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

河北师范大学硕士学位论文 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备了一系列t i f e t i 和f e t i 磁性纳米薄膜，并利用v s m 、s p m 和x r d 等对材料的磁特性和 微结构进行了研究。分析、讨论了t i 层厚度( x ) 、退火温度( t 。) 以及基底温度( t 。) 对薄膜微结构与磁特性的影响。 实验发现t i 层厚度( x ) 、退火温度( t 。) 以及基底温度( t 。) 对类 三明治结构t i f e t i 纳米薄膜的微结构和磁特性有很大影响。 x r d 结果表明，所有薄膜样品均呈现体心立方( b c c ) 织构：v s m 测量结果显示，所有样品均显示较强的垂直各向异性，对5 0 0 c 退火3 0 分钟后的t i ( 5 6n l n ) f e ( 4 5n m ) t i ( 5 6n m ) 样品，磁性能最 好，垂直矫顽力最大为3 4k o e ；a f m 图表明此时样品的形状各 向异性表现更为明显，而高的矫顽力主要是由于样品的形状各向 异性引起。 另外，实验结果还表明 退火和t i 层厚度对f e ( 1 8n m ) t i ( x n m ) 双层薄膜的微结构和磁特性影响比较明显：5 0 0 c 退火后 f e ( 1 8n m ) t i ( xn m ) 样品，垂直于膜面方向的矫顽力明显增加。x = 7 n m 时，风最大达约为1 6k o e ，平均粗糙度与平均磁畴尺寸都 比较小分别为2 7 3n m 和18n m 。 国v t ( h ) 曲线的分析表明，合适的退火温度和适量的t i 层厚度 能够使t i 有效隔离磁性颗粒，减小晶粒之间的交换耦合作用。 关键词：磁性薄膜磁记录磁控溅射矫顽力交换相互作用 河北师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho fm a g n e t i cf i l m si st h ef o c u si nm a g n e t i s mf i e l d t h ea c h i e v e m e n tw a sn o to n l y a p p l i e dt o t h ef i e l d so fm a g n e t i c r e c o r d i n g a n ds e n s o r se t c ，b u ta l s o p e r f e c t e d t h e t h e o r y o f m i c r o m a g n e t i s m s o m es e r i e sf i l m sw e r ep r e p a r e db yr fa n dd cm a g n e t r o n s p u t t e r i n go n t og l a s ss u b s t r a t e s m i c r o s t r u c t u r e so ff i l m sw e r e e x a m i n e db yx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) m o r p h o l o g i e sa n dd o m a i n s t r u c t u r e sw e r eo b s e r v e db ys c a n n i n gp r o b em i c r o s c o p e ( s p m ) a n dm a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r em e a s u r e d b yv 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 ) t h em i c r o s t r u e t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e s w e r ea n a l y z e da sf u n c t i o n so ft h et h i c k n e s so ft i l a y e r s ( x ) ， a n n e a l i n gt e m p e r a t u r e ( t a ) a n ds u b s t r a t et e m p e r a t u r e ( t i ) i nd e t a i l t h i c k n e s s e so ft il a y e r ，a n n e a l i n gt e m p e r a t u r ea n ds u b s t r a t e t e m p e r a t u r eh a v eg r e a te f f e c t so nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm a g n e t i c p r o p e r t i e so fp s e u d o - s a n d w i c ht i f e t if i l m s x r ds h o wt h a tt h e t i f e t i m a g n e t i cf i l m sa r ef o r m e da st h eb o d y c e n t e r e dc u b e ( b c c ) t e x 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 ta l ls a m p l e ss h o wa s t r o n gp e r p e n d i c u l a ra n i s o t r o p y ，a n dt h eo u t o f - p l a n ee o e r c i v i t y r e a c h e st h em a x i m u m3 4 k o e ，f o rt i ( 5 6n m ) f e ( 4 5n m ) t i ( 5 6n m ) a tt l = 5 0 0 c ；s p mm e a s u r e m e n t ss h o wt h a tt h es h a p e a n i s o t r o p yo f f ei sm o r ev i s i b l e t h eh i g hc o e r c i v i t yo ft h es a m p l e si sa t t r i b u t e d t os h a p e - a n i s o t r o p yo ft h ef i l m s o t h e r w i s e ，f o rs e r i e so f f e ( 18n m ) t i ( xn m ) ( x ：1n m 1 0n m ) ， t h et h i c k n e s so ft i l a y e ra n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r eh a v eg r e a t 河北师范大学硕士学位论文 e f f e c t so nt h em i c r o s t r u e t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so ff i l m s v s m m e a s u r e m e n t si n d i c a t et h a tv a r i e t i e so ft h eo u t o f - p l a ne o e r e i v i t y ( 风j - ) w i t ht h et il a y e rt h i c k n e s si sp e r i o d i c i t y ，a n dt h ec o e r c i v i t y v a l u e ( 肮上) r e a c ht h em a x i m u m1 6k o ea tx ；7n ma n dt a = 5 0 0 。c a f mi m a g e ss h o wt h a tt h em i n i m u ma v e r a g em a g n e t i cd o m a i ns i z ei s a b o u t18n m ，a n dt h ev a l u eo ft h es u r f a c er o u g h n e s s ( r a ) i sl o w e r t h a n2 7 3a m 6 mc u r v e ss h o wt h a tt h e e x c h a n g e - i n t e r a c t i o n b e t w e e n m a g n e t i cg r a i n sd e c r e a s e ss i g n i f i c a n t l yw i t ht h ea d d i t i o no ft h i nt i l a y e ra n da n n e a l i n gt e m p e r a t u r e k e y w o r d s ：m a g n e t i c f i l m 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 n s p u t t e r i n g ，e o e r e i v i t y ，i n t e r g r a i ni n t e r a c t i o n i i i 河北师范人学硕七学位论文 第一章绪论 1 1 磁记录薄膜的概况 1 1 1 薄膜概述 随着固态高科技产业的迅速发展，薄膜科学和技术愈来愈受 到重视。它涉及物理、化学、电子学、冶金学等学科，在国防、 通讯，航空，航天、电予工业、光学工业等方面有着特殊的应用， 并成为材料学中最为活跃的领域之一“4 1 。 在薄膜研究中，一般认为其厚度在lum 左右的膜称之为 “薄膜”。但是，从表面科学的角度来说，在几个纳米到几十个 微米范围内，材料的表面和界面特性将起到重要的作用，因而多 数把这一范围规定为薄膜物理所研究的范围。薄膜材料通常按照 其功能以及应用领域分为六大类：电学薄膜、光学薄膜、( 硬质 膜、耐蚀膜、润滑膜) 、有机分子薄膜、装饰膜、包装膜等，每 一类中又分为好多的方向。薄膜的制备，是通过特殊的方法( 如 物理气相沉积p v d 法、化学气相沉积c v d 法) 制备的，在真空 薄膜的沉积过程中，是将单个原子一个一个地凝结在衬底的表面 上( 通过成核与生长过程) 形成薄膜。 这些年来，在高科技产业需求的推动下，薄膜科学研究的 深度和广度不断发展，主要表现在：( 1 ) 为了不断提高器件的性 能，要求通过外延生长出缺陷很少的单晶薄膜，要求它们具有特 定的组态。( 2 ) 希望深入了解薄膜外延生长的原子过程，特别是 了解促成二维逐层生长的条件或三维岛优先横向生长的条件，以 便更好地控制薄膜工艺。( 3 ) 改进和发展新的薄膜工艺，以便更 好地控制薄膜的结构和性能。( 4 ) 为了精细地观察薄膜的生长过 河北师范火学硕十学位论文 程，改进和发展了一系列纳米级、以至原子级的研究方法【。 磁记录薄膜作为薄膜材料科学与技术中的一个重要分支领 域，为闩益发展的高新技术提供了重要支柱。因此，本文主要研 究磁记录薄膜。 1 1 2 磁记录薄膜概述 厚度在lt t m 以下的强磁性( 铁磁性和亚铁磁性) 材料，简 称磁性薄膜材料。使用时需附于弱磁性材料的基片上。磁性薄膜 材料的磁特性取决于其制备方法和工艺条件。各种磁性材料几 乎都可制成成分和厚度可以控制的磁膜材料。一般按材料性质分 为金属和非金属磁性薄膜材料；按材料组织状态分为非晶、多层 调制和微晶磁性薄膜材料。磁性薄膜材料广泛用于制造计算机存 储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等；也用作磁 匠录薄膜介质和薄膜磁头，以及磁光记录盘等i4 1 。 利用磁特性和磁效应输入( 写入) 、记录、存储和输出( 读 出) 声音、图像、数字等信息的磁记录材料分为磁记录介质材料 和磁头材料。前者主要完成信息的记录和存储功能，后者主要完 成信息的写入和读出功能。磁记录材料的记录原理是：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 时紧靠近问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，从而记录下与闻隙磁场、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。 在模拟记录中，写在记录介质的空间波形复制了由写入电流输入 2 河北师范大学硕士学位论文 到介质的瞬时波形。在数字i 己录中，空日j 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0 ，这 代表二进制代码信息。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。 随着社会的进步，磁性材料和我们日常生活的关系也越来越 紧密。而在磁性材料中，磁记录可以称之为最具高科技的代表性 产物。就拿我们日常生活来说，录音带、录像带、软盘、还有随 身携带的各种磁卡等等，都属于磁记录产品。如果按照人们的需 要束划分的话，磁记录材料向两极方向发展：一种是对记录性能 要求不太高的情形下，像普通的磁带等；另一种就是为满足设备 的小型化和高性能以及一些军事用途而广泛使用的会属磁性体 薄膜材料，像代表磁记录技术最尖端的计算机。正因如此，磁记 录薄膜的磁特性和微结构研究多年来一直是国际上的热点研究 课题。一方面，它的研究结果可以直接应用到信息存储领域：另 一方面，它可以进一步丰富、完善和发展微磁学理论。所以，该 课题的研究既具有明显的实际价值，又具有重要的理论意义。 磁记录薄膜材料科学与技术就是研究：( 1 ) 制备工艺如何 使某一物质成为薄膜；( 2 ) 物性分析该薄膜具有哪些新的特 性( 包括光、热、电、磁等方面，侧重磁记录方面的特性) ，分 析这些特性的物理本质等；( 3 ) 如何把这些具有良好特性的磁记 塑! ! 堕堕盔堂堡主堂堡笙奎 录薄膜材料应用于现实，尤其是商新技术领域。 磁记录材料与我们生活的结合越来越紧密，磁记录介质材料 的发展也是目新月异。但是，怎样才能得到超高密度的磁记录材 料昵? 下菌我们从磁记录介质对参量要求的方面，分析一下如何 提高磁记录的密度。 4 河北师范大学硕士学位论文 1 2 磁记录介质的影响因素 1 2 1 磁记录介质的主要影响因素 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、转换场分布、噪声、磁相互作用、磁激活体积和颗粒l 临界尺 寸、热稳定性等。 1 矫顽力( 皿) 矫顽力是表征材料在磁化以后保持磁化状态的能力，即是使 磁化强度降为零所需要的反向磁场，表现为磁滞回线与横轴交点 的横坐标。它是磁性材料的非固有性质，影响磁性单质材料矫顽 力大小的主要因素有：磁晶各向异性、形状各向异性和应力各向 异性。 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，相邻的磁矩方向相反。如果矫顽力较 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 干扰也需要适合的矫顽力：垂直记录中，磁矩方向垂直于盘面， 所以，磁矩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。制备高矫顽力介质的途径 基本有三种：一、加非磁性层( 消除粒子间的交换相互作用) ；二， 易轴为高定向性易轴；三、具有大的磁各向异性( 例如：过渡元 素c o ，f e 等与其它元素的合金) 。 5 河北师范大学硕七学位论文 但是，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。 2 剩余磁化强度( r e m a n e n c em a g n e t i z a t i o n ，m r ) 和饱和磁化 强度( s a t ur a t i o nm a g n e t i z a t i o n ，肘，) 当磁性材料处于外加磁场中时，材料内部的磁矩就会受到磁 场的作用力，磁矩会向外磁场的方向转动，当外磁场足够大时， 材料内部所有的磁矩都会沿外磁场方向整齐排列，这时材料对外 显示的磁化强度达到最大值，我们说材料被磁化到了饱和。达到 饱和之后，无论怎样增大磁场，材料的磁化强度也不再增大。因 此材料被磁化到饱和时的磁化强度称为饱和磁化强度，用以来 表示。为了满足合适的磁头写入场的要求，一般希望介质具有较 高的饱和磁化强度觚，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。所以薄膜的旭必须具有 合适的值。 剩余磁化强度m r 是除去饱和磁场后剩余的磁化强度，记录 后输出信号的大小依赖于剩磁的大小。磁记录输出信号的大小依 赖于剩磁肛的大小。记录介质必须有足够高的剩磁，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 f 足够强时，才能使读出磁头探测出。它不是材料本身固有的，而 是强烈地依赖于微结构、薄膜厚度等条件。 3 磁滞回线的方形度( s ) 磁滞回线方形度是用来表征磁记录介质的双稳态特性的。磁 滞回线方形度的一个定量指标是剩磁比： s = m r m , 其中肘，是剩余磁化强度，尬是饱和磁化强度。这个参数是读出 6 河北师范大学硕士学位论文 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 ，其定义为： ：l 一旦 z o h c 其中坼是剩余磁化强度，也为矫顽力，而的定义为： ；c 0 2 a m o h 一我们知道，第二象限的平均磁化率为坼和风的 比值。显然，是具有磁滞的磁性材料，在m = 0 时的磁化率。 一觳情况下z o m r f h 。 ， 高的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s 值是 0 5 0 9 。 4 转换场分布与噪声 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5 1 。转换场分布( s f d ) 的定义为： s f d ：些 皿 其中，日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，足表征磁滞回线矩形程度的 种方法。s f d 越小，d m i 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 7 河北师范人学硕士学位论文 s f d 需要一个窄的颗粒大小分布。另外，低的介质噪声，要求颗粒 尺寸均匀和尽可能均匀的矫顽力，所以需要开关场s f d 大。 5 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) 和近邻晶粒之间的交换耦 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。其表示形式为： 。2 若伊掣掣 磁偶极子相互作用是长程的。在它的作用下，近邻原子的磁矩取 向比较复杂。简单的说，在它的作用下，磁化强度之间彼此反平 行是磁稳定态。在外磁场作用下，一般交换相互作用阻碍反磁化 过程的进行；而磁偶极子相互作用则对反磁化过程起促进作用。 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 磁矩问产生交换祸合作用，阻止其磁矩沿各自的易磁化方向取 向。交换相互作用主要有三种形式：( 1 ) 直接交换相互作用( 2 ) r k k y 交换相互作用( 3 ) 间接交换相互作用。交换相互作用的 表达形式为： e ，= 一2 4 ，i ，君， i 0 时，它的作用结果是近邻原子的磁矩在 河北师范大学硕士学位论文 同一方向。 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。其原因是：( 1 ) 减弱晶粒交换相互作用可以提高样品矫顽力。 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。( 2 ) 减弱晶粒交换相互作用可 以减小噪音。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。 目前，评价磁性薄膜中颗粒之间的相互作用类型的方法主 要有：r 值法 t o l ，脚曲线法 8 , 1 2 - 1 4 1 和起始磁化曲线法【15 1 。 ( 1 ) 计算r ( 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 ) r 值大，表明 反转机制趋于非一致转动模式；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 ) 跏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。在分析6 m ( 日) 曲线前，先介 绍两种剩磁曲线： ( a ) 等温剩磁曲线( i r m ) 从交流退磁状态出发，沿正方向施加一磁场日，除去外场后， 测量剩余磁化强度肘( 日) 。逐渐增加磁场的大小，得到脱( 加一 曲线，称之为等温剩磁曲线。 ( b ) 直流退磁剩磁曲线( d c d ) 先将样品在反方向饱和磁化，除去磁场，测得剩余磁化强度 m d ) 。然后，重新将样品正向饱和，除去外场，沿负方向加一 9 河北师范大学硕士学位论文 外磁化场，除去磁场后，测量其剩余磁化强度m d ( h ) 。逐渐增加 外磁场的大小，得到m a ( h ) 的曲线，称之为直流退磁剩磁曲 线。 c 5 m 曲线的获得是基于以上两种曲线得到的。8 m 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；若锄 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y o = 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 ) 当儿 y 时，表明晶粒为多畴结构，磁化反转主要由 磁壁移动完成。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 16 1 。 综上所述，小的磁激活体积对应记录磁区间窄的过渡区，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。 磁激活体积圪可以通过测量不同反向磁场下磁化强度随时 b j 的衰减由 矿：望坐| ：k b t z , r r 1 一m 埘km i s 计算出，其中幻是波尔兹曼常数，7 是绝对温度，地是饱和磁 河北师范大学硕士学位论文 化强度，s 磁话滞系数，z ，是不可逆磁化系数。其中，z 。定义 为x 。= d m d ( h ) d h ，通过d c d 的微分曲线得到，磁粘滞系数s ( s = 一d m d i n t ) 可以从负矫顽场下磁化强度随时间衰减的m r 图得到一20 1 。 7 颗粒临界尺寸与热稳定性 信息存储要求信息能长时间的保存，由此磁性颗粒的磁化状 态必须稳定。磁性颗粒的尺寸越小，颗粒磁化状态的稳定性受到 分子热扰动的影响就越明显。理论上，磁化颗粒的热稳定性被定 义为颗粒磁各向异性能与内部热扰动能的比率： c = x 。v k n t 上式中，为颗粒磁晶各向异性常数，y 为颗粒体积，k 口为玻尔 兹曼常数，丁为温度。耽矿代表单个粒子的磁晶各向异性能，k n t 代表颗粒内部的热扰动能。 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。当颗粒内部热扰动能大于其磁晶各向异性能，即c 3 5 ；对高密 度化磁i 己录，则要求满足c 乏6 0 。一般认为c 的值在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【2 。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k “值大的介质材料。但是k 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问题。 在一定的c 和t 下，磁记录用磁性颗粒对应于一定的临界尺 1 2 河北师范大学硕士学位论文 寸。所以，磁记录用颗粒粒径d 具有一定的范围：d s p d d s d ， d s p 是出现超顺磁性的临界尺寸，d s d 是颗粒单畴的临界尺寸。在 此范围内，磁性颗粒由多畴尺寸减小到单畴尺寸后磁化过程由通 过畴壁位移转变为通过磁矩转动来实现，需要克服较大的能量， 所以肌较高，信息写入后较稳定。决定临界尺寸的因素有：磁 晶各向异性鼠、颗粒的形状各向异性和颗粒大小分布情况。 8 磁各向异性 磁各向异性按起源物理机制可以分为五类：( 1 ) 磁晶各向异 性：( 2 ) 形状磁各向异性：( 3 ) 应力磁各向异性；( 4 ) 感生磁各 向异性；( 5 ) 交换磁各向异性。 磁晶各向异性是描述磁性单晶体的磁各向异性，反映出结晶 磁体的磁化与结晶轴有关的特性。其形成是由于自旋轨道耦合作 用( 与晶体结构有关) ，它在决定单晶或微晶的磁性能方面起主 要作用，但在多晶薄膜中，磁晶各向异性对磁化方向的影响，还 受到单个晶粒的结晶取向程度、晶粒和衬底材料的结构形态、薄 膜的均匀性等一些非固有性质的影响。根据s t o n e r w o h l f a r t h ( s w ) 模型( 有单轴各向异性和一致反转的单畴粒子，满足v z 矿( 磁 激活体积) ) 在低场近似下，能量势垒e 满足e = x 。矿( k 。 是磁晶各向异性常数) 。从这个简化的表达式看出，能量势垒e 取决于和矿，足。越小越容易受超顺磁的影响，也就是颗粒的 热稳定性就越差，所以高置。值材料适合做磁记录介质。大部分 c o 系合金薄膜介质，在每个晶粒中都具有磁晶各向异性，它起 源于c o 的六角结构。在纵向介质中，c o 六角结构的易轴位于面 内，而在垂直介质中易轴垂直于膜面。 形状磁各向异性是反映沿磁体不同方向磁化与磁体的几何 河北师范火学硕士学位论文 形状有关的特性。在磁体内，当铁磁体由于磁化而具有面磁极 ( 荷) 或体磁极( 荷) 时，在铁磁体内将产生与磁化强度方向相 反的退磁场见。一n i ( 磁化均匀) ，其中n 称为退磁因子。对于形 状规则的样品，n 由样品的几何形状来决定，这种退磁场的大小 取决于磁体的几何形状，如有细长的微粒组成的磁体、磁性薄膜 等都有很强的形状各向异性。 对于一个椭球样品，在直角坐标系中，磁化强度在三个轴方 向上的分量为i 。，i ，i ：，退磁因子为n ，则有： h d x = n x i x ，h d y = - n y i y ，h d z = n z i z ，n x + n y + n z = 1( 4 氕【c g s 】) ； 对于球形样品：a = b = c ，n 。= n v = n ：= n o = i 3 ( 4 n 3 ) 。如果样品是 非球形的，各个方向的退磁场不一样，导致各方向磁性能量不一 样。退磁场为 h d i = n i o i s , = - n i “o i s a i 退磁能为 日= 一丢l 以= 丢( m 砰+ 以+ 也霹) 易= 丢2 ( 咿2 霹) = 丢( ，一彳) = 丢s t 咖 单轴各向异性的表达式：e 。：k 。；n 2 。，与e 。比较得：k 。一若。 对于薄板( x y 面) ，退磁因子：n z = 1 ( 4 耳) ，n x = n y = 0 日= 丢铲2 丢c 心口k 哼丢 1 4 河北师范大学硕士学位论文 因而面内磁化是最容易的方向。如果i ；比较小时，垂直和面内退 磁能的差也比较小。 应力磁各向异性是反映磁体内的磁化强度矢量趋向于应力 方向有关的特性。应力对磁化强度的方向具有一定的影响，使得 磁化方向不能任意取向。如果只有应力的作用，磁化强度的方向 必须在应力平行或垂直方向上。这种由应力而造成的各向异性称 为应力各向异性，在改善材料的磁性时，这种效应也是必须要仔 细考虑的。 9 磁记录薄膜中退磁场 从表面磁极出发穿过样品内部的磁场称为退磁场矾，它与 磁化强度的方向相反，通常它是样品形状的张量函数。退磁因子 的计算通常很复杂，只对少数情形有解析解，如椭球体。 通常，沿样品的长轴方向磁化时，其产生的退磁场较小，对 于无限长磁体则长轴方向退磁场为零。沿短轴方向磁化时，其产 生的退磁场较大，垂直于无限大薄膜样品磁化时，该方向退磁场 h d = 一m ( o r 一4 丌加，小括号外为国际单位制，小括号内为高斯单 位制。 对于纵向磁记录而言，由于退磁场的增大会制约其记录密度 图1 5 1纵向磁记录高密化b i t 内退磁场分析示意幽 河北师范大学硕士学位论文 的提高，而垂直磁记录则不会受退磁场的制约。如图1 5 1 所示， 对于纵向磁记录，高密化要求a 缩小，当 趋于零时，每一b i t 内( 相当于垂直于无限大薄膜样品磁化) ：h d = 一m ( o r 4 x m ) 。 此时，对应最大的退磁能，从而导致每一b i t 内磁畴磁化矢 量方向的不稳定。所以，对于纵向磁记录必须在减小颗粒尺寸a 的同时，减薄薄膜厚度d ，以保持合适的退磁场大小。对于垂直 磁记录，高密化也要求a 缩小，如图1 5 2 所示，当2 趋于零时， 每一b i t 内( 相当于沿着无限大薄膜样品内磁化) ：h d 趋于零。所 以，不用减薄磁性层厚度。 图1 5 2 垂直磁记录高密化b i t 内退磁场分析示意图 此外，用v s m 测试薄膜样品的磁滞回线时，是对薄膜样品 的整体磁化，和磁头对于b i t 的写入过程不一样。因而，当v s m 垂直于膜面测试时，对应很强的退磁场，它阻碍磁化的进行，所 以，在该方向很难使样品饱和磁化；反之，v s m 平行于膜面测 试时，对应很小的退磁场( 日d 趋于零) ，所以，在该方向磁化时 可以忽略退磁场的影响。 上述分析也说明，垂直膜面方向进行v s m 测试时，得到的 磁滞回线必须进行退磁修正。此外，对于垂直磁记录材料，衡量 粒子之间相互作用类型时也必须进行退磁场的补偿才可以。退磁 1 6 河北师范丈学硕士学位论文 场的补偿，关键是退磁因子的获得，那么如何获得薄膜样品垂直 膜面方向的退磁因子呢? 一般认为，退磁因子的获得通常有以下三种方法 2 2 1 ： ( 1 ) 利用直流退磁剩磁( d c d ) 曲线的斜率估计退磁因子： ( 2 ) 利用磁滞回线来确定退磁因子； ( 3 ) 近似计算退磁因子。 对于磁记录薄膜来说，由于常常要考虑颗粒之间的相互作用 类型和磁反转体积，而这些因素都必须借助直流退磁剩磁( d c d ) 曲线来完成，所以上述三种方法中，第一种方法最实用，借助 v s m 就可以完成。其方法为：当d c d 曲线的斜率最大同时保证 有效反向磁场h 。f f ( h 。f f = h nm 。f f ) 随着外磁场h 的增加而单 调增加，此时的n 值被认为是样品的退磁因子，如图1 5 3 所示。 图1 5 3b a m 薄膜取不同的退磁因子进行有效场修正后的d c d 曲线 为n ；0 ( 未修正) ，a 为n = o 4 ，为n = o 7 ，o 为n = 1 1 2 2 超高密度磁记录介质对影响因素的要求 磁记录介质是磁记录系统的重要组成部分，对于磁记录介质 1 7 河北师范大学硕士学位论文 的主要要求是：( 1 ) 适当高的矫顽力也，这样才能有效地存储信 息和抵抗环境磁干扰，提高信号的分辨率：( 2 ) 高的饱和磁化强度 帆，以得到高的信息输出：( 3 ) 高的剩磁比坼a t , ，( m 为剩余磁 化强度) ，以减小自退磁效应，提高信息记录效率：( 4 ) 大的磁滞 回线矩形比s ，以减小开关磁场范围和输出脉冲宽度，提高信息 的分辨率和磁记录密度；( 5 ) 小的记录颗粒，以提高记录密度和 信号噪音比；( 6 ) 高的稳定性，即尽量减小磁记录材料的温度系 数，削弱老化效应；( 7 ) 高密度硬盘还要求记录介质表面平均粗 糙度如值小，磁头与磁介质问的飞行高度很低，如果表面不平 滑可能造成材料间的磨损，降低磁头和磁记录介质的寿命；( 8 ) 化 学稳定性和抗腐蚀敏感性要高，以保证十年以上的使用寿命。 1 8 河北师范大学硕士学位论文 1 3 磁记录材料的发展历史及现状 从录音机上用的磁带，录像机上用的录像带，计算机上用的 磁盘，到储蓄用的信用卡等，。都含有磁性材料。这些磁性材料称 为磁记录材料。磁记录材料按形态分为颗粒状和连续薄膜材料两 类，按性质又分为金属材料和非金属材料。广泛使用的磁记录介 质是l r f e 2 0 3 系材料，此外还有c r 0 2 系、f e c o 系和c o c r 系材 料等。磁头材料主要有m n z n 系和n i z n 系铁氧体、f e a l 系、 n i f e n b 系及f e a 1 s i 系合金材料等。 在发明磁盘系统之前，计算机使用穿孔纸带、磁带等柬存储 程序与数据，这些存储方式不仅容量低、速度慢，而且它们部是 顺序存储，为了读取后面的数。据，必须从头开始读，无法实现随 机存取数据。 经过一个多世纪的发展，磁记录取得了巨大的进步。自18 9 8 年丹麦工程师p o u l s e n 发明钢丝录音机以来，记录波长由最初的 10 0 0u m 缩短到目前的亚微米量级。作为计算机外部存储媒体， 磁记录至今仍处于记录密度逐年提高的发展态势。世界第一台 磁盘存储系统是由i b m 的一个工程小组在1 9 5 6 年9 月展示的 i b m3 5 0r a m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t h o do fa c c o u n t i n ga n d c o n t r 0 1 ) ，其磁头可以直接移动到盘片上的任何一块存储区域， 从而成功地实现了随机存储，这套系统的总容量只有5m b ，共 使用了5 0 个直径为2 4 英寸的磁盘，盘片表面涂有一层磁性物质， 它们被叠起来固定在一起，绕着同一个轴旋转。i b m3 5 0r a m a c 的出现使得航空售票、银行自动化、医疗诊断和航空航天等领域 引入计算机成为了可能。1 9 7 3 年，i b m 又发明了w i n c h e s t e r ( 温 氏) 硬盘，其特点是工作时磁头悬浮在高速转动的盘片上方，而 1 9 河北师范大学硕士学位论文 1 i 与盘片直接接触，这便是现代硬盘的原型。i b m 随后生产的 3 3 4 0 硬甜系统即采用了温氏技术，共有两个3 0m b 的予系统。 “密封、固定并高速旋转的镀磁盘片、磁头沿盘片径向移动”是 “温彻斯特”硬盘技术的槠髓。今天个人电脑中的硬盘容量虽然 已经尚达几“t - g b 以上，但仍然没有脱离“温彻斯特”模式。早 期的这些硬盘系统都具有体积大、容量小、速度慢和价格昂贵的 特点，这是因为当时计算机的应用范围还很小，技术与市场之日j 足一种相互制约的关系，使得包括存储业在内的整个计算机产业 的发展都受到了限制。 直到1 9 7 9 年，i b m 发明了薄膜磁头，为进一步减小硬盘体积、 增人容量、提高读写速度提供了可能。7 0 年代未与8 0 年代仞是 微型计算机的萌芽时期，包括希捷、。昆腾、迈拓在内的许多著名 硬盘厂商都诞生于这一段时间。1 9 7 9 年，i b m 的两位员工a l a n s h u g a r t 和f in isc o n n e r 决定要开发像5 2 5 英寸软驱那样大小 的硬盘驱动器，他们离开i b m 后组建了希捷公司，次年，希捷发 钿了第款适合于微型计算机使用的硬盘，容量为5m b ，体积与 软驱相仿。希捷当时的产品赢得了节果和i b m 等大客户的箭睐， 销晕= 很不错，现在已成为全球存储设备工业的领导者之一。从7 0 年代到9 0 年代初，硬盘的体积快速的缩小，使得硬盘的区域密 度在近2 0 年的时问罩保持着3 0 的增长率。随后的几年中，在新 的磁头技术的推进f ，硬盘区域密度的增长率达到了6 0 。从1 9 9 8 年”始，磁盘的记录密度以1 0 0 的速度增长。2 0 0 0 年，一些公 司展示了高了：5 0g b i t i n ：的产品。2 0 0 2 年s e a g a t e 和日立公司 展示了高r 1 0 0g b i t i n 二的产品。2 0 0 5 年4 月4 日，日立全球 储存公司( h i t a c h ig l o b a ls t o r a g e ) 宣布已丌发出一款可容纳 河北师范大学硕士学位论文 2 3 0g b i t in 二的垂直记录磁盘。在播放磁头方面，2 0 0 2 年5 月富 士通在美国宣布成功开发出记录密度高达3 0 0g b i t i n 2 的硬盘技 术。 幽i 2 i1 9 8 2 年削在i b m x t 上的一块1 0m 的硬盘，除了外型略 人，无论外观还是内部结构和现在最先进的硬盘并没有人的差别。 人们预计到2 0 i o 年磁记录媒体的面密度将达到1 t b i n 2 。为 了实现该目标，需要作为记录介质的磁性材料有更小的粒径( 颗 粒尺寸在5 8 纳米之间) ，更好的磁热稳定性即更高的磁晶各向 2 i 河北师范大学硕士学位论文 异性，和更紧密的颗粒尺寸分布( 小于1 5 ) 。许多非磁性材料 作为缓冲层、覆盖层、籽晶层和中间层，被用来研究控制磁性颗 粒的生长和隔离。上述一些实验制备的薄膜样品虽然矫顽力达到 相对较高值，但是颗粒尺寸太大，远远达不到超高密度记录介质 的要求( 5 8n m 之间) 。所以，如何在简单的工艺下，制备出 颗粒尺寸小而磁性能又好的颗粒膜材料，仍然是目前人们积极探 索的目标 2 3 - 3 0 1 。 幽i 2 2 过去5 0 年以及未来5 年左右硬盘的发展曲线图。 大容量存储技术在信息处理、传递和保存中占据相当重要的 地位。近年来随着人们对高性能、低成本、非挥发性的信息存储 系统的要求与同俱增，磁记录技术得到了飞速发展。在众多的信 息存储系统中，现今应用最广泛的仍是磁性信息存储技术。其主 要形式有磁带、软磁盘和硬磁盘。经历了5 0 年的发展，硬磁盘 的可靠性、存储速度、存储容量、性价比都处于非常理想的水平， 使得硬盘成为了计算机设备中的主流存储器。 河北师范大学硕士学位论文 下面，以计算机用的硬盘驱动器( h d d ) 为例，介绍一下磁 存储介质的记录方式。目前，h d d 采用的磁记录方式主要有两 种：面内记录方式( 纵向磁记录、横向磁记录) 和垂直记录方式。 如图1 2 3 所示。 图i 2 3 磁记录的两种方式：( a ) 纵向磁记录：( b ) 垂直磁记录： 如图1 2 3 ( a ) 所示，面内记录方式是指磁头的运行方向和记 录介质中的磁化强度矢量方向在平行的平面内的一种记录方式， 分为纵向( 和磁头运行方向平行) 磁记录和横向( 和磁头运行方 向垂直) 磁记录。现在，面内记录方式的记录面密度已经超过3 0 0 g b i t i n 2 。有人曾指出，面内记录方式从2 0 g 3 0 g b p s i 开始就已 经接近极限。然而，现有技术的不断发展，已经突破了当时的“极 限”。 不过，纵向磁记录由于超顺磁性的限制，确实面临极限问题： 要想提高纵向磁记录的面密度，就必须缩小记录比特的线度，但 是随着记录比特线度的减小，对于纵向磁记录而言，记录比特内 部的磁化强度矢量就会出现从纵向磁化模式向圆弧状磁化模式 和回转磁化模式的转变，这样就会导致信号无法读出。为了避免 上述转变的发生，就必须在减小记录比特线度的同时，减薄磁性 河北师范大学硕士学位论文 记录层的厚度。从而，使得每一比特内的磁性颗粒体积变小。当 体积减小到一定程度时，磁记录介质的热扰动问题就突现了出 来。因而，面内磁记录面临一个由于超顺磁性引起的极限问题， 这迫使纵向磁记录方式向其它磁记录方式转轨。而最有希望取代 纵向磁记录的就是垂直磁记录。 19 7 5 年，日本东北大学的岩崎俊一教授首次提出垂直记录技 术1 3 1 1 。如图1 2 3 ( b ) 所示，垂直磁记录方式是指磁头的运行方向 和记录介质中的磁化强度矢量方向在相互垂直的平面内的一种 记录方式。 垂直磁记录面密度的提高和面内磁记录面密度的提高类似， 但是，垂直磁记录不需要减薄磁性介质的厚度，而且，相邻的磁 性结晶具有的相反磁场还能够起到稳定各自磁场的作用。所以， 垂直磁记录不会马上面临纵向磁记录由超顺磁性引起的极限问 题。并且，由于在原有的纵向磁记