nx r a yd i f f r a c i o n( x r d )d c i e f i n “1 e ds t r u c t u r e so f h e s a m p l e s av i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) m e a s u r e dt h e m a g n e t i cp ! o p e r t i e ! o ft h i nf i ! m s t h 2s u r f a c em o r p h o l o g i e sa n d m a g n e t i c d o m a i n sw e r e o b s e r v e d b yu s i n g a s c a n n i n gp r o b e m i c r o s c o p e( s p m ) o u rw or ks a n dc o n c l u s i o n s o r g a n i z e d a s f o l i o w s ： ( 1 ) a n n e a l e dt i ( xn m ) f e ( 3 0n m ) ，t i ( xn m ) f o r m e dp e r f e c tb c c f es t r u c t u r e c o m p a r e dt oa s d e p o s i t e df i l m s ，f e ( 1l0 ) p e a ko ft h e a n n e a l e dti ( xn m ) f e ( 3 0n m ) t i ( 工 n m ) f i l m sis s i g n i f i c a n t l y s t r o n g e r d ur i n gt h ea n n e a l i n g ，ti a t o m sa r es e g r e g a t e di n t ot h ef e g r a i n sb o u n d a r y m o s to ft h e p a r t ic l e s e x h i b i t s i n g l e d o m a i n s t r u c t u r ea n dt h ea v e r a g eg r a i ns i z ev a r i e sf r o ml ln mt o l5 n m t h e o u t o f p l a n ec o er c i v i t yf or t h et i ( 16n m ) f e ( 3 0 n m ) t i ( 16 n m ) t h i n f i l mish i g h e rt h a n6 2k o e m e a n w h i l e ，t h es q u a r e n e s sr a t i o a n dg r a i ns i z eo ft h ef i l ma r eo 9 3a n d1 1n m ，r e s p e c t i v e l y ( 2 ) a nos c i l l a t o r yv a r i a t i o no ft h ec o e r c i v i t y w i t ht h e j n c r e a s i n go ft h et it h i c k n e s sw a so b s e r v e di n t h ef e ( 3n m ) t i ( x 河北师范太学硕士学位论文 n m ) 】lom u l t i l a y e r s b o t ho fg r a i ns i z ea n dt h ec l u s t e r g i z e o f m a g n e t i c d o m a i n sf i r s t s i g n i f i c a n t l y d e c r e a s e dt h e n s l i g h t l y i n cr e a s e dw i t haf u r t h eri n c r e a s e o ft it h i c k n e s s t h et y p i c a ls i z e o fp ar t i c l e sis r a n g i n gb e t w e e na b o u t8 0n ma n d 14n m ， w h e n t h i c k n e s so ft ii n c r e a s e sf r o m2n mt o6n m ( 3 ) w i t ha ni n c r e a s i n gi nt it h i c k n e s sf r o m1n mt o15n m ，t h e aver a g e g r a i n s i z eo f 【f e ( xn m ) t i ( 1 6n m ) 】lom u l t i l a y e r s d e c r e a s e df r o m4 2n ma n d2 9n m ，w h i c hi n d i c a t e st h ei n c r e a s i n g o ff et h i c k n e s si sn o tb e n e f i c i a lt or e f i n i n go ft h em a g n e t i cg r a i n s ( 4 ) f o r f e ( xn m ) t i ( 工n m ) 】lom u l t i l a y e r s ， t h eo u t - o f p l a n e c o e r c i v i t yw a sf a rh i g h e rt h a n t h e i n p l a n ec o e r c i v i t y f e ( 15 n m ) t i ( 15n m ) 】lom u l t i l a y e r sh a v eap er f a c tb c cf es t r u c t u r ea n d h i g ho u t - o f p l a n ec o e r c i v i t y5 3 k 0 e k e y w or d s ： m a g n e t r o ns p u t t e r i n g ；c o e r c i v i t y ；a n n e a l i n g s q i l a r e n e s sr a t i o ：e x c h a n g e i n t er a c t i o n 河北师范人学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 1 薄膜的发展 1 1薄膜概述 早在一千多年前，人们就已经开始制作陶瓷器皿表面的彩釉， 这就是贵金属薄膜的制各和应用。在l8 世纪中业，通过化学沉 积和辉光放电沉积，制备了固体薄膜。当时引起人们兴趣的另一 种薄膜是漂浮在水面上的油膜，这是一层极薄的有机分子膜。对 薄膜形成机理的研究开始于上世纪2 0 年代。 薄膜是开发新材料新器件的重要领域。近半个世纪以来电子 学的迅速发展，要求电子器件的尺寸越来越小。这种发展趋势要 求研究亚微米、纳米结构的薄膜以制造各种功能器件，从而极 ：的推动了薄膜研究的快速发展薄膜的范围通常是，吃十五到几 十帅在这个范围内起重要作用的是表面和界面特性，因此这个 范围内的原子和电子结构与块体内部有很大区别。 薄膜所研究的材料，对三维空i - 日j 来浇其中有一维是很小的， 这一维指的是厚度。通常认为厚度在l 帅以下的膜为薄膜，以上 者为厚膜。但这里并没有明显的界限。即使是l 脚厚的膜，含有 约4 0 0 0 个原子层，它已经具有与块体材料相近的结构和特性。 薄膜与块体材料在特性上的差别，主要反映在尺寸效应方面。所 谓尺寸效应就是薄膜厚度可与某一个物理参量相比拟。比如电子 的平均自由程，在很多无序非金属膜中，其值约为5 0 五。从这点 衡量，多数膜的导电特性类似于块体的。而在金属和高度晶化的 薄膜中，电子的平均自由程明显大于这个值，如几百埃。从电场 渗透方面考虑，表面和界面电场可以进入材料内几百个。d e 6 y 爸深 度，这对非金属薄膜是相当严重的，而对金属膜是不重要的，后 者的屏蔽长度是1a 量级，小于一个单原子层厚度。 薄膜的行为是否与相应的块体材料相同，还与加工过程中所 形成的界面、表面和缺陷有关。即使是外延生长的薄膜，在界面 附近的错配应力也延伸到几十到上百个原子层中。考虑这些因素 对薄膜结构和性能的影响，必然会涉及更大的厚度。所以，对薄 膜厚度范围的限定不是严格的，要看具体材料的结构和特性而 定。 关于薄膜形成的理论，从本世纪30 年代至今，主要发展了 两种模型：一是建立在热学基础上的唯象模型，它适用于较大的 岛形成以后的行为：另一是建立在统计物理基础上的原子模型， 它不仅适用予唯象模型所描述的范围，而且也适用于描述少数原 子成核的行为。 目前被深入研究和广泛应用的几种薄膜包括：氧化钛薄膜； 余刚石薄膜：磁性薄膜；光学薄膜：非晶硅薄膜：超导薄膜：有 机分子薄膜等。 其中的磁性薄膜，在磁记录领域已经被深入研究和广泛应 用。录音、录像磁带和计算机用磁盘等都属于磁性薄膜，它们已 经绐人们的生产和生活带来重大影响。目前用于磁性薄膜制备的 溅射沉积技术已经十分成熟，其工艺易于控制，质量可靠，成品 率高。 1 1 2薄膜的生长过程 薄膜的生长过程直接影响到薄膜的结构和性质。薄膜的生长 过程可以分为两个阶段：新相形成与薄膜的生长阶段。 河北师范人学硕士学位论文 在薄膜生长形成的最初阶段，基片上的点缺陷、线缺陷、吸 附物，靶材的原子发生碰撞而形成的原子对等，都会成为形核的 核心。在形核阶段，原子不断地沉积，形成了均匀细小、可以移 动的原子团。原子团继续接收新的原子或者相互合并而逐渐长 大，因为原子团的合并而空出的衬底表面又形成新的原子团，这 样原子团的形成与合并不断进行，渐渐连成了一片，最后形成连 续的薄膜。 1 薄膜的生长可分为三种模式i 2j ( 1 ) 岛状生长( v o l m er _ w e b e r ) 模式： 被沉积物质的原 子或者分子更倾 向与同类原子相 互键合起来，而 避免与衬底原亍 键合。即被沉积 物质之间的浸润 性较差时为岛状 生长。 白一凹 毒长生长 口峰肖一凿 焉状尊长 耸一肖 1 - 1 层状岛状生 ( 2 ) 层壮生长( f r a n k v a nd e rm e r w e ) 模式：被沉积物 质与衬底之间浸润性很好时，被沉积的物质更倾于与利底 原予键合，薄膜从形核阶段就采取二维扩展模式。只要在 随后的沉积过程中，沉积原子间的键合倾向仍大于形成外 表面的倾向，则薄膜生长就保持层状的生长模式。 ( 3 ) 中间( s t r a n k i 。k r a s t a n o v ) 生长模式：在开始一两个原 子层厚度的层状生长之后，生长模式转化为岛状模式。 三种不同的薄膜生长模式如图1 1 1 【2 】所示。 2 连续膜的形成 形核初期形成的孤立核心。将随时问的推移逐渐长大。这个过 程除了吸收单个的气象原子之外，还包括核心之间的相互吞并过 程，核心的相互吞并包括三种可能的机制。 ( 1 ) 奥斯瓦尔多( o s t w a l d ) 吞并过程在形核的过程中形成了各 种不同大小的核心 随着时间的延长，较大的核心将吸收较小的核心逐渐长 大。这个过程的驱动力来自岛状结构的薄膜试图降低自身 袁面自由能的趋势。 ( 2 ) 熔结过程 熔结是两个相互接触的核心相互吞并在很短的时间内， 两个相邻的核心之问成了直接接触并很快的相匣吞并 了，这一琨象f ! 勺驱动力是表而j 刍山能的降低 ( 3 ) 原子团的迁移 原子团的运动导致原子团日j 的相互碰撞和合并，原子团 越小，激活能越低，原子团的迁移也越容易。 掌坛 曩眭i m 赦 t n ) i 埘瑚i d 替： f饰：瑞端 k ) 王缸了础的迂韩的过 5 1 1 1 2 岛状结构的长大机 河北师范大学硕t 学位论义 在上述机制的作用下，原子团之间相互发生合并过程，形成了连 续的薄膜。 1 2磁记录的原理及磁记录介质盼发展 1 2 1 磁记录原理 磁记录介质具有记录密度高、存储容量大，信息传输速率快，可 多次重复擦写，失真小，生产成本低等许多优点，是目前最重要的存 储介质。磁记录材料的汜录原理是：在记录信息过程中，输入信息先 转变为相应的电信号输送到带有间隙的磁头线圈中，使记录磁头中产 生与输入电信号相应的变化磁场；此时紧靠近间隙并以恒定速度移动 的磁记录介质受到变化磁场的作用，从原来的退磁状态转变为磁化状 态即将随时问变化的磁场转变为按空间变化的磁化强度分布：磁记 录介质通过磁头后转变到相应的剩磁状态，从而记录下与间隙磁场、 磁头电流和输入信号相应的信息。在模拟1 汜录中，写在记录介质的空 间波形复刹了由写入电流输入到介质的瞬时波形。左数字记录中，空 间磁化比特顺序复制了电流脉冲的瞬时顺序，二进制状态顺序含有信 息含量：一个时钟设定了系统频率，指示在什么地方或什么时间可能 出现转变，在预期的间隔内( 称为比特) 转变的出现或缺失，被读作 l 或o ，这代表二进制代码信息。当需要输出信息时工f 好与上述记 录过程相反：当记录介质移动经过一个钝化磁路间隙时，写出比特上 方的边缘场在磁头中感生出磁通量的变化，磁通量的变化在读出磁头 的拾波线圈中按比例感生电压，这个电压被放大且被一个电信号处理 器读出，从而输出了被记录的信息。 1 2 2 磁记录介质的发展 人们对存储速度和存储密度需求的不断提高极大的促进了磁已 录技术的发展。磁存储介质的存储密度在近2 0 年中有了飞快的发展， 差不多每5 年增加l o 倍。从1 9 5 7 年i b m 引入磁性存储以来，其存 6 j 北师范大学硕 学位论文 储密度已提高了l5 0 ，o o o ，o o o 倍，现在已超过3 0 0 g b i t ，i n 2 ，预计 2 0 10 年达到1 t b i t i n 2 。硬盘的记录密度在l9 9 1 年到1 9 9 7 年以每年 6 0 的速度增长，从l9 9 8 开始以1 0 0 的速度增长。2 0 0 0 年一些公 司展示了高于5 0 g b i t i n 2 的产品，比如r e a d r “e ( 5 0 g b i t i n 2 一a p r i i 2 0 0 0 ，6 3 g b i t i n 2 - 0 c t o b e r2 0 0 0 ) 和f u j i t s u ( 5 6 g b i t i n 2 一a p r i l2 0 0 0 ) 。 2 0 0 2 年s e a g a t e 和闩立公司展示了高于1o o g b i t i n 2 的产品。 富士通 于2 0 0 2 年5 月在美国宣布开发成功面记录密度高达3 0 0 g b i t 平方英 寸的硬盘技术。 提高磁存储密度主要依赖于改进磁介质材料。早期的磁汜录介质 是裸钢丝或钢带。为了克服这种记录介质本身造成的间隔损失和振幅 变化等，要求记录介质要有一定的柔软性，于是磁记录介质便由硬质 介质发展为粉末涂布介质( 4 0 年代实用化) ，5 0 年代提出了用金属粉 磁带( 金属带) 来大幅度提高磁记录性能的方法。在7 0 年代主要将磁 性氧化物( 如氧化铁等) 涂缶在塑制薄膜和会属薄膜上制成磁带和磁 盘，存储密度比较低。后来。改进了磁性氧化物的矫顽力，采用超细 磁性氧化物粉末以及氧化物磁头，使存储密度有所提高。9 0 年代以 后硬磁盘存储密度的提高主要是因为采用了连续磁性薄膜介质。 磁记录介质的重大变革，一是由连续金属介质过渡到粉末涂布介 质及其不断改进：二是薄膜介质的出现。涂布型介质实现了依靠形状 各向异性的贡献( 针状化) 和粒子微细化来生成单畴粒子来降低复印 效应和噪声，以及采用饱和磁化强度从很高的铁为主要成份的会属 粉，提高了矫顽力以和剩余磁化强度肘，。最近，还开发了垂直记录 用的结晶磁各向异性很大的钡铁氧体磁粉。1 9 3 5 年，与y f e ：o ，粉 出现的同时，提出了l a n d a u l i f s h i t z 模型和p r e i s a c h 模型，19 4 8 年 由s t o n er 和w o h l f a r t h 提出了单畴粒子模型。在金属带的开发时期 ( 19 55 19 5 8 ) ，相继发表了磁化反转模型，1 9 6 3 年w f b r o w nj r 发 表微磁学理论，集微磁学之大成。粉术涂布介质随着这些微磁学理论 的发展而不断进步。开发的重点是低噪声化( 粒子的均匀分散) 、单畴 粒子( 均的尺寸) 、高地、高放以及粒子的高度择优取向。其发展 的大方向至今未变。涂句磁层的厚度，由当初的1 2 m ，减到0 。2 m 以下，薄层化的进展是惊人的。薄膜介质的提出和实验，是在5 0 年 代后半期到6 0 年代初这段时间内实施的。大约在3 0 年前确立了以高 密度化为目标的纵向介质开发方针，在此基础上，开展了薄膜化和高 肌化的研究开发工作。 磁记录介质按照磁化方向与磁记录介质运行方向的关系可分 为：纵向磁记录介质和垂直磁记录介质。 纵向磁记录是指磁化方向与记录介质的运动方向平行的汜录方 式。目前，在外存中使用最多的硬磁盘、软磁盘和磁带就是纵向记。最。 纵向记录介质从5 0 年代到8 0 年付已缔历了i 个重耍发展阶段，即氧 化物磁粉( ，- f e 2 0 3 ，c 由2 ，c o 包覆，- f e 2 0 3 磁粉) 、金属合金磁粉 ( f e c o n i 等合会磁粉) 和会属薄膜。矫顽力( 肛) 从氧化物磁粉的 2 4 k a m 提高到金属薄膜的2 4 0 k a m ，增大了一个数量级，剩磁( b ，) 从17 0 k a m 提高到l l0 0k a m ，增大了近6 倍。磁粉必须添加助溶剂、 分散剂、粘接剂等，磁粉在磁浆中仅占3 0 一4 0 的体积。磁性颗粒 被非磁性物质稀释，从而制约了记录密度的提高。金属磁粉的记录密 度虽比氧化物的高，但金属粉末的化学稳定性欠佳，以及在溶剂中斌 于分散，阻碍了它的广泛应用。金属薄膜是高记录密度的理想介质。 理由是：薄膜介质是连续性介质，并具有高的矫顽力和高的饱和磁化 强度，并且薄膜介质可有效的减薄磁性层厚度。这些正是高记录密度 8 河北师范大学硕士学位论文 介质所必备的性能 连续薄膜介质发展的几个阶段也是矫顽力提高的阶段。而记录介 质引发的噪音制约了磁记录密度的提高。对于金属连续薄膜，由于磁 性晶粒间的交换作用、静磁相互作用、热起伏产生的磁反转等，使得 信号噪音增大。而介质噪音的降低通常是通过分离磁性介质颗粒，从 而达到减弱或消除颗粒问交换耦合作用的目的。为了实现颗粒的分 离，很多方法已被采用。例如：颗粒的物理分离3 1 以及在晶界处用非 磁相进行分离【4 6 1 。金属磁性颗粒在非磁性母材中构成三维空间分散 的孤立颗粒。非磁性母材一般采用c 或s i o 。本文的工作是在非磁性 的t i 母材上生长f e 金属薄膜，期望颗粒膜中非磁性的t i 充分隔离 f e 粒子，从而达到提高矫顽力的目的。 垂直磁记录是指磁化方向和已录介质的平面垂直的记录方式。 垂直记录的设想最早在1 9 3 0 年提出，1 9 5 8 年i b m 公司试图实现这种 记录技术。垂直记录无需要求高的矫顽力和薄的磁层。显然，垂直记 录方式有利于记录密度的提高，但当时没有找到适合于记录用的磁化 垂直膜面的薄膜介质而中断了研究。 现在，垂直磁记录方式作为未来的高密度技术已开始被业界寄 予厚望。垂直磁记录方式的优点是即便相邻的磁性结晶具有相反的磁 场，相互之间也不会产生影响 1 。甚至具有反向磁场还能够起到稳定 各自磁场的作用。与水平记录方式不同，采用这种方式不必把膜设计 得非常薄沼3 。这样还可以避免粒子受热搅动的影响9 。 据日立制作所称，用于实现l o o g b p s i 记录密度的磁体结晶尺寸 为粒径9 5 n m ，膜厚2 0 n m 。由于粒径与磁转变噪音有关，因此无论是 水平记录方式还是垂直记录方式，规格要求是相同的，但是膜厚则可 加大一倍。 9 1 3 磁记录介质的重要参量与性能表征 磁性能对磁记录薄膜来说是至关重要的，它和微结构密切相 关，多年来人们对它们之间的关系进行了广泛研究，并提出了一 些重要的参数来标示这些磁性能以及优化其性能的方法。 1 3 1 磁化强度 通常认为饱和磁化强度村。是材料的固有特性，对于薄膜来说， 对这个特性的了解尚不很清晰。因为表面层附近的原子排列和自 旋耦合情况与体内不同，薄膜的饱和磁化强度与块体材料也不 同。但对大多数用于磁记录的薄膜介质来说它们的厚度通常要大 于1 0 0 个原子层或更厚，因此这个条件并不很重要。剩余磁化强 度m ，是除去饱和磁场后剩余的磁化强度，它不是材料本身固有 的，而是强烈地依赖寸：微结构、薄膜厚度等条件。 1 3 2 矫顽力与剩磁 磁记录介质材料需要有适当高的矫顽力，这样才能保证记录 比特的热稳定性，并且能够有效抵抗外界磁场干扰。纵向记录中， 磁矩方向平行于盘面，相邻记录比特的磁距方向相反，若矫顽力 较小比特问可以彼此去磁，信息将消失，另外磁矩还要受到纵 向退磁场的削弱作用，所以为了稳定信息存储，即使没有外界磁 场干扰也需要适当高的矫顽力：当然，矫顽力不能无限制地提高 过高的矫顽力可能会超过磁头的写入磁场而造成记录磁化反转 困难，不能写入信息。垂直记录中，磁矩方向垂直于盘面，所以 磁距方向相反的记录比特间没有退磁作用，但是为了有效存储信 息，适当的矫顽力也是必需的。 记录后输出信号的大小依赖于剩磁的大小。记录介质必须有 河北师范大学硕士学位论文 足够高的剩磁，这样，记录比特才能产生足够的边缘场，这个边 缘场伸展到介质表面上方足够强度时，才能被读出磁头检测出 来。 1 3 3 磁滞回线矩形比与转换场分布 理想的记录介质由孤立的单畴磁性单元规则排列组成。这些 单元应该是双稳态的：在合理的写入磁场下，记录介质能够敏锐 地被磁化；当记录磁场撤去后，介质能够保留最大的剩磁。这个 介质的双稳态特性用材料的磁滞回线矩形比来表征。一般我们应 用如下两个定量指标来对磁滞回线的矩形比进行描述。 ( 1 ) 磁滞回线矩形比的个定量指标是剩磁比： s = m ? | m 。 这个参数是读出信号强度的主要指标，正比于剩磁高的剩磁比 s 代表磁滞回线的纵向方形度好，介质的信号输出量大。磁存储 介质要求局的剩磁比s ，以藏小自退磁效应，提高信息记录效率。 ( 2 ) 一个磁滞回线矩形比为矫顽力方形度s 。第二象限的平 均磁化率为鸠皿的比值。具有磁滞的磁性材料，肘= o 时的磁化 率为= a a h l 一般情况下，m 玩。为了把二者的比率 表达成一个从o ( 没有方形) 到1 ( 大部分方形) 变化的方形度 参数矫顽力方形度参数s 定义为： s ：1 一生i x a h t 高的s 值代表磁滞回线的横向方形度好，介质的磁化反转尖锐而 敏感。磁存储介质要求高的值，以减小开关磁场范围和输出脉 冲宽度，提高记录信息的分辨率和磁记录密度。 要提高磁化反转的空间尖锐度或者敏锐度，则要求介质由大 量小的磁化单元组成，这些单元之间有尽可能弱的相互作用。一 个理想的比特应该由单畴的、孤立的磁性颗粒组成，这通常是不 现实的，大约l o o o 个尺寸分布均匀的颗粒组成的一仑出特可以 确保磁化反转的尖锐程度。转换场分布( s f d ) 的定义： s f d ：坐 皿 其中，埘为磁滞回线的微分曲线的半高宽。s f d 可用来描述 磁记录材料的磁滞回线在第二象限的陡度，是表征磁滞回线矩形 程度的另一种方法，s f d 越小，d m ，d h 的半峰宽越小，回线的矩 形度越好。所以，转换场分布的定义与磁滞回线方形度的定义在 表征记录介质的双稳态特性上的物理本质是相同的。s f d 与晶粒 大小分布有近似关系，因为不同太小和形状的颗粒会在不同的场 强下进行反转，所以小的s f d 需要一个窄的颗粒大小分布。开关 场分布是描述磁记录材料的微观和宏观综合均匀性的重要参数 l l0 1 。 1 3 4 记录介质材料的热稳定性 高的热稳定性指的是尽量减小磁记录材料的温度系数，削弱 老化效应。磁记录的热稳定性依赖于记录位的磁存储能与热扰动 能的比值：民y 膨。丁。其中，咆为磁晶各向异性常数，矿为记录 位的体积为玻尔兹曼常数，7 1 为温度。一般认为巧矿r 的 比值在4 0 到7 0 为典型值。但是，随着记录密度的提高，记录位 的体积会越来越小，逐步接近于超顺磁极限【。因此，为了保持 记录介质的热稳定性、克服超顺磁的极限，需采用疋值大的介质 材料i 川。但是气值的增大。将会使介质的矫顽力随之增大，这将 会使磁记录信号难以被写入记录介质中。因此磁畴的热稳定性已 经成为制约记录高密度化的一个严重的闯题。 河北师范大学硕士学位论文 1 4 一- 磁记录介质的研究概况及其面临的技术问题 提高磁存储密度主要依赖于改进磁介质材料。在7 0 年代主 要将磁性氧化物( 如氧化铁等) 涂布在塑料薄膜和金属薄膜上制 成磁带和磁盘，存储密度比较低。后来，改进了磁性氧化物的矫 顽力，采用超细磁性氧化物粉末以及氧化物磁头，使存储密度有 所提高。9 0 年代以后，硬磁盘存储密度的提高主要是因为采用了 连续磁性薄膜介质，可有效地减薄磁性层厚度，并且具有高的矫 顽力和高的饱和磁化强度。但是连续磁性薄膜介质较颗粒介质易 于产生噪音。e d x a r d 和s m u r d o c k 提出了颗粒膜是很有希望的材 料。 近年来，随着记录密度的不断提高，传统的纵向记录介质面 临诸多挑战。首先，密度越高，记录位的退磁场越强从而导毡 记录信号的不稳定。其原因在于纵向记录中，记录密度要提高， 需要记录比特的物理体积减小，所以记录波长减小。当记永波长 减小时，退磁因子增大( 退磁因子与mr t ，八成正比，m r 为介质 的剩余磁化强度，t 为介质磁层厚度，m r t 为剩磁厚度积，或称为 面磁矩) 。减薄磁层可以减小退磁因子，但是薄的磁层输出信号 m r 也减弱所以纵向记录的退磁场随着记录波长的缩小和膜厚的 减薄而增大，因而，随着记录密度的增高，记录位的去磁因子增 大。退磁场可使过渡区宽度增加，限制记录密度的提高。 另外，在高密度记录的条件下，为了确保记录信息的可靠性， 必须保证充分的信噪比s n r ，而信噪比s n r 是随n 2 的增大、 mr t 的减小而增加的( n 为每一记录位中的晶粒数) 。记录密度的 提高必然导致记录位单元尺寸的减小，为保证合理的信噪比，应 使每一个单元中具有足够数量的晶粒，这就需要减小晶粒的尺 寸，并降低介- 质的剩磁和减薄磁层厚度。因此，为了提高纵向磁 记录系统的记录密度，必须在减小介质膜中的晶粒尺寸的同时减 小介质厚度。但是，根据磁记录理论，当磁记录介质中的晶粒尺 寸小到一定程度时，将会出现热稳定性问题，也就是超顺磁现象。 这时，热效应可能引起记录位的自退磁，使记录位变得不稳定， 从而导致记录信息失效【”】。因此，对磁记录介质而言，存在着一 定的超顺磁极限或记录密度极限。因为磁匠录的热稳定性依赖于 记录位的磁存储能与热扰动能的比值：k 矿岸。r ，晶粒的热衰减 时间： t = lo e x p ( k y r ) 根据计算，当k y 丁= 25 时，热衰减时间约为lm i n ，而 当k 矿r = 4 0 和k y + 妫7 1 = 6 0 时，热衰减时间分别为7 5 年和 1 0 9 年。为了保证介质中晶粒磁化状态的稳定，应保持较高的k 。y + 值，一般认为其数值应大于4 0 。总之，高密度纵向磁记录介质的 设计必须兼顾退磁场、信噪比和稳定性等诸多方面的性能。 扩展超顺磁极限的方法之一是提高介质磁记录层的矫顽力。 介质的矫顽力越高，记录位的自退磁效应越小，通过热效应和磁 效应使相邻记录位的取向改变也就越难，记录信号越稳定。但是 与此同时，矫顽力越高，在记录过程中使磁层达到饱和磁化也就 越难，这就对记录磁头的记录磁场提出了更高的要求。在记录磁 头性能一定的条件下，为了保证介质磁层达到饱和，需要使磁层 更薄。但是磁层的减薄不仅受工艺条件的限制，而且必须以保证 介质的机械性能和能够提供充分的信噪比为前提【4 1 。 1 4 河北师范火学硕士学位论文 因此，记录密度极限是必然存在的s 据业内专家的最新预测， 纵向记录的密度上限可能在2 5 0 50 0g b ，i n 2 ，而垂直磁记录由于 其本身固有的高密度记录特性，其面记录密度的极限预计可达到 lt b i n 2 以上。 1 。5 选题背景及动机 在3 d 过渡族元素中，f e 位于c r ，m n 和c o ，n i 之间，它的左边c r 和m n 都是典型的反铁磁材料，在它的右边c o 和n i 是典型的铁磁材料。 所以，f e 具有非常丰富的磁学性能。f e 做为3 d 过渡族金属中应用最广 泛的材料之一，人们对它的研究数不胜数，但是在纳米尺度下对f e 的研究，不管是在实验上，还是在理论研究上，它仍然是一个具有挑 战性的课题。 t i 元素在元素周期表中属于i v b 族，它具有与f e 相接近的晶格常 数。t i 具有高韧性、高弹性、耐热性好、抗腐蚀性强、密度小等诸多 优点。另外，t i 是非磁性材料，即使在很大的磁场中也不会被磁化。 f e 和t i 两种元素在自然界中储量丰富。价格便宜，适合在工业 中大艘梗应用。f e t j 系被作为是：氢村料 ：已经受到1 r 人们的重视。 在当今的磁记录领域中，f e p t ，c o c r p t ，c o p t 等磁记录材料已经 被广泛的研究。对于f e t i 系，人们仅考虑把它做为具有高饱和磁化 强度和低矫顽力的磁头材料来进行研究。根据1 9 4 8 年s t o n g er 发表 的他们对异质合金磁滞机制的研究结果，f e 的矫顽力理论上应该能 达到l o 0 0 0o e 以上l 】，然而，目前为止人们并没有制备出高矫顽 力的b c c 结构的f e 系合会材料，为此，制各出高性能的f e t i 系薄膜 材料在理论上和实际应用中，都将是很有意义的。 另外薄膜有着许多异于块状体的独特特性。薄膜的磁性既与磁 性金属在膜中所占的体积百分比有关。又与膜中颗粒的大小形状， 结构有关。同大块材料相比，由于颗粒尺寸的减小，颗粒具有明显的 小尺寸效应与表面效应。在一定的组成和微结构条件下，薄膜常呈现 出独特的磁性行为。它们的内禀磁性，例如：饱和磁化强度胁和各 项异性常数足都显著不同于块状材料。研究这些因素对薄膜磁性的影 河北师范大学碗士学位论文 响对于纳米磁学和应用磁学都有重要意义。基于以上的分析，并结合 我们的条件，制备并研究了几个系列的f et i 系薄膜。 综上所述，我们选择f e t i 系薄膜进行研究，主要基于以下四点： ( 1 ) f e 和t i 两种元素在自然界中储量丰富，价格便宜，适合在工 业中大规模应用。 ( 2 ) 薄膜有着许多异于块状体的独特特性 ( 3 ) 期望得到非磁性的t i 包覆着f e 的颗粒，利用t i 隔离磁性 f e 离子，减小磁性粒子问的相互耦合作用，提高矫顽力。 ( 4 ) 希望能得到适用于磁记录介质的f e t i 合金薄膜，并研究其 机理。 7 2 1 1 概述 第二章薄膜的制备及检测 2 1薄膜的制备及后处理 薄膜的制备方法以气相沉积法为主，包括物理气相沉积法 ( p v d ) 和化学气相沉积法( c v d ) ，前者发生的是物理过程，后 者包含了化学反应过程。目前常用的物理气相沉积法有溅射、分 子束外延( m b e ) 、脉冲激光沉积( p l d ) 等。常用的和新发展起来 的c v d 方法有：金属有机化学气相沉积( m o c v d ) 、微波电子回 旋共振化学气相沉积( m w e c r c v d ) 、壹流电弧等离子体喷射 c v d 和触媒化学气相沉积( c a t c v d ) 技术。非气相沉积方法有溶 胶凝胶法( s o 卜g e l ) 、电沉积等f 1 7 j 。表l 给出了一些常见的制备 方法。 表l ：薄膜的制各方法 溅射法 离子束法 分子外延法 物理沉积法 真空蒸发法 脉冲激光沉积 气相生成法 法 化学反应法 化学沉积法 热分解法 发电聚合 法 高温氧化法 氧化法低温氧化法 阳极氧化法 气相扩散法 扩散法 固相扩散法 电镀法电解电镀法 河北师范大学硕 ：学位论文 无电解电镀法 液相生长法溶液输送法 ( 液相外延)溶液温度下降法 离子注入法一 涂布法 一 2 1 2 溅射法 溅射是指荷能粒子轰击固体表面( 靶) ，从而使固体原子( 或 分予) 从表面射出的现象。这些被溅射出来的原子将带有一定的 动能，并且具有方向性。应用这一现象将溅射出来的物质沉积到 基片或工件表面形成薄膜的方法称为溅射镀膜法。它属于物理气 相沉积的一种，射出的粒子大多呈原子状态，常称为溅射原子。 用于轰击靶的荷能粒子可以是电子、离子或中性粒子，因为离子 在电场下易于加速并获得所需要的动能，因此大多采用离子作为 轰击粒子，该粒子又被称为入射离子。溅射法现在已经广泛应用 于各种薄膜的制备中。 溅射法基于荷能粒子轰击靶材时的溅射效应，而整个溅射过 程都是建立在辉光放电的基础之上，即溅射离子来源于气体放 电。 辉光放电是在真空度约为l 10p a 的稀薄气体中，两个电极 之间加上电压时产生的一种稳定的自持放电，是气体放电的一种 类型。辉光放电分为有恒定电压特性的正常辉光放电和有电流饱 和特性的异常辉光放电。在实际样品制各过程中，经常选择满足 异常辉光放电的工艺条件。 f 离子轰击靶阴极时，平均每个正离子能从阴极打出的原子 数，称为溅射率。影响溅射率的主要因素是正离子的加速电压， 即溅射的离子能量大小。溅射率一般随离子能量的增加会出现峰 1 9 值。溅射率还与离予入射角度有关，离子入射方向与被溅射的础 表面发现间的夹角在6 0 7 0 度之间时，溅射率最大。此外，溅射 率髓入射离子原子序数和靶原子的原子序数的变化而周期性变 化。研究表明惰性气体作为入射离子时，溅射率较高，所以， 多数情况下，均采用a r 离子作为溅射沉积时的入射离子【18 1 。 2 1 3 磁控溅射法1 1 9 磁控溅射是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种高速溅射技术。 它作为一种十分有效的薄膜沉积方法，被普遍和成功地应用于许 多方面【2 ”，特别是在微电子、光学薄膜和材料表面处理领域中， 用于薄膜沉积和表面覆盖层制备。在该溅射技术中引入了f 交电 磁场，使得气体的离化率得到了提高。本工作采用的方法就是物 理沉积方法中的磁控溅射法。因其工艺流程简单，制备结构多样 靶间电压低，成层稳定，在薄膜实验研究中得到广泛采用。其原 理如下： 当入射离子轰击靶面( 阴极) 时，会引起初始电子发射。这 些初始电子的平均自由程随电子的能量增大而增大，随气压的增 大而减小。在低气压下，离子是在远离阴极的地方产生，同时， 初始电子以较大的能量碰撞阳极，所引起的损失不能被由碰撞引 起的次级发射电子所抵消，这时，离化率很低，以至于不能达到 自持辉光放电所需要的离子。通过增大加速电压的方法也同时增 大了电子的自由程，从而也不能有效地增加离化效率。虽然增大 气压的方法可以提高离化效率，但在较高的气压下，溅射出的粒 子与气体分子的碰撞几率也增大，实际的溅射速率也难有很大的 提高。 如加一平行阴极表面的磁场，那，么电子将做回旋运动，初始 河北师范大学硬士学位论文 电子的运动将被限制在近邻阴极表面的区，域，从而增大气体分子 的离化率。初始电子在磁场的控制下，运动路径很长，而且被束 缚在靠近靶面的等离子区域内，在该区域中电离出大量的a r + 离 子来轰击靶材，从而实现磁控溅射沉积速率提高的特点。随着碰 撞次数的增多，电子的能量耗尽，逐步远离靶面，在电场作用下 沉积在基片上。由于这种电子的能量很低，电子对薄膜的轰击作 用减小，减小了对薄膜的损伤，并降低了基片的额外温度，有利 于提高薄膜的质量与表面光滑度。 综上所述，磁控溅射的基本原理就是用磁场改变电子的运动 发向，并束缚和延长了电子的运动轨迹，提高了电子对工作气体 的电离几率，从而有效利用了电子的能量。磁控溅射较通常的溅 射方法具有以下一些优势：1 、沉积速率大，功率效率高：2 、适 圈2 1 1磁控溅射设备实