（凝聚态物理专业论文）（ti）niti纳米薄膜的制备、微结构和磁特性研究.pdf

河北师范人学硕士学位论文 摘要 磁性薄膜的研究，是磁学领域的研究热点。其研究成果不仅 可以直接应用于磁记录、传感器等领域，同时又可以丰富和完善 微磁学理论。本论文应用对靶磁控溅射法制各了一系列f t i ) n i t i 纳米薄膜，并利用x r d 、s p m 和v s m 对材料的磁特性和微结构 进行了研究。所得结果如下： 1 用对靶磁控溅射法制备了n i ( 3 0 n m ) t i ( t = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 n m l 系列样品，发现沉积态n i q i 薄膜呈面心立方( f c c ) 结构；当t j 层厚度为3 n m 时，垂直矫顽力达到最大，平均粒径约19n m 。 2 用对靶磁控溅射法制备了t i ( t = 1 ，3 ，5 ，7 ，1 0 n m ) n i ( 3 0 n m ) t i ( 3 n m ) 系列样品。发现当t i 覆盖层厚度为3 n m 时，样品结晶程度 最弱，且平均粒径约2 0 n m ，垂直膜面的矫顽力达到最大值，约 为4 5 0 0 e 。 3 用对靶磁控溅射法制备了t i ( 3 n m ) n i ( t = 5 ，1 0 ，l5 ，2 0 ，2 5 n m ) t i ( 3 n m ) 系列样品，当n i 磁性层厚度为1 0 n m ，垂直矫顽力最大， 达到5 l0 0 e ，平均粒径约l3 b m 。 4 用对靶磁控溅射法制备了t i ( 3 n m ) n i ( 10 m ) t i ( 3 n m ) 系列 样品，发现4 0 0 。c 退火3 0 m i n 后，磁畴尺寸最小，垂直矫顽力达 到最大约1 5 k o e ，d 曲线显示出颗粒间的交换耦合作用以长程 静磁相互作用为主，显示出较好的垂直各向异性。 5 由x r d 图谱与a f m 图可知，磁晶各向异性与形状各向异性 并不是提高样品磁特性的主要因素，样品中高的矫顽力，主要源 于应力各向异性和非磁性层对磁性层适度的扩散。 关键词：磁记录纳米颗粒膜磁控溅射矫顽力交换相互作用 河北师范火学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er es e a r c h 0 f m a g n e t i cg r a n u l a r f i l msist h ef o c uso n m a g n e t i s mf i e l d t h e a e h i e v a m e n tw a sn o t o n i ya p p l i e dt o t h e f i e l dso fm a g n e t icr e c o r d i n ga n ds e n s o r se t c ，b u ta ls op e r f e c t e dt h e t h e or yo fm i cr o m a g n e t i s m f o u r s er i es g r a n u l a r f i l m sw e r e p r e p a r e db yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n go n t og l a s ss u b s t r a t e sa tr o o m t e m p er a t u r e t h em i c r o s t r u c t u r eso ff i l m sw e r ee x a m i n e db yx r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) t h em or p h o l o g i e sa n dd o m a i l 2s t r u c t ur e sw e r e o b s e r v e db ys c a n n i n gp r o b em i c r os c o p e ( s p m ) a n dm a g n e t i c p r o p e r t i e s w e r em e a s u r e d b yv 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 ) i th asb e e nf o ur l d t h a tt h em i c r os t r u c t u r ea n d m a g n e t i c pr o p e r t i e so f ( t i ) n i t if i l msd e p e n ds t r o n g l yo nt h et iu n d er1 a y er t io v e rl a y ert h i c k n e s sa n dt h en im a g n e t i cl a y e rt h i c k n es sa tr o o m t e m p e r a t u r e x r a yd i f f r a c t i o np r o f i l e ss h o wt h a tt h en im a g n e t i c1 a y e r sa r e f or m e da st h ef a c e c e n t er - c u b i c ( f c c ) s t r u c t u r e f o rt h es er i e so fn i ( 3 0 n m ) t i ( t = 1 ，2 ，3 ，4 ，5 n m ) f i l m ，w h e nt h e u n d erl a y ert h i c k n e ssi s3 a m ，v s mme a s u r e m e n tsi n d i c a t et h a tt h e o u t o f p l a n ec o e r c i v i t y r e a c h e st h em a x i m u ma n ds p mi m a g e s h o w st h a tt h ea v e r a g eg r a i ns i z eisa b o u t19 n m t h es e r i eso ft i ( t = 1 ，3 ，5 ，7 ，10 n m ) n i ( 3 0 n m ) t i ( 3 n m ) f i l msw er e p r e p a r e db yd cm a g n e t r o ns p u t t e r i n go n t og l a s ss u b s t r a t esa tr o o m t e m p e r a t u r e v s mm e a s u r e m e n t si n d i c a t et h a tw h e nt h eo v erl a y e r 河北师范人学硕士学位论文 t h i c k n e s si s 3n m ，t h eo u t o f p l a n ec o e r c i v i t yr e a c h e st h em a x i m u m a b o u t4 5 0 0 e ，s p mi m a g es h o w st h ea v e r a g eg r a i ns i z ei s2 0 n m f o rt h et i ( 3 n m ) n i ( t 3 5 ，1 0 ，15 ，2 0 ，2 5 n m ) t i ( 3 n m ) f i l m s ，w e f o u n dt h a tw h e nt h en it h i c k n e s si s10 n m ，t h ec o e r c i v i t yr e a c h e s t h em a x i m u ma b o u t51o o e ，a n d ，s p mi m a g es h o w st h ea v e r a g eg r a i n s i z ei s1 3 n m i th a sb e e nf o u n dt h a tt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m a g n e t i c p r o p e r t i e so ft i ( 3 n m ) n i ( 10 n m ) t i ( 3 n m ) f i i r e sd e p e n ds t r o n g l y o nt h ep o s ta n n e a l i n gt e m p e r a t u r e a n n e a l e da t4 0 0 。c ，t h ed o m a i n s i z ei st h es m a l l e s ta n dt h ec o e r c i v i t yr e a c h e st h em a x i m u ma b o u t 1 5 k o e t h e6 mc u r v es h o w st h en e g a t i v ev a l u ef o rt h ef i l m ，w h i c h i n d i c a t e st h a t i n t e r g r a i n i n t e r a c t i o nc h a n g e f r o m e x c h a n g e i n t e r a c t i o n t o d i p o l a r i n t e r a c t i o n f r o mx r dp r o f i l e s a n da f mi m a g e s ，i ti sn o ta t t r i b u t e dt ot h ec r y s t a l l i n ea n i s o t r o p y a n dt h es h a p ea n i s o t r o p y t h eh i g hc o e r c i v i t yo ff i l mc o m e sf r o m t h es t r e s sa n i s o t r o p ym a i n l y k e y w o r d s ：m a g n e t i cr e c o r d i n g 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 ，i n t e r g r a i n i n t e r a c t i o n ，t h es t r e s s a n i s o t r o p y i 河北师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 磁记录的概况 磁记录技术从18 9 8 年诞生，已经跨越了一个世纪。作为一门 传统的存储记录技术，磁记录在消费电子领域和专业应用领域均 有着广泛的应用。尽管光记录技术的崛起和固体存储技术的发展 打破了磁记录技术一统天下的局面，但由于在记录介质、读写磁 头、数字信道等技术方面不断取得突破性进展，磁记录技术迄今 依然焕发着盎然生机。随着性能的不断提高，磁记录技术的应用 领域越来越广。 a ) ：椎豳 m 绯 b ) m 脓嫩场的截嘲分砧 图1 i 单道环形磁头记录过程 戳又 中f h l 州崩 舟_ 嚆 牡庇 图1 1 ( a ) 示出了一个简单的、单道的记录例子。所用的记录 介质是非磁性基底支撑的薄膜型磁性材料、这些磁性薄膜通常具 有多晶结构，所用的磁头是一个环形电磁铁，在面向介质的面上 丌有间隙，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：如图1 1 ( b ) 所示，此时紧靠间隙并以恒定速度 可北师范大学硕士学位论文 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，即将随时间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。 当需要输出信息时，正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，再将电 信号转变为声音( 类似电话) 、图像( 类似电视) 或数字( 类似计算 机) ，从而使被记录的信息再现。 目前已经应用和尚在研究中的磁记录介质材料有铁氧体和 金属两类，具体为： ( 一) 铁氧体记录材料：( a ) t - f e 2 0 3 磁粉和包c o 或掺c o 的 t f e 2 0 3 磁粉，是目前产量最大应用最广的磁记录材料，其中以 针状单畴颗粒磁粉性能最好：( b ) c r 0 2 磁记录材料，其磁性如矫 顽力。，饱和磁化强度版，剩磁比m ，m 。，和磁晶各向异性丘 都较高，但居罩温度低( 曰。12 0o c ) ，材料的制造又需要高温高 压和催化剂等复杂条件，故仅在少数特殊情况下应用：( c ) 六角 型b a f e l2 0 i9 磁记录材料，特点是用其他金属离子适量代换f e 弘 离子之后，可以获得较高的饱和磁化强度和矫顽力，是一类新型 的高密度垂直磁记录材料。 ( 二) 会属磁记录材料：( a ) f e 系和f e c o 系磁膜，f e 磁膜 的饱和磁化强度较f e c o 磁膜高，但矫顽力却较f e c o 磁膜低； ( b ) c o c r 系磁膜的特点是具有高的垂直( 膜面) 磁各向异性和矫 顽力，适宜用作高密度垂直记录材料。 河北师范大学硕士学位论文 1 2 磁记录的发展简述 磁记录技术最早是由丹麦工程师v p o u l s e n t l l 于l8 9 8 年发明 的，使用一根钢丝作为记录介质，冷拔出强的纤维织构，这个织 构产生单轴磁各向异性和几百奥斯特的矫顽力。由于矫顽力较 低，且输出的音质很差，所以未能获得广泛的应用。 1 9 3 2 年r u b e n 等人利用f e 3 0 4 粉末和粘合剂涂成磁带，为磁 带的制备工艺打下了基础。1 9 5 4 年m c a m r a s 发明了针状t f e 2 0 3 磁粉的制备工艺，随后渐渐代替了粒状的f e 3 0 4 磁粉，使磁带的 性能稳定，易于长期使用和存放，价格低廉，为磁记录介质的广 泛应用奠定了基础。 5 0 年代计算机的出现，以及视频技术的快速崛起，大大推动 磁带，磁盘和磁鼓等磁记录的应用和发展。磁记录的理论也随之 得到相应的深刻发展。 6 0 年代后高矫顽力磁记录材料的不断开拓，如1 9 6 0 年美国 d o p o n t 公司发明的c r 0 2 磁粉，1 9 7 4 年日本东京电气公司的 a v i l y n 磁粉；1 9 7 8 年美国3 m 公司的金属磁粉等。7 0 年代末，市 场上最早出现薄膜介质，同时发展成硬磁盘应用的主导介质，并 已渗透到高密度视频记录的介质市场。 8 0 年代是磁记录介质发展的高峰期。高水平分辨率视频技术 ( s - v h s 和e d - b e t a 高清晰度机种) 似乎成为当今磁记录技术发展 实力的象征，其发展都是基于高档磁粉的研究开发。s v h s 采用 的是钴改性t f e 2 0 3 磁粉，e d b e t a 采用的金属磁粉。进入9 0 年 代，数字化技术的发展和普遍应用，磁记录技术和介质在高密度、 高性能、大容量、小型化、数字化方面获得重大进步。 磁记录经过整个一个世纪的发展，在当今信息时代，已名副 河北师范大学硕士学位论文 其实的成为高新技术的重要组成部分。如果说磁芯材料和永磁体 材料主要用于能量转换，磁记录材料则主要用于信息的记录与存 储。从材料的绝对用量来说，后者微不足道，但它起的作用却不 能忽视。在全世界范围内的经济，乃至政治、文化、军事等各个 领域中，磁记录技术及磁记录材料都起着举足轻重的作用。 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 磁汜录技术的发展。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1 0 倍。以计算机用的硬盘驱动器 ( h d d ) 为例，从i 9 5 7 年i b m 引入磁性存储以来，在4 0 多年 的历史当中，其存储密度已提高了4 0 0 万倍以上。近1 0 年来，硬 盘驱动装置的记录密度在以每年6 0 1 0 0 猷j 速度增加，现在已超 过3 0 0g b i t i n 2 ，预计2 0 1 0 年达到1 t b i t i n 2 ( 1i n = 2 4 5c m ) 。为 了实现该目标，要求颗粒的尺度位于5 8 n m 之间，同时，其矫顽 力、信噪比以及热稳定性也必须要满足要求 2 - 5 1 。 越 船 谣 目 旧 m_蚺m_ 图l - 2 磁记录密度的进展 图1 2 展示了磁记录密度的进展情况。可以看出，近年来， 记录密度的提高简直到了惊人的程度。由于人们欲望的无止境， 记录密度仍会保持高速发展。 4 河北师范大学硕士学位论文 1 3 磁记录技术面临的问题及解决方案 1 3 1 磁记录技术面临的问题 目前，在外存中使用最多的硬磁盘、软磁盘和磁带采用的都 是纵向或水平磁记录( l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cr e c o r d i n g ，l m r ) ， 每个存储位的磁性粒子平辅在一个平面上。现在对于磁记录设备 的要求是体积越来越小，容量越来越大。传统的纵向记录介质面 临着诸多挑战。 首先，密度越高，记录位的退磁场越强，从而导致记录信号 的不稳定。对于传统的纵向记录而言，提高记录密度就是减小记 录波长。当记录波长减小时，退磁因子增大( 厅。c 坼f 以，吖，为介质 的剩余磁化强度，t 为磁性层的厚度) 。由于退磁场使过渡区域变 宽，这限制了记录密度的提高。 另外，在高记录密度的条件下，为了确保记录信息的稳定可 靠，必须保证充分的信噪比( s n r ) 。然而，s n r 是随2 的增 大、膨t 的减小而增加的( 为一个记录位中的晶粒数) 。记录密度 。的提i 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 使每个记录位中具有足够数量的晶粒，这就需要减小晶粒尺寸并 降低介质的剩磁和减薄磁性层的厚度。但是，磁颗粒的单轴各向 异性常数和体积决定着磁颗粒的热稳定性，而热稳定性的高低则 决定了磁颗粒状态的稳定性，也就是决定了所储存数据的正确性 和稳定性。当磁颗粒的体积太小的时候，能影响其磁滞的因素就 不仅仅是外部磁场了，些许的热量就会影响磁颗粒的磁滞，从而 导致磁记录设备上的数据丢失，即出现“超顺磁效应”。 为了尽可能的降低“超顺磁效应”，业界通过提高磁颗粒各向 异性、增加热稳定性来解决。磁颗粒各向异性的提高固然使得磁 河北师范大学硕十学位论文 记录介质更加稳定，但是必需同时提高写入磁头的写入能力。另 外，磁颗粒体积的缩小，也需要进一步提高读取磁头的灵敏度， f 是m r ( 磁电阻) 磁头、g m r ( 巨磁电阻) 磁头相继应运而生，在 g m r 磁头技术的帮助下，水平记录区域密度已经达到了l0 0 g b i t i n 2 以上。不过，磁记录业界公认水平记录技术已经达到了 极限，再通过歼发不同的磁性材料、磁头技术来提升区域记录密 度已经不再是经济、有效、可行的途径了。 1 3 2 问题的解决 现有的磁记录区域密度达到了相当高的水平，进一步的发展 受到了超顺磁效应限制，要继续推动磁记录的发展，需要引入薪 的技术。在磁记录介质方面，目前克服纵向记录的超顺磁效应的 方法有：反铁磁耦合介质、垂直记录和热辅助记录技术等。 1 3 2 1反铁磁耦合介质1 6 - t 2 i 幽1 3 传统磁性介质和a f c 磁性介质 反铁磁耦合介质也称为合成反铁磁介质( s y n t h e t i c a n t i f e r r o m a g n e t i cm e d i a s a f ) 或叠层介质( l a m i n a t e d a n t i f er r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e dm e d i a 。l a c ) 等。这是由i b m 在 2 0 0 1 年率先提出的，巧妙地绕过了“超顺磁”障碍a f c 的原理很 简单：它在磁盘表面做上两个磁记录层，两个磁层之间以仅有几 6 河北师范大学硕士学位论文 个原子厚的贵金属钉元素超薄层“p i x i ed u s t ”作为白j 隔( 图卜3 ) ： 当磁头进行读写操作的时候，金属钌层既可以保证磁场顺利通 过，又不会让两个磁层产生相互干扰，这样便可在不缩小磁颗粒 尺寸的前提下，将硬盘的存储密度提升到超越每平方英寸 1 0 0 g b i t 的高峰。尽管a f cm e d i a 没有直接与超顺磁效应作斗争， 但在当时它是唯一能够大幅提升存储密度的有效途径；因此在 i b m 提出该技术之后，希捷、迈拓、西部数据等硬盘厂商先后都 将它应用于实践中，也正是得益于该项技术，我们今天才能够看 到数百g b 的大容量硬盘进入主流。但作为一项过渡性方案，a f c 技术在今天又面临瓶颈一硬盘存储密度已超越1 0 0 g b i t 大关，磁 颗粒直径缩小到9 5 n m 尺度，此时超顺磁效应再度出现，如果没 有行之有效的办法，硬盘存储密度将难以获得进一步的提升。 图1 4 水平、垂直记录方式对比 图1 5 垂直记录的模式，相邻信息之间s n 极性相反 河北师范大学硕士学位论文 1 3 2 2 垂直磁记录技术1 3 - 1 9 i 垂直磁已录技术并非近年才出现，是丹麦科学家v a l d e m a r p o u ls e n 在十九世纪后期首创，他也被公认为首位能够利用垂直 记录技术通过磁带记录声音的人。直至1 9 7 6 年，垂直记录技术 再次实现了显著的突破，有“垂直记录技术之父”之称的只本东北 工业大学校长及首席总监岩崎俊一( s h u n i c h i1 w a s a k i ) 教授充 分肯定了垂直记录技术在数据密度上的优势。他的努力为深化垂 直记录技术的研究奠定了基础。这一磁化模式的实现主要归因于 丌发出了易磁化轴垂直介质表面的溅射c o c r 膜及能产生高纯垂 直磁场的单极磁头。1 9 8 1 年，日本早稻田大学的逢坂弥哲从大量 生产和降低成本等方面考虑，提出了采用化学镀膜方法制备 c o n i m n p 垂直磁记录膜，其晶体结构属a c o 的h e p 结构，具有 良好的垂直磁各向异性。用它进行磁记录和信号再生实验表明其 作为垂直磁记录介质是完全可行的。 垂直磁记录技术就是改变以往磁盘记录水平模式，而采用垂 直模式( 见图1 4 ，1 5 ) ，这样两个“信息点”之间磁力方向相反， 可以达到“互锁”的稳定状态。不难看出，垂直记录技术将磁颗粒 最大限度地隐藏起来，由于分卸在盘片表面的只是一个磁极，空 | b j 占用极小，相同的面积就能够容纳数量更多的磁颗粒，从而提 高硬盘的存储密度。其次，由于磁颗粒的大部分体积都被隐藏在 磁层深处，硬盘记录数据时所产生的热量只会对一个磁极产生影 响，而很难传达到深处，这样整个磁颗粒受热升温的速度大大变 慢，有效地避免了超顺磁效应的发生。 8 河北师范大学硕士学位论文 图1 6 日立公司应用垂直记录技术的2 5 英寸硬盘 目前，日立、希捷、东芝等公司的都已经演示了其开发的基 于垂直记录技术的硬盘样品，其中东芝的l 。8 英寸垂直记录硬盘 样品区域密度达到了13 3 g b i t i n 2 ，希捷的垂直记录硬盘样品的区 域密度达到了1 7 0 g b i t i n 2 ，日立公司也展示了区域密度达到了 2 3 0g b i t i n 2 垂直记录硬盘( 图1 6 ) 。这意味着我们在不远的将 来将看到容量为2 0 g b 的微硬盘和容量为l t b 的3 5 英寸硬盘面 市。 理论分析预测，垂直记录技术可以使区域记录密度超过l t b i t i r t 2 ，因此这项技术的成功普及将会延缓超顺磁极限至更高的 记录密度。与a f cm e d i a 类似，垂直记录技术也无法根本解决超 顺磁效应，但它通过对硬盘的数据读写机制和磁介质层结构进行 革命性的改良，成功缓解了硬盘存储密度再度遭遇瓶颈的难题， 为硬盘容量的新一轮增长注入强大的动力。 1 3 2 3 晶格( 磁) 介质记录技术1 2 0 - 2 7 l 9 河北师范丈学硕士学位论文 晶格介质技术的基本原理是生成小尺度、有序排列的“单畴 磁岛”作为写入单位，如果同一磁道上相邻单畴磁岛的极性相反， 数据被记录为“1 ”，相同则被记录为0 。这样一个比特单元的尺 度就相当于一个单畴磁岛的尺度，因此晶格介质技术的存储密度 可以达到传统垂直记录技术的大约两倍。此外，由于每个“岛”就 是一个单磁畴，所以晶格介质的热稳定性好，能避免超顺磁效应 的影响。在晶格介质记录技术中，记录单元“磁岛”是最为重要的。 为了保证有足够的记录密度和数据稳定性，磁岛必须是单畴的磁 性粒子，在磁变换过程中，磁岛要如同一个单元一样改变取向， 当被写入数据以后，整个磁岛必须保持单畴，这样数据j 。不会丢 失。因此晶格介质技术的应用不但要在晶格介质盘片制造技术上 取得突破，还需要磁头技术、伺服晶格的制造和应用技术的配合。 尽管还需要进行大量的实用化研究，但晶格介质记录技术无疑是 目前最有希望在垂直记录模式之后应用的下一代记录技术。 1 3 2 4 热辅助磁记录技术1 2 8 - 3 3 i 和自取向磁阵列技术1 3 4 - 3 9 i 图1 7h a m r t a r 热辅助记录技术的光磁头 如果要突破每平方英寸l t b i t 存储密度，垂直记录技术将难 以胜任。存储业界很早就意识到此种危机，及早进行相关的基础 1 0 河北师范大学硕士学位论文 研究、寻求解决方案便成为业界的共识，而在这一领域，希捷与 同立目前走在前列，这两家公司2 0 0 1 年所提出的h a m r 技术和 s o m a 技术有望成为垂直记录的取代者，并让每平方英寸l t b i t 的存储密度成为可能。提高存储密度的根本办法就是减小记录单 元的尺寸。垂直记录技术采用巧妙的方法，减小磁单元在磁盘表 面的表面积；品格介质记录技术则通过单畴磁岛的形成减小了写 入单位的尺度，都达到了目的。如果能够采用高矫顽力的磁介质， 磁性粒子的尺度还将进一步减小。目前采用的记录介质是 c o p t c r x ( 钴一铂铬与其他元素的合金) ，鼠值为0 2 1 07 e r g e e ，磁 性粒子的直径大约为8 n m ，如果采用高矫顽力的磁介质，如 值为7 1 07 e r g e c 的f e p t ( 铁铂合金) 、鼠值为4 6 1 0 7 e r g c c 的 n d f e b ( 钕铁硼合金) 或者邑值为1 1 - 2 0 x 1 0 7 e r g c c 的c o s m ( 钴钐 合会) ，磁性粒子的直径可以减小到2 n m 。但是高矫顽力的磁介质 在写入时需要很强的磁场，这种强磁场的写入磁头制造困难，同 时也会对相邻区域的数据稳定性构成威胁。因此，采用高矫顽力 的磁性材料需要全新的记录方法，这就是热辅助磁记录技术( 图 1 7 ) 。其原理是，所有磁性材料都具有一个居里点温度，当磁性 材料被加热到该温度时，材料的矫顽力降为零。 热辅助磁记录技术采用了激光作为辅助写入介质，在写入时 使用激光照射写入点，利用产生的热能辅助磁头写入，这样写入 磁头不需要太强的磁场。数据存储和读取的操作则在常温下进 行，由于采用了高矫顽力的记录介质，磁盘的存储密度和数据的 稳定性都将大幅度提高。热辅助磁记录技术采用的激光是一个难 题，如果要达到1 t b i t i n 2 的存储密度，那么每个b i t 所占用的面 积将是2 5 n m 2 ，这样小的面积需要相应的细光束，普通激光很难 河北师范大学硕士学位论文 做到。目的流行的解决办法是采用近场光，2 0 0 5 年4 月夏普已经 报道了一种采用近场光的热辅助记录磁头，它仅有l m m l m m 大 小，结构也非常简单。预计热辅助磁记录技术可以将存储密度提 高到5 t b i t i n 2 ，这个值是传统垂直记录技术存储密度极限的l0 倍。然而，存储密度的提高似乎还远远没有到尽头。通过对高矫 顽力存储介质的优化，科学家们仍然能够找到进一步提高存储密 度的方法。比如希捷公司的研究人员报道的自取向磁阵列 ( s o m a ) 技术，采用五羰基铁和二乙酰丙酮合铂制备自取向的 f e p t 磁介质阵列。该技术和热辅助磁记录技术结合，可以获得 5 0 t b i t 平方英寸的超高存储密度，简直令人瞠目结舌。但这还不 算终极的记录方式，采用修饰的碳纳米管和特殊分子的磁记录方 式也在文献中有大量报道，理论上它可以将存储密度提高到一个 比特对应单分子的水平，这几乎可以算作目前能够达到的极限存 储密度，不过该技术目前还停留在基础研究阶段，预计到2 0 2 0 年以后j 。能投入实用化。热辅助记录给存储工业带来美好的远 景，来自超顺磁的梦魇将彻底成为历史，硬盘技术发展也将从此 进入一个前所未有的新阶段。未来晶格介质和热辅助磁记录技术 会进一步扩展垂直记录技术的潜力。 1 2 河北师范大学硕士学位论文 1 4 影响磁记录介质的重要因素 对于磁性薄膜，根据用途的不同，人们关心的表征磁性的参 量也不同。对于磁记录薄膜介质而言，表征材料性能的基本参量 主要有：矫顽力、剩余磁化强度和饱和磁化强度、磁滞回线方形 度、磁相互作用、磁激活体积和颗粒临界尺寸等。 1 4 1 矫顽力 。 当材料达到饱和磁化状态时，磁场逐渐减小到零并沿负方向 进一步增加，导致材料的磁化强度减小，并最终将到零。这时的 磁场大小成为矫顽力。磁记录介质材料需要具有适当高的矫顽 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，相邻的磁距方向 相反。如果矫顽力较小，比特间可以彼此去磁，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合的矫顽力：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问没有退磁作用， 但是为了有效存储信息，适当的矫顽力也是必需的。 1 4 2 饱和磁化强度和剩余磁化强度 饱和磁化强度属于材料的内禀参量。为了满足合适的磁头写 入场的要求，一般希望介质具有较高的饱和磁化强度帆，但是过 高的饱和磁化强度将使过渡区的退磁场增加，不利于记录密度的 提高。所以薄膜的肌必须具有合适的值。 磁记录输出信号的大小依赖于剩磁坼的大小。记录介质必 河北师范人学硕十学位论文 须有足够高的剩磁，这样，记录比特才能产生足够的泄漏场，这 个泄漏场伸展到介质表面上方足够强度时，才能使读出磁头探测 出。 1 4 3 磁滞回线的方形度 磁滞回线方形度是用来表征磁记录介质的双稳态特性的。理 想的磁记录介质是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。 磁滞回线方形度的一个定量指标是剩磁比：s = 坼尬，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。磁记录要求 高的剩磁比s ，以减小自退磁效应，提高信息记录效率。 另一个方形度指标为矫顽力方形度s 。第二象限的平均磁化 率为坼h 。的比值。具有磁滞的磁性材料，m = 0 时的磁化率为 = 0 m 0 h 。a 一般情况下，局 m f l h 。为了把二者的比率表达 成一个从0 ( 没有方形) 到l ( 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： ：l 一旦 ：c e hc 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。要求高的s 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记录密度。在薄膜介质中典型的值是 o 5 0 9 。 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 1 4 河北师范大学硕士学位论文 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10 0 0 个尺寸分布均匀的颗粒组成的一个比特可以 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 ：= a l 1 月。 其中，为磁滞回线微分曲线的半高宽。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相同。s f d 与晶粒大小分布有 近似关系，因为不同大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。转换场分布是描 述磁记录材料的微观和宏观综合均匀性的重要参数1 4 0 1 。 1 4 4 磁相互作用 磁性薄膜材料中晶粒之间的磁相互作用可分为晶粒之间的 长程静磁相互作用( 磁偶极相互作用) 和近邻晶粒之问的交换耦 合相互作用静磁相互作用源于晶粒表面磁荷之间的相互作用， 对于磁记录介质它是永远存在的。晶粒交换耦合作用是指两个相 邻晶粒在界面处不同取向的磁矩间产生交换耦合作用，阻止其磁 矩沿各自的易磁化方向取向。对于磁记录介质来说，晶粒交换相 互作用是要想办法降低的。降低的主要原因是：没有交换相互作 用的单畴晶粒，容易按照s t o n e r w o h l f a r t h 模型磁化反转，因而 对应高的矫顽力；噪音主要源于相邻b i t 间的锯齿状过渡区域， 而该过渡区域与交换相互作用有很大关系。 目i j ，评价磁性薄膜中颗粒之间的相互作用类型的方法主要 河北师范大学硕士学位论文 有：r 值法f 4 ，8 m 曲线法 4 2 - 4 4 】和起始磁化曲线法 4 5j 。 ( 1 ) 计算月( r o t a t i o n a lh y s t e r e s i si n t e g r a l ) ：胄值大，表明 反转机制趋于非致转动模式；r 值小，表明反转机制趋于一致 转动模式。由于r 的计算不是很容易，所以在磁记录应用中该方 法并不实用。 ( 2 ) 8 m 曲线法是比较实用的一种方法。这是h e n k e l 在1 9 7 4 年和k e l l y 在1 9 8 9 年提出的研究静磁相互作用的方法，所以，这 又称为k e l l y h e n k e l 曲线。利用该方法可以简单判别纵向磁记录 薄膜中颗粒之间的相互作用类型。踟 0 ，表明晶粒相互作用支 持磁化状态，交换耦合相互作用为主：8 m 0 ，则颗粒间以交换相互作用为主；若跏 v 时，表明一些晶粒之间存在交换耦合作用， 从而导致磁化反转时相互耦合的晶粒相互牵制，一致反转。这种 情况下，不规则的比特间转变使相邻记录位之间的过渡区加宽， 增大了介质中的噪声。 ( 2 ) 在儿= v 时，晶粒为单畴粒子，磁化反转时，孤立的 晶粒中的所有磁矩一致反转。其矫顽力主要由晶粒中的磁晶各向 异性、晶粒的形状、应力状态决定。 ( 3 ) 当 v 时，表明晶粒为多畴结构，磁化反转主要由 河北师范大学硕七学位论文 磁畴壁移动完成。其矫顽力主要由畴壁能控制，所以此时矫顽力 将会大大降低【4 6 1 。 综上所述，小的磁激活体积对应记录磁区闻窄的过渡区这 样读出信号有高的信号噪声比。因此小的磁激活体积对于高记录 密度至关重要。 可以通过测量不同反向磁场下磁化强度随时间的衰减由 y ：望。坐l ：望k m 。蛐km l s 计算出，其中七b 是波尔兹曼常数，丁是绝对温度，z 一是不可 逆磁化系数，腹是饱和磁化强度，s 磁粘滞系数。 z m 定义为z 。= d m d ( - o l d s ，通过d c d 的微分曲线得到。 磁粘滞系数s ( s = d m d i n t ) 可以从负矫顽场下磁化强度随时i 日j 衰减的肘，图得到【4 7 4 。 1 4 7 平均粗糙度 平均粗糙度是来描写薄膜表面形貌的物理量，它的大小显示 了薄膜表面的粗糙程度；对研究样品表面形貌的变化起着重要的 作用。 在二维平面中，平均粗糙度的表达式为： 肌嘉喜舡一司 其中n 是样品表面计数点的个数，z i ，是每个计数点的高度 值，z 是样品表面轮廓的平均值，算法如下所示： 知矛- y 2 , 。 j 河北师范人学硕士学位论文 1 5 研究工作及目的 随着信息技术的迅猛发展，磁性薄膜材料在计算机存储，光 通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器、磁记录薄膜介质和 薄膜磁头，以及磁光记录盘等方面越来越受到人们的重视。近年 来，许多学者对f e 5 0 。5 ”、c o t 5 4 。5 6 】系列磁性薄膜进行了广泛研 究。但对于磁性材料n i ，很少有人报道有关它的微结构与磁特性。 t i 及其合金具有强度大、耐热性强、耐腐蚀等优点被誉为“未 来的金属”，是具有发展前途的新型结构材料。有相关报导表明 t i 衬底层能够优化c o c r p t 颗粒膜的易轴取向，并能够细化晶粒 尺寸，降低样品表面粗糙度57 1 ，所以我们选择t i 作为衬底层与 覆盖层。 我们可以通过应用覆盖层和缓冲层来获得磁性合金记录薄 膜优异的性能。样品经过退火，衬底层的生长可以直接影响磁性 合金层的生长；覆盖层的菲磁性金属原子会渗透到磁性颗粒的边 缘，从而改善磁性合金记录薄膜的微结构和磁性能。 目前，n i t i 合金所引起独特而优异的形状记忆、超弹性和高 阻尼性，在工程上，利用其形状记忆效应做紧固件、连接仵；生 物医学上，利用其超弹性和良好的生物稳定性可以制作牙齿矫形 丝、牙根、弓形接骨板、血管夹、人手关节、血管扩张支架等； 智能应用上，利用其变形量大、回复力大、易于和基体耦合，成 本较低，成为具有较好应用前景的驱动材料：通过测量点可以确 定形状记忆合金在相变过程中电学性能特征，检测合金丝的应 力、应变状念，准确的实现控制单元所指定的动作，并实时将完 成情况反馈给监测系统：在微驱动应用上，有压电、形状记忆效 应、磁滞伸缩、固液相交等 5 8 - 67 1 。 1 9 河北师范大学硕士学位论文 为了探究n i t i 薄膜在磁性记录薄膜的微结构和磁特性，我 们主要基于如下考虑和设想： ( 1 ) 非磁性基质t i 作为衬底层，能够使c o c r p t 外延生长， 细化晶粒，并能形成垂直记录方式。那么，它是否也可以通过品 格匹配来控制n i 薄膜生长的晶体取向，使其形成有序化织构； ( 2 ) 掺杂t i 元素通过热处理后，t i 原子可以形成n i t i 合 会，从而有可能导致退火温度的降低： ( 3 ) t i 偏析到磁性晶粒的周围，能够隔离n i 颗粒，减小颗 粒问的交换耦合作用，并细化颗粒。 另外，考虑c 可以更好地隔离铁磁颗粒，有效降低颗粒问的 交换耦合，降低介质噪声，提高矫顽力：c 耐酸、耐氧化、抗腐 蚀，可以很好的保护磁记录单元；c 本身就是很好的固体润滑材 料，可以进一步降低磁头的飞行高度，提高飞行速度。 鉴于此，为了在较低的退火温度下，得到高性能的n i t i 薄 膜，改善晶粒的结晶取向程度，优化晶粒结构形态，提高薄膜的 均匀性，我们选择t i 作非磁性衬底层和覆盖层，c 作保护层与润 滑层，来研究( t i ) n i t i 纳米薄膜的微结构和磁特性。 河北师范大学硕士毕业论文 第二章薄膜的制备方法及测试 对薄膜结构及其磁性的了解是建立在对它们的各种测试分析 的基础上的。近几年来，由于样品制备手段的不断完善和发展， 以及多种先进的物性分析技术的运用，使各项研究工作得以更为 深入地进行并取得了许多的成果。本章将简介论文工作所涉及到 的一些制备方法和测试手段。 2 1 薄膜的制备工艺 薄膜的制备方法有很多种，主要包括：物理气相沉积( p v d ) 、 化学气相沉积( c v d ) 和电化学沉积。而常用的p v d 一般有： 蒸发法和溅射法。 2 1 1 真空蒸镀法 一般认为真空蒸镀法是法拉第在18 5 7 年首创的。这是最简 便的薄膜制作方法，也是实验室中最普及的方法。其原理是：在 真空中把制造薄膜的物质加热蒸发并使其蒸汽附着在适当的表 面上。真空蒸镀法的优点是：( 1 ) 整个设备的结构比较简单：( 2 ) 许多物质都可以容易地用真空蒸发法蒸镀；( 3 ) 薄膜的形成机理 比较简单，可容易地用晶核的形成和生长理论来解释：( 4 ) 由于 制作薄膜时热和电的干扰小，所以适用于薄膜形成时薄膜物理性 质的研究：( 5 ) 能制作具有与主体材料不同成分比的化合物，也 能制作具有与主体材科不同晶体结构的物质。 与此同时，真空蒸镀法也有如下一些缺点：( 1 ) 薄膜与基片 表面之间的结合力一般是比较弱的；( 2 ) 对薄膜结构敏感的一些 性质，再现性差，可靠性差。无论用什么方法来制作薄膜这一问 题都存在，然而真空蒸发的薄膜却特别突出；( 3 ) 高熔点物质和 2 l 河北师范大学硕士学位论文 低蒸气压物质的真空蒸镀膜是很难制作的。特别是经常使用的铂 和钽等物质很难用真空蒸镀法来制作薄膜；( 4 ) 蒸发物质的坩锅 材料也或多或少地一起蒸发，从而混入薄膜中成为杂质。此外， 真空设备中的残余气体分子也会进入薄膜成为杂质。 2 1 2 溅射法 若使高能粒子( 大多是由电场加速的正离子) 冲击固体表面， 那么固体表面的原子、分子在与这些高能粒子交换动量后就从固 体表面飞出来，这种现象叫做溅射现象。据报道，这种现象是18 4 2 年由格洛夫( g r o v e ) 发现的。早在l8 7 0 年就己将溅射现象用于 薄膜的制作，但是，达到实用化并在工业上广泛使用，却是1 9 3 0 年以后的事。溅射法适用于不能用真空蒸发，或者难以用真空蒸 发来制作薄膜的高熔点、低蒸气