（凝聚态物理专业论文）cdco系薄膜的制备及其磁光性能研究.pdf

s t u d i e so nt h ep r e p a r a t i o na n d m a g n e t i c - o p t i c a lp r o p e r t i e so f g d c os e r i e st h i nf i l m s at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h em e d e g r e ei nc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s b y s h a oj i a n b o p o s t g r a d u a t ep r o g r a m d e p a r t m e n to fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：h u a n gz h i x i n a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o r s i g n a t u r e 虫呜监如 a p p r o v e d m a y ，2 0 1 1 硕士学位论文 m a s t e r lst h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 中队 日期：2 , o , 1 年j - 月，罗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权华中师范大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同意华中 师范大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 导师签名- 勃够 日期：加阵，月纱日 本人已经认真阅读“c a l l s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l l s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程中的 规定享受相关权益。回童诠塞握变后溢卮! 旦圭生；旦= 生；旦三生筮查! 作者签名：0 币讲套-ur ， 日期：矽爷月f7 日 翩签名：易够 日期：w ，年九少日 麒阳 华 铱 y 签 ： 者期 摘要 本文运用射频磁控溅射的方法在玻璃基片上制备了一系列的g d c o 单层膜和 g d c o t b f e c o 双层膜。研究了溅射工艺参数值对g d c o 单层膜和g d c o t b f e c o 双层膜 的磁光性能的影响，对比了g d c o 单层膜和g d c o t b f e c o 双层膜的磁光性能。 在研究过程中，我们利用a m b i o u sx p 2 型台阶仪测定所制备薄膜样品的厚度， 运用磁光特性测试仪测量薄膜的磁光性能，使用振动样品磁强计( v s m ) 来测量所 制备薄膜样品的磁性能，利用x 射线衍射仪对薄膜样品进行物相分析。 经过x 射线衍射仪( x 】m ) 对薄膜样品进行分析研究结果发现：所制备出的一 系y o g d c o 薄膜和g d c o t b f e c o 双层膜的衍射图都没有明显的衍射峰，表明这两种薄 膜都是非晶态的。运用v s m 测得g d c o 单层膜的饱和磁矩都在0 0 0 7 e m u 附近波动。 溅射气压对g d c o 单层膜的磁性能有一定的影响。随着溅射气压的增大，g d c o 单层 膜的克尔角和矫顽力都会变化。厚度为1 0 0n n l 的g d c o 单层膜的磁性能优于厚度为 9 0a m 的g d c o 单层膜的磁性能。另外，退火后g d c o 单层膜的表面应力减小了，但是 薄膜仍然为非晶结构，而且薄膜的矫顽力和克尔角也都没有得到明显的提高。总的 来说，对制备参数进行优化以后，g d c o 单层膜的矫顽力和克尔角仍然比较小，不适 合用作高密度磁记录载体。 经过研究还发现，g d c o t b f e c o 双层膜的磁光性能普遍优于g d c o 单层膜的磁 光性能。运用控制变量法研究发现，基片温度、溅射气压、靶基距、薄膜厚度、溅 射功率的增加，薄膜的矫顽力和克尔角会都呈现出先增大后减小的变化趋势。研究 得出制备g d c o t b f e c o 双层膜的最佳制备参数为：基片与靶之间的距离为7 5i i u l l ； 溅射功率为8 5w ；溅射气压为0 6p a ；薄膜厚度为1 2 0n l l l 。此时，g d c o t b f e c o 双层膜矫顽力达到5 9 8 k o e ，克尔角为0 4 3o ，该g d c o t b f e c o 双层膜可作为高密度 光磁混合记录载体的备选材料。 关键词：g d c o ；薄膜；g d c o t b f e c o ；磁光性能。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，a m o r p h o u sg d c oa n dg d c o t b f e c om a g n e t i ct h i nf i l m sa r ep r e p a r e d o n t og l a s ss u b s t r a t e sb yr a d i of r e q u e n c ym a g n e t r o ns p u t t e r i n gs y s t e mf r o mam o s a i c t a r g e t t h ee f f e c to f t h ec o n d i t i o n so fs p u t t e r i n gt e c h n o l o g yo nt h em a g n e t o o p t i c a l p r o p e r t i e so fg d c oa n dg d c o t b f e c om a g n e t i ct h i nf i l m sa r ei n v e s t i g a t e d a n dw ea l s o c o n t r a s tt h em a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t i e so fg d c oa n dg d c o t b f e c om a g n e t i ct h i nf i l m s 。 d u r i n gt h er e s e a r c hp r o c e s s ，t h et h i c k n e s sa n ds u r f a c et e n s i o no ft h e f i l m s a r e m e a s u r e db ys u r f a c ep r o f i l e r m a g n e t o - o p t i c a lp r o p e r t i e so fs i n g l el a y e rg d c oa n d g d c o t b f e c ot h i n f i l m s a r em e a s u r e da tr o o mt e m p e r a t u r eu s i n gm a g n e t o - o p t i c a l p r o p e r t i e st e s t i n ga p p a r a t u s 、i t l lm a x i m u ma p p l i e df i e l d so f10 0 0 0o e ，n l em a g n e t i c p r o p e r t i e so ft h ef i l m sa r em e a s u r e db yv s m t h ec r y s t a ls t r u c t u r e so ft h e f i l m sa r e a n a l y z e db yx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) x - r a yd i f f r a c t i o ns h o w st h a tt h ea l lt h es p u t t e r e dg d c oa n dg d c o t b f e c o f i l m sa t r o o mt e m p e r a t u r ea r ea m o r p h o u s t h es a t u r a t i o nm a g n e t i cm o m e n to fg d c of i l m si sa b o u t0 0 0 7 e m u t h ec o e r c i v i t y a n dk e r rr o t a t i o na n g l ep e r i o d i c a l l yc h a n g ew i t ht h ei n c r e a s ei np r e p a r i n gp r e s s u r e i ti s f o u n dt h a tt h em a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t i e so fg d c of i l m sw i mt h et h i c k n e s sb e i n g10 0 n n la r eb e t t e rt h a nt h a to fg d c of i l m sw i t ht h et h i c k n e s sb e i n g9 0n n l a f t e ra n n e a l t r e a t m e m ，t h es u r f a c et e n s i o no fg d c of i l m sd e c r e a s e ，b u tt h ec o e r c i v i t ya n dk e r r r o t a t i o na n g l ed on o ti n c r e a s ee v i d e n t l y t h e s er e s u l t si n d i c a t et h a tw i t hs m a l lc o e r c i v e f o r c ea n dk e r rr o t a t i o na n g l eg d c of i l m sc a nn o tb eu s e da sh i g hd e n s i t yh y b r i d r e c o r d i n gm e d i a n l em a g n e t o - o p t i c a lp r o p e r t i e so fg d c o t b f e c of i l m sa r eu n i v e r s a l l yb e t t e rt h a n t h a to fg d c of i l m s i ti sf o u n dt h a t 诵t hi n c r e a s ei np r e p a r i n gp o w e r ，p r e p a r i n gp r e s s u r e ， s u b s t r a t et e m p e r a t u r e ，d i s t a n c eb e t w e e nt h et a r g e ta n ds u b s t r a t e s ，t h i c k n e s so ft h e f i l m s ，t h ek e r r r o t a t i o na n g l ea n dp e r p e n d i c u l a rc o e r c i v i t yo fg d c o t b f e c of i l m s i n c r e a s eo r i g i n a l l y ，t h e nt h e yd e c r e a s e ，b yt h ep a r a m e t e rc o n t r o lm e t h o d w h e np r e p a r i n g p o w e r ，p r e p a r i n gs p u t t e r i n gp r e s s u r e ，s u b s t r a t et e m p e r a t u r e ，d i s t a n c eb e t w e e nt h et a r g e t a n ds u b s t r a t e s ，t h i c k n e s so ft h ef i l m sa r e8 5w ，0 6p a , r o o mt e m p e r a t u r ea n d12 0n n l ， r e s p e c t i v e l y ，t h em a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t yo fg d c o t b f e c of i l mi sb e s t t h ek e r r r o t a t i o na n g l ea n dp e r p e n d i c u l a rc o e r c i v i t yo ft h eg d c o t b f e c of i l ma sh i g ha s0 4 3 o a n d5 9 8k o e r e s p e c t i v e l y t h e s er e s u l t si n d i c a t eg d c o t h f e c of i l m sc a nb ea sa c a n d i d a t eu s e da sh i 曲d e n s i t yh y b r i dr e c o r d i n gm e d i a k e yw o r d s ：g d c o ：t h i nf i l m s ；g d c o t b f e c o ；m a g n e t o o p t i c a lp r o p e r t i e s ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 磁记录的基本原理及硬盘介质膜层结构4 1 2 1 磁记录的基本原理4 1 2 2 硬盘介质的膜层结构5 1 3 磁记录技术的当前发展与前景展望5 1 3 1 纵向磁记录5 1 3 2 垂直磁记录6 1 3 3 磁光记录7 1 3 4 光磁混合记录技术及其存储介质研究进展8 1 4 本论文的探究思路和工作安排9 第二章薄膜样品的制备与测试1 l 2 1 引言1 1 2 2 磁控溅射的原理1 1 2 2 1 溅射现象l l 2 2 2 辉光放电1 2 2 2 3 直流溅射原理1 2 2 2 4 射频溅射原理1 2 2 2 5 磁控溅射工作原理。1 3 2 3 磁控溅射仪1 4 2 4 制备薄膜样品。1 5 2 4 1 清洗基片。1 5 2 4 2 制备样品1 6 2 5 分析测试薄膜样品。1 7 2 5 1 样品的厚度台阶仪测定测量1 7 2 5 2 样品的结构x 射线衍射分析( x r o ) 测量1 8 ，f 、 、： ： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 5 3 样品的磁学性能振动样品磁强计( v s m ) 测量1 9 2 5 4 样品的磁光克尔效应磁光特性测试仪测量2 0 第三章g d c o 薄膜的制备及性能研究2 2 3 1 引言2 2 3 2 实验2 2 3 3 结果与讨论2 3 3 3 1 溅射气压对g d c o 单层膜磁性能的影响2 3 3 3 2 膜厚对g d c o 单层膜磁性能的影响2 4 3 3 3 溅射功率对g d c o 单层膜磁性能的影响2 5 3 3 4 退火对g d c o 单层膜表面应力的影响2 6 3 4 本章小结2 6 第四章g d c o t b f e c o 双层膜的制备及性能研究2 8 4 1 引言2 8 4 2 实验2 8 4 3 结果与讨论2 8 4 3 1 基片温度对g d c o t b f e c o 双层膜磁光性能的影响2 8 4 3 2 靶基距对g d c o m f e c o 双层膜磁光性能的影响2 9 4 3 3 制备气压对g d c o t b f e c o 双层膜磁光性能的影响3 0 4 3 4 制备功率对g d c o t b f e c o 双层膜磁光性能的影响3 1 4 3 5 薄膜厚度对g d c o t b f e c o 双层膜磁光性能的影响3 2 4 4 本章小结3 4 第五章总结与展望。3 5 参考文献。3 7 致谢4 1 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论 1 1 引言 随着人类社会科学水平不断提高，信息技术日新月异，不断朝着更高密度、更 大容量、更高读取速度和更低成本的方向发展。硬盘是我们日常存储使用的重要载 体，无论是采用光存储、磁光存储、还是磁存储等记录方式，硬盘的存取速度和密 度都受到一定因素的制约，影响了电脑系统的性能。 硬盘磁存储密度的发展状况如图1 1 所示l l 】。最早的硬盘是i b m 公司在1 9 5 6 年生产的，由五十个2 4 英寸的磁盘组构成的“i b m3 0 5r a m a c ”，当时体积有一 个普通桌子那么大，由于技术限制，其记录密度比较小，容量只有区区5 m b 。之后， 随着科研人员的不断探索努力，磁记录载体的存储密度得到了逐步的提高。自从 p a r t i a lr e s p o n s em a x i m u ml i k e l i h o o d 技术和磁阻薄膜磁头被i b m 公司于1 9 9 2 年发 现并采用之后，磁记录密度的增长速率就一下从4 0 提高至6 0 。g m rs p i n v a l v e h e a d 技术于1 9 9 7 年被采用后，硬盘存储密度增长速度便迅速提升至1 0 0 。截至 2 0 0 0 年，硬盘面存储密度增长至1 0 3 g b i n 2 。2 0 0 1 年垂直磁记录技术和垂直平面电 流模式的大型抗磁化磁头的应用，再次将硬盘存储密度提高至3 0 0 0 b i n 2 。 鼍 鼍 基 矗 器 量 釜 罂 占 一 嚣 之 h g s ta r e a ld e n s r t yp e r s p e c t i v e r 。，d ；。 仳撤氅t 烹r a v e l s 懒t a r 弋8 0 g n 辽 , 蠢 | ；| | p o 啊e f 亡一 脚蠢f - 嘛t ”一= 拳m m r o d 潦r i v e i b - - u 蠹t a r l ! 嘁一 一 ；r _ _ ： 1 、，：。, , d 二6 0 c g r ：1stt_r一一35millifilmh e a d 3 5 m i g i on x ： 3 3 7 5、，j r 。i m a e a s e 弋 一 h g s td i s kd r i v ep 阳d u c 虹 弋 一 i n d u s t r yl a bd e m o s h g s td i s kd r i 垤5 _ 押l f c - o e 懈_ f c ! 鼻攀：黑掣攀黑1 ， 一 为809 0 p r o d u c t i o ny e a r 一 图1 1 硬盘磁存储密度的发展状况 l 1 0 j 刍 驴 铲 醇 醇 b ， ” 啦 吣 ， l 1 1 1 l t l t 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 但是，随着磁记录密度的逐步升高，早期广泛应用的纵向磁记录技术受到越来 越多的问题的困扰，其中以超顺磁效应尤为突出。所谓超顺磁效应是指由于磁记录 密度的逐步提高，导致磁性层的晶粒尺寸越来越小，相应的磁晶各向异性能也就越 来越小，当磁性层的晶粒尺寸继续减小到一定程度时，磁晶各向异性能与晶粒的热 运动能比较接近，热运动就容易致使载体的磁化矢量在两个易磁化轴之间发生跳 跃，进而导致信息记录的不稳定，时间一久，信息便容易丢失。因此，要想进一步 提高磁记录密度，研究出更高效的存储载体，就要想办法克服超顺磁效应。如何克 服超顺磁效应也就自然成了现今研究的重点课题【2 1 1 】。 现今主要有三种技术有可能突破如超顺磁效应等限制。 第一种是通过毫微米级铭刻技术来实现的模型化微粒技术，此技术与其他技术 相比较，其显著特点是在写入和读出信息的时候噪音较低。 第二种是利用高频磁场进行微波辅助磁记录的技术。这种技术在写入或读出信 息时所用到的高频磁场是通过将一个转矩设备镶嵌在磁盘头内部所产生的，读写信 息时，磁场中的能量会发生转移。与其他记录技术不同的是，这种技术没有了激光 束或者模型化磁盘的要求。 第三种是h e a ta s s i s t e dm a g n e t i cr e c o r d i n g ，也叫做光磁混合记录技术。h a m r 的主要工作原理是通过在磁场的顶部安装一部激光束发生器，产生的激光束照射在 磁盘上加热的同时写入信息，信息写完后移开激光束，磁盘温度迅速降低，信息即 被写入载体1 忆1 。 第三种技术是目前研究的热点，是科研人员综合了磁记录技术和磁光记录技术 各自的优点所研制出来的 1 3 - 1 6 j 。该技术用激光加热记录载体的方式辅助实现信息写 入，再利用g m r ( g i a n tm a g n e t or e s i s t i v e ) 磁头对漏磁场的检测来实现记录信息的读 取。h a m r 的另一大优点就是通过对可近场技术的利用，突破了光的衍射效应这一 限制。鉴于以上这些优点，h a m r 可以通过对磁头以及光斑尺寸的优化进而对记录 点的尺寸进行一定的优化，从而进一步的提高磁记录密度，另外，h a m r 还实现对 磁共振极限的又一突破，从而进一步提高了磁记录速率【1 7 2 0 1 。乐观估计的话，这种 热辅助磁记录方式很有可能在不久的将来使信息记录密度达到甚至高于1 t b i n 2 。所 以，世界上的很多大学、研究机构和公司等都开展了一系列针对这一技术的研究工 作，如：美国卡耐基梅隆大学的d s c 、日立、飞利浦、i b m 等【2 1 1 。 对于光磁混合记录而言，如何寻找到合适的存储载体是这一记录技术得到更好 的推广和使用的关键，因此寻找合适的h a m r 记录载体成为当前一个重要的研究 课题。由于在写入方式上，h a m r 和磁光记录技术极为相似，因此，磁光记录载体 2 、 一， 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 就自然的成了h a m r 载体的首选材料【2 2 】。在磁光记录载体中，当前非常有潜力的 是利用稀土过渡金属( 1 也t m ) 制备的的r e t m 非晶态合金薄膜。其中，二元和 三元r e t m 非晶态合金薄膜的制备方法，以及这些非晶态薄膜的磁光性能与磁性 能都有了一定程度的研究，并取得了较好的效果。现在的磁光记录主要是采用 t b f e c o 非晶态合金薄膜作为它的存储载体，需要指出的是，t b f e c o 磁性薄膜的磁 光性能和稳定性都不是特别好，还有待于进一步的提高。而存储载体的稳定性对于 信息记录而言尤其重要，只有提高存储载体的稳定性，信息的存储才会更稳定，存 储的时间才会更长。 自1 9 8 2 年开始，李佐宜 5 2 - 5 8 j 等就对非晶s m c o 垂直磁化膜进行了开创性研究。 他们首先发现其具有高的饱和磁化强度m s 、矫顽力h c 及矩形比，可作垂直磁记录 介质。随后又发现具有较好的光磁性能，可作光磁记录材料。其h c 、k u 值均较高， 最小安定磁畴尺寸d c o 2 t m ，有较强的极向克尔效应，h c 在较低的温度区域的温 度变化率大，可实现激光热磁写入；而且属于非晶材料，表面晶界，可获得较高的 s n ，并考虑到加入第三种元素进一步提高幺值。 l e ezy 【5 9 - 6 2 1 等首次采用射频双源( 靶) 磁控溅射和真空双源共蒸发方法制备 s m c o 膜。通过调整溅射条件用磁控溅射法，成功地制备出非晶垂直磁化膜；通过 使用两个热源蒸发也成功地制备出s m c o 非晶膜。而垂直磁化膜具有很好的磁、磁 光和电磁性能。 但是s m c o 非晶膜的稳定性不是很好，由于含稀土元素等原因，比较容易被氧 化。h a i r s t o ne ta 1 【2 3 】通过研究曾提到在r e t m 合金磁性薄膜中掺杂一定量的g d 可 以有效提高合金薄膜的磁光特性和抗氧化性 2 4 j 。另外由于g d 的价格比较低，还可 以达到降低成本的目的。因此，本文重点对g d c o 单层膜和g d c o t b f e c o 的双层膜 进行了深入、系统的研究。主要研究了溅射制备参数值的变化对g d c o 单层膜和 g d c o t b f e c o 的双层膜的磁与磁光性能的影响，对比了g d c o 单层膜和g d c o t b f e c o 的双层膜的磁光性能等。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 2 磁记录的基本原理及硬盘介质膜层结构 1 2 1 磁记录的基本原理 可t i t e r e a d c l o c k d 砒 iiiil 图1 2 磁记录系统 磁记录技术诞生已有1 1 0 余年，经过科研人员的不断努力，已逐渐趋于成熟。 如图1 2 所示，磁记录系统系统的磁头上有一个电磁感应线圈，当脉冲电流加到 感应线圈上以后，感应线圈中的脉冲电流所产生的磁场就会穿过磁头的磁芯。在 磁芯的下端磁路中有一个不足微米的气缝，磁场会从气缝处泄露出来。泄露磁场可 以磁化磁存储载体，其磁化状态随电流信号变化而变化，当磁记录层相对磁头移动 时，漏磁场就会磁化磁存储载体，从而产生与磁记录层相对磁头移动的方向同向或 反向的磁化矢量，这些磁化矢量的变化可以转换为被记录的信息， 信息的读出过程与信息写入过程相反，是通过巨磁阻( g m r ) 磁头来实现的， 当信息写入过程完成以后，磁头将撤离被磁化的记录载体，记录载体中所存储的的 信息就会以剩余磁化强度的形式存在。不同的是，读出信息时，磁头上的 电磁感应线圈中不需要加任何的电流信号，而是让存储载体以一定的速率从巨磁阻 磁头处经过，存储载体的磁化矢量变化导致铁芯上电磁感应线圈磁通量的变化，从 而导致线圈产生感应电压，通过读取与分析这产生的感应电压，就可以实现信息的 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 读出。 1 2 2 硬盘介质的膜层结构 一般硬盘的基本结构如图1 3 所示：p r o t e c t i v el a y e r m a g n e t i cl a y e u n d e rl a y e r s u b s t r a t e 。 保护层( p r o t e c t i v el a y e r ) 磁性层( m a g n e t i cl a y e r ) 底层( u n d e rl a y e o 基片( s u b s t r a t e ) 图1 3 硬盘的膜层结构 基片( s u b s t r a t e ) ：一般用玻璃、硅片、氧化镁以及铝等。本文中所有实验都是 使用玻璃基片( 载玻片) ，主要是考虑到玻璃基片表面较光滑，能减少其对播磨结 构和磁头高度的影响，同时玻璃基片受热不易变形，硬度和抗震性能也较好，比较 适合作基片。 底层( u n d e rl a y e r ) ：通常为银、铂金、钛、铜等单层薄膜或铜钛、钛铬等多层 膜结构。底层的作用是减小基片表面对磁性层的影响，为磁性层提供一个更为有利 的生长基础，通过优化其微观结构来达到优化其磁性能的目的。 磁性层( m a g n e t i cl a y e r ) ：这一层主要是用来存储信息，也就是存储层，既有单 层膜结构，如：s m c o 、c o n i p t 、f e p t 、t b f e c o 等；也有多层膜相耦合的结构，如： g d f e c o a i n t b f e c o 、g d f e c o t b f e c o 等。 保护层( p r o t e c t i v el a y e r ) ：常用的材料主要有石墨、铬、二氧化硅等。主要作用 是用来保护磁性层，防止磁性层被氧化和磨损。 1 3 磁记录技术的当前发展与前景展望 1 3 1 纵向磁记录 磁化方向与存储载体膜面平行的磁记录叫做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 ) ( 图1 4 t 4 】) 。l m r 的记录载体薄膜的易磁化方向与薄膜表面平行，即膜面 方向的m r 相对较高，常用的记录载体以c o 金属合金等磁性材料为主。 。耳式感_ i 蔓写入组作 磁化 图1 4 纵向磁记录技术 l m r 是利用磁头在其下端气缝处所产生的漏磁场在膜面内的分量，使存储载体 中各个记录位上的磁化方向相同或者相反。纵向磁记录技术经过一段时间的深入发 展，磁存储密度得到逐渐提高，但开始出现一些突出的、有制约性的问题，其中以 热噪声问题和超顺磁极限等问题尤为突出。直至2 0 0 1 年，超顺磁极限问题才得到了 定程度的改善，这主要得益于a n t if e r r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e d ( a f c ) 载体的应用。 但好景不长，当纵向磁记录的存储密度增加到1 0 0 g b i n 2 时，其增长速度出现大幅下 降，存储密度的增长遭遇到“瓶颈”，再提升似乎举步维艰【25 。充分考虑到各项制 约因素，通过理论计算结果表明纵向磁记录的存储密度最大值为1 2 0g b i n 2 ，现已经 达到1 1 0g b i n 2 ，已经非常接近理论上的最大值，今后很难再有大的提升，研究工作 也陷入停顿。相对于纵向磁记录( l m r ) ，垂直磁记录( p m r ) 中只要磁粒尺寸不 是太小，就不会受到热噪声问题和超顺磁极限等问题的困扰，而且在垂直磁记录中 其退磁场不但没有随着存储密度的升高而升高，反而有所减小，同时存储载体的噪 声也有一定的降低。由此可见，相对于纵向磁记录，垂直磁记录的优势已十分明显， 垂直磁记录也就自然而然的成了新一轮的研究热点。 1 3 2 垂直磁记录 其实垂直磁记录( p m r ) 在纵向磁记录( l m r ) 出现之前就已经存在了。v a l d e m a r p o u l s e n 就是运用p m r 技术研制出了他的钢丝录音机。但是在过去很长的一段时间 里，人们并未发现垂直磁记录的优势，因此一直都没有得到人们的重视和推广，直 到1 9 7 6 年，1 w a s a k is h u n i c h i 首次证明了垂直磁记录技术在存储密度方面的优势，从 此翻开了垂直磁记录的新篇章。 垂直磁记录载体的易磁化轴方向与纵向磁记录不同，是垂直于存储载体的膜面 方向，这样以来磁记录位就不再按照和载体膜面方向平行的方式来摆列，而是变成 和膜面方向相垂直了( 图1 5 1 4 ) 。因此，相对于纵向磁记录，垂直磁记录的每个记 6 ，= 7 、 硕士学位论文 m a s t e r lst h e s i s 录位所占的薄膜表面面积可以适当减小，只要选择合适的磁记录薄膜厚度，就可以 使每个磁记录位所占的体积保持不变甚至变大，从而达到减小超顺磁效应的影响， 保证磁记录载体热稳定性的目的【2 6 1 。另外，在垂直磁记录载体薄膜中，即使相邻 的两个磁粒的磁场方向是相反的，他们之间也不会产生相互影响，甚至他们还可以 帮助稳定各自的磁场。 。沸由单撅感应写八! 丑作 组作一1 痧写 g m r 惶惑琴幺瑚丘 兰；己：翮垂直记录 辞蘸扳l 磷道宽度、 哆翮 i | f | 圳州f 佩阡悱阶 + 厶0 j 琴- + 遂囡撅 _ 记晕弁质 软树层 j 图1 5 垂直磁记录技术 1 3 3 磁光记录 居里点写入与补偿点写入是磁光记录的两种写入方式。其中，居里点写入方式 是指在信号写入之前，先磁化记录载体，从而导致载体的各个磁畴单元具有相同的 磁化方向，然后利用激光束照射载体，相应记录位载体薄膜的被照射部分温度会迅速 升高，当温度升高到一定温度时( 我们称之为c m i et e m p e r a t u r e ( t c ) ) ，被照射的薄 膜处矫顽力会大大降低，处于顺磁状态，只需一个比较小的外加磁场就可以很容易的 写入需要记录的信息。同时没有收到激光束照射的部分，由于矫顽力比较高，可以 有效的阻止信息的写入。与居里点写入方式不同，补偿点写入方式主要是指在 c u r i et e m d 匿a t u r e 以下一般会存在一个补偿温度，在这个温度下，某些亚铁磁性物质 的m s 为零，这样，在周围外加磁场与退磁场的共同作用下，磁记录载体中的磁畴就 比较容易发生反转，通过这样的形式对这一部分薄膜写入信息。 不同于纵向磁记录和垂直磁记录的读出方式，m o r 信号的读出是利用磁光克尔 效应来完成的，用一束线偏振激光照射存储有信息的磁光记录载体膜，激光束在薄 膜表面发生反射，反射回来的反射光的偏振面会发生一定的旋转，在入射光的偏振 面和反射光的偏振面之间就会存在一个旋转角，这个旋转角就是所谓的磁光克尔 角。磁光克尔角可以间接反映载体薄膜的磁化状态，磁矩取向不同，反射光偏振面 7 f z 硕士学位论文 m a s t e r lst h e s i s 的旋转方向不同在记录信号上就会体现出“0 和“1 ，光信号通过光电转换器转 换成电信号，就可以实现信号的读出 2 7 - 2 8 】。 1 3 4 光磁混合记录技术及其存储介质研究进展 图1 6h a m r 原理不意图 在垂直磁记录技术中，由于记录畴的最小稳定尺寸d 与h c * m s 成反比1 2 9 。， 在磁记录载体薄膜的m s 恒定的情况下，记录密度越高，d 就越小，矫顽力( 室温 下) 就要越高，信息的写入也就相应变的更加困难，光磁混合记录的出现恰好解决 了这一难题。光磁混合记录( 如图1 6 ) ，又称h e a t a s s i s t e dm a g n e t i cr e c o r d i n g ，下面 简单介绍居里点写入式光磁混合记录：选取室温下矫顽力较大且t c 在2 0 0o c 左右 的材料作为记录载体，用激光束对记录位进行加热，当存储载体被加热到接近t c 时，m s 基本不变，h c 将会迅速下降【3 0 l ，这样以来比较低的外磁场就可以将信息写 入到记录载体上面。记录载体上激光束没有照射的区域，仍然保持较高的h c ，这 样就阻止了信息的写入。信息写入完成后，将激光束撤离该记录位，此区域记录载 体的温度会迅速降低，重新回到高h c 状态，较高的h c 可以较好的保持存储载体中 所写入的信息，防止信息丢失。与磁光记录不同的是，h a m r 中数据的读出是采用 g m r ( 巨磁电阻) 磁头来实现的。热辅助磁记录不但在一定程度上提高了磁记录密 度，使得磁记录密度的理论最大值提高到了5 刚i n 2 ，而且在磁存取速率方面也得 到了一定的提高p 。 基于以上优点，h a m r 的应用前景非常广阔，那么寻找适合h a m r 的记录载体 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 就显的越发刻不容缓。由于存储载体的k u v k b t ( 磁存储能热扰动能) 决定着载体 的热稳定性，其中k u 为磁各向异性常数。该比值在超顺磁效应范围内的取值区间为 5 0 ，7 0 】【3 2 】，并且随着剩磁矩形比的增大，信息存储的信噪比也会增大【3 3 】。因此，以 下条件是一个好的h a m r 存储载体材料应具备的：大的h e 、高的m s 、大的k u 、s ( 剩磁矩形比) 以及良好的磁光性能与温度特性。 h a m r 记录载体近些年的主要研究状况如下： h i d d i n gp 等人【3 4 】尝试使用c o o 7 3 c r o ，1 8 p r o 0 9 作为h a m r 的存储载体，虽然这种 存储载体的m r 高达3 2 0e m u c c ，但是这种材料有个突出的缺点，即热稳定性不好， 不太适合用作h a m r 的记录载体。 h a m a m o t om 等人【3 5 】采用t b l 9 f e 6 9 c o l 2 作为h a m r 的存储载体。虽然室温下这 种记录载体的热稳定性比较好，但m r 比较小，从而导致信号的读取幅度比较小，容 易出现错误。 李佐宜等人【3 3 - 3 7 】研究了轻稀土重稀土过渡金属( l r e h r e t m ) 系垂直 磁化膜，如s m d y f e c o ，s m t b t e c o 等。 日本的s a g ah ，n e m o t oh 等人1 3 3 】尝试采用t b d y f e c o t b f e c o 双层耦合膜作为 h a m r 的存储载体，取得了不错的效果。 v a l e tt 等人【3 8 】尝试采用c o p t 双层膜作为h a m r 的存储载体，实验结果表明 这种多层膜的写入特性比较好。 c h a oc h e n g l i n 3 9 】曾尝试采用t m r i c ht b f e c o r e r i c ht b f e c o 双层交换耦合膜 作为h a m r 的存储载体，并在r e t m 系材料方面做了一定的探讨。 1 4 本论文的探究思路和工作安排 本文根据信息记录的特点与原理，以g d c o 单层膜和g d c o t b f e c o 的双层磁性薄膜 性能为研究内容，从理论以及实验方面探究了g d c o 单层膜和g d c o t b f e c o 的双层记录 薄膜的磁与磁光特性以及相关形成机理，对g d c o t b f e c