（材料学专业论文）磁性诱发两相分离型cov基合金薄膜的制备与磁学性能研究.pdf

厦门大学硕士学位论文 摘要 信息时代的今天，磁记录是主要的存储手段。随着计算机及网络技术的发展， 人们需要越来越高的数据存储密度，垂直磁记录介质是实现超高密度垂直磁存储 的重要一环。本论文阐述了垂直磁记录的基本原理以及其对磁记录介质的要求， 研究了磁性诱发两相分离型c o - v 基薄膜的磁学性能，并对目前应用的垂直磁记 录介质c o c r - t a 体系进行了相平衡的实验测定。本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 利用射频磁控溅射方法制备了一系列c o v 二元合金薄膜，表征了薄膜的 晶体结构、表面形貌、微区结构以及面内和垂直膜面方向的磁学性能，分析了沉 积温度、v 含量及薄膜厚度等因素对薄膜磁学性能的影响。研究结果表明：在 4 2 3 k 下沉积的c o 2 1 v ( a t ) 薄膜具有最佳的垂直膜面方向的磁学性能，其矫 顽力达到2 2 5 0 0 e ，磁滞回线的矩形比( m r m s ) 达到了0 7 4 ，饱和磁化强度m s 为6 5 0 ( e m u c e ) ，其矫顽力、矩形比和饱和磁化强度均大于目前应用的c o c r 垂 直磁记录薄膜。 ( 2 ) 通过共溅射方法制备了c o v - t a 三元合金薄膜，分析了t a 元素含量对 c o v - t a 三元合金薄膜的晶体结构以及垂直膜面的磁学性能的影响，同时还考察 了溅射温度及退火热处理对薄膜的结构和磁学性能的影响。研究结果表明：常温 下沉积的c o 7 8 v - 8 9 t a ( a t ) 薄膜具有最好的磁学性能。矫顽力为2 5 5 0 0 e ，矩 形比( m r m s ) 为0 7 5 ，而饱和磁化强度m s 达到6 0 0 ( e m u e e ) ( 3 ) 通过合金法，首次实验测定了目前应用的垂直磁记录介质c o c r - t a 三元 系合金在7 0 0 、8 0 0 。c 、9 0 0 和1 1 0 0 时的相平衡。利用e p m a 对其成分进 行了测试，采用x r a y 衍射对其结构进行了标定。初步建立了该三元合金的相图 信息。 关键词：垂直磁记录；c o v 基薄膜；两相分离；磁控溅射 厦门大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h em a g n e t i cr e c o r d i n gi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tw a y st os t o r e i n f o r m a t i o n a st h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di n t e m e tt e c h n o l o g y , t h ed a t a s t o r a g ew i t hh i g h e rd e n s i t yi su r g e n t l yr e q u i r e d t h el 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 i so n ew a yt or e a l i z et h eu l t r a - h i g h - d e n s i t ys t o r a g e t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h eb a s i c p r i n c i p l ea n dt h er e q u i r e m e n to fm a g n e t i cr e c o r d i n gm a t e r i a l s ，a n ds t u d i e dt h e m a g n e t i cp r o p e r t i e so fc o - vb a s ea l l o y s 晰t l lp h a s es e p a r a t i o ni n d u c e db ym a g n e t ， a n dd e t e r m i n e dt h ep h a s e e q u i l i b r i ai nt h ec o c r - t as y s t e m t h em a i nc o n t e n t si nt h e p a p e r a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) s o m ec o vt h i nf i l m sw e r ep r e p a r e db yr fm a g n e t r o ns p u t t e r i n g ，a n dt h e f t c r y s t a ls t r u c t u r e ，s u r f a c em o r p h o l o g ya n dp e r p e n d i c u l a rm a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r e s t u d i e d ，a n dt h ei n f l u e n c e so ft h evc o n t e n t s ，t e m p e r a t u r ea n dt h i c k n e s so nt h e m a g n e t i cp r o p e r t i e so ff i l m sw e r ea n a l y z e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e st h a ta t 4 2 7 kt h e r ei st h eb e s tp e r p e n d i c u l a rm a g n e t i cp r o p e r t i e si nt h ec o 一21v ( a t ) f i l m , a n di t sc o e r c i v ef o r c ei s2 2 5 0o e t h er a t eo fh y s t e r e s i sl o o p ( m r m s ) i s0 7 4 ，a n d s a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o n ( m s ) i s6 5 0 ( e m u c c ) ，w h i c ha r eb e t t e rt h a nt h o s ei nc o c r f i l m s ( 2 ) s o m ec o v 二t at h i n f i l m sw e r ep r e p a r e db y c o s p u t t e r i n g ，a n dt h e i r p e r p e n d i c u l a rm 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 t h ei n f l u e n c e so ft ac o n t e n t so n c r y s t a ls t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e si nt h ec o 一弘乃t h i nf i l m sw e r es t u d i e d 。i n a d d i t i o n ，t h ee f f e c t so fs p u t t e r i n gt e m p e r a t u r e sa n dh e a tt r e a t m e n to nt h es t r u c t u r ea n d m a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r ea l s oe x a m i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e c o 一7 8 v - 8 9 t a ( a t ) t h i nf i l mh a st h eb e s tm a g n e t i cp r o p e r t i e s ，w h e r et h ec o e r c i v e f o r c ei s2 2 5 0o e ，m r m si s0 7 5 ，a n dm si s6 0 0e m u c c ( 3 ) t h ep h a s ee q u i l i b r i ai nt h ec o c r o t as y s t e ma t7 0 0 c8 0 0 c ，9 0 0 。ca n d 1i0 0 cw e r ee x p e r i m e n t a l l yd e t e r m i n e db ym e a n so fe l e c t r o np r o b em i c r o a n a l y s i s ( e p m a ) a n dx r a yd i f f r a c t i o n ( x r d ) o ne q u i l i b r a t e dt e r n a r ya l l o y s t h i si sf i r s tt i m e i l 厦门大学硕士学位论文 t oe s t a b l i s ht h ep h a s ee q u i l i b r i ai nt h ec o c r - t at e m a r ys y s t e m k e y w o r d ：p e r p e n d i c u l a rm a g n e t i cr e c o r d i n g ；c o vb a s et h i nf i l m s ；p h a s es e p a r a t i o n ； m a g n e t r o ns p u t t e r i n g i i i 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体已经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年 月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人( 签名) ：李毒讨 矽f j l 年，o 月，d e l 厦门大学硕士学位论文 第一章绪论 x t 一j 一 日u 看 本章主要介绍磁记录技术发展历史、磁记录原理、磁记录模式、磁记录介质 应用以及垂直磁记录的最新研究进展。 1 1 磁记录的发展历史 随着计算机和因特网技术的发展，人类已步入飞速发展的数字信息化时代， 需要处理和保存大量数据和信息，这使得人们对信息存储的要求向着高密度、大 容量、高速度、低成本和微小型化的方向发展，产品不断更新换代。磁记录介质 具有性能可靠、使用方便、成本低廉、易于保存和重复使用等特点，从而成为当 今信息社会必不可少的信息记录材料。 自从1 8 9 8 年v a l d e m a rp o u l s e n t l 】发明磁记录技术以来，磁记录在音频、视频 信息及计算机领域扮演了关键角色。1 9 5 6 年世界上第一台磁盘驱动器一容量 为5 m b ( 2 k b i n 2 ) 的i b mr a m a c 3 5 0 诞生后，硬磁盘面记录密度就得到了突飞 猛进的增长，硬盘面密度( 即单位面积的记录位数目) 已较1 9 5 6 年的第一个硬 盘提高了2 5 0 0 万倍：上世纪七十至八十年代，硬盘存储密度以每年2 5 4 0 的 速度增长【2 ，3 1 ；随着1 9 9 1 年i b m 公司将薄膜磁阻磁头( m a g n e t o r e s i s i t i v e ，m r ) 技 术应用于磁记录领域，硬盘记录密度以每年6 0 增长速度向上增长嗍；1 9 9 8 年 i b m 公司将自旋阀巨磁阻( g i a n tm a g n e t o r e s i s i t i v e ，g m r ) 磁头技术在硬盘产品 中推向应用，更使得硬盘存储密度以惊人的每年1 0 0 速度增长【5 6 1 ( 如图1 1 所 示) 。最近，日本富士通公司应用s f m ( s y n t h e t i cf e r r o m a g n e t i cm e d i a ) 技术成功 制得了面密度高于1 0 0 g b i n 2 1 7 1 的磁记录介质并已用于实际硬盘生产中，它们将 在明年推出面密度高于2 0 0 g b i n 2 的磁记录硬盘样机【8 1 ；美国的n s i c ( n a t i o n a l s t o r a g ei n d u s t r i e sc o n s o r t i u m ) 机构和i b m 公司也于早些时候联合提出了面密度 为1 t b i n 2 的硬磁盘的设计方案【9 1 。通过优化磁头和磁记录介质结构设计和应用 新的技术如：s f m 、p a r e m m e d i a 和光磁混合存储技术等，硬磁盘的面密度和容 厦门大学硕士学位论文 量还将得到进一步提高。 硬盘面密度的提高，除了磁头技术的发展以外，更主要的是由于硬盘磁介质 性能的不断提高【l o l 。而且随着g m r 磁头的采用以及记录面密度的不断提高，对 介质的结构与性能等方面的要求也越来越高。一是要求介质的热噪声要尽可能的 低，二是要求介质的热稳定性要高。对于通常的纵向磁记录方式而言，介质的热 噪声主要来自于退磁场引起的过渡区展宽【l l 】，这一展宽主要依赖于弛d 佩，这 里尬代表介质的剩余磁化强度，6 代表介质的膜厚，乜代表其矫顽力。因此， 在过去的十年中，为了降低热噪声，万从o 1 岬降低到了0 0 2 p r o ，而h c 也由几 百个o e 增加到了3 k o c 以上，介质的晶粒大小也降低到了0 0 2 1 1 m 以下，以减小 介质噪声的影响。图1 2 反映了磁记录位随记录密度的提高而不断减小的情况【5 1 。 l u ) 硼嘲 t h e r m a ls t a b i l r yl i m i t 1 0 0 c g r 开m w h i t e 。 v l l i m i to f l o n g i l u d i n a i s f m 、lito j a a 晰n e t 忡l cr e 。”o 矾r d 驰l n 父a ：；l ，g 个m rh e a d 。h 。i 。 ；：圭i ：个f ；r 聃l l i m 碓。fm a g n e t i cm 。r d n g 楚：峨c g 膏个。峄。 一【晶h e 曩d 、 l 羔=愈h t h i n f i l m d l s k e n c l o s e d 幅p 嘲m 薛 舭n 刚 i b m 只a m k1 9 5 6 h d d r l lc o d l n g i b m - 3 犁i o 图1 1 硬盘单位记录密度的增长趋势，以及不同阶段采用的技术 4 8 1 1 0 0 幽p 1 罄z 舭1 k 巾l 鬣琵盔置琵譬圈。i s x 隧缓笾凌貌缢缢毖磁貔缢施凌施缓纽缓磁么凌缓“”4 1 5 。二；戮时p l 啊3 i b m o 1 7 b m 托黑啊125p2borb m p ! t m n - p i o 0 9 i t m x 啊 1 0g b l l t 2 二 m o 嘲哪 4 0 0 1 c b p ! x2 , k t p t 4 0g b b n 2 兰4 t i mo 2 “m s o e i o p tx5 0 k t l p t 1 0 0g b , a m 27 2 岬0 0 2 5 “m 1 0 0 0 k b p i 工1 0 0 k t p t 图1 2 记录位随记录密度的提高而不断减小 2 一备s墨v参镊ca一星 厦门大学硕士学位论文 磁记录存储从诞生到现在已有一百多年的历史。同其它记录方法相比，磁记 录有以下一些优点：记录密度高、存储容量大；工艺成熟；性价比高；记录信息 保存时间长，记录单元可反复擦写读取；信息的保存是非挥发性的，不需要外部 提供额外的能量。表1 1 简要列出了磁记录存储的发展历程。这一个历程大致经 历了三个阶段【1 2 1 。 表1 1 磁记录存储的发展历程 时间事件国家 1 8 8 8 o s m i t h 关于磁性录音论文的发表 美国 1 8 9 8 v p o u l s e n 磁性录音机的发明( 直流偏压法) 丹麦 1 9 2 7 交流偏磁法专利美国 1 9 2 8f p f l e u m e r 纸基底上磁粉涂布磁带的发明 德国 1 9 3 2 e s c h o l l e r 环形磁头的发明德国 1 9 3 5 钢丝录音机的生产日本 1 9 5 3 计算机用磁带装置的发布( i b m 7 2 6 ) 美国 1 9 5 5 固定式磁盘装置( i b m 3 5 0 ) 美国 1 9 6 7 c r 0 2 磁带；磁泡技术美国 1 9 6 8 热压铁氧体磁头日本 薄膜磁头的开发美国 1 9 6 9 利用m r 效应检测磁场的应用日本 1 9 7 2 软盘( i b m 33 f d ) 美国 1 9 7 4 包钴7 - f e 2 0 3 磁带 日本 1 9 7 5 f e a 1 s i 磁头 日本 1 9 7 6 磁泡存储的开发日本 1 9 7 8 金属粉末磁带日本 1 9 7 9 金属蒸镀磁带、单晶铁氧体磁头 日本 1 9 8 03 5 英寸软盘、垂直磁记录方式的研究日本 1 9 8 2 涂布型钡铁氧体介质日本 1 9 9 0薄膜磁头一m r 磁头实用化 美国 3 厦门大学硕士学位论文 1 9 9 6g m r 磁头实用化 美国 2 0 0 6垂直磁记录投入使用 美国 第一个阶段主要致力于为了适应感应式磁头的读写能力而采用的各种设计， 发展了真空溅射技术以得到高矫顽力) 、高饱和磁化强度( 胁) 的材料。 第二个阶段则主要是磁电阻( m r ) 巨磁电阻( g m r ) 效应的应用，使得硬 盘的记录密度在9 0 年代出现了飞速增长。巨磁电阻效应是近年来发现的新现象， 1 9 8 6 年德国的p g r u n b e r g 等人首先在f e c r f e 多层膜中观察到反铁磁层间藕 合【1 3 1 。1 9 8 8 年法国的m n b a i b i c h 等人首先在f e c r 多层膜中发现了巨磁电 阻效应【1 4 1 。在巨磁电阻效应被发现后的第六年，即1 9 9 4 年，i b m 公司研制成巨 磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了1 7 倍，达到5 g b i n 2 ，从 而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。在目前的各种高性能硬磁盘驱动器 中，以电流方向在平面内的( c u r r e n t - - m - - p l a n e ) c i p g m r 型磁头的应用最为 普遍。为了进一步提高记录密度，要求磁头具有更高的磁电阻变化a r ，更高的 磁电阻比( a r r ) 。这是因为：第一，磁头的效率q 随读头长度和磁道( t r a c k ) 宽 度的减小而下降；第二，为避免磁头几何参数的缩小引起温度的上升和电子迁移 ( e m ) 的加剧，需要采用较小的读出电流i s 。但是，读出磁头的输出电压是由 r l x l s x a r 决定的，所以，必须通过提高a r 来补偿i s 和t 1 的减小对输出电压的影 响。目前，采用纳米氧化层的c i p g m r 薄膜的m r 比( a r r r ) 己从1 0 提高 到2 0 ，磁电阻变化a r 达到2 4 q ，这似乎已经达到材料的性能极限。采用磁 电阻比为2 0 的薄膜材料可以达到1 0 0 - - 一2 0 0 g b i n 2 的面记录密度，但对于1 0 0 - 2 0 0 g b i n 2 以上的密度，需要开发新一代更高性能的读出磁头薄膜置式。电流垂 直于平面( c u r r e n tp e r p e n d i c u l a rt op l a n e ，c p p ) 的巨磁电阻薄膜c p p g m r 就 是一种新的磁头置式。其优点是：( 1 ) c p p g m r 固有的磁电阻比大于c i p g m r ；( 2 ) 读出电流的横截面大于c i p - - g m r ，因而在热性能和e m 性能方面优 于c i p - - g m r ；( 3 ) 在不提高薄膜的性能a r a ( a r 和元件面积a 乘积) 的条件 下，按比例缩小元件面积能够得到较高的磁电阻变化，这将使输出电压随面密度 的增加而自然增加，因此可望获得更高的面记录密度。国外实验室已经采用c p p g m r 磁头和垂直记录技术成功实现了3 0 0o b i n 2 ，的记录密度。隧道型磁电 4 厦门大学硕士学位论文 阻t m r 磁头也是有望成为下一代高密度读出元件的另一种磁头。这种磁头材料 的主要优点是磁电阻比高于g m r ，而且由于其几何结构属于c p p 型，所以适合 于超薄的缝隙间隔。近几年来，对隧道磁电阻材料及其制备工艺，阻挡层的可靠 性，信号的不稳定性以及磁隧道结电阻的减小等问题进行了广泛的研究，实验制 备的t m r 磁头已经达到了5 0g b i n 2 以上的记录密度。 第三个阶段是采用新的记录介质方法和新的数据读写方式。在这一阶段，主 要出现了纵向磁记录( 水平磁记录) 、垂直磁记录以及将来可能用到的热辅助磁 记录( 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 ，r t a m r ) 方式、晶格( 磁) 介质记录 技术。 1 2 磁记录原理【1 5 】 磁存储材料是利用磁滞回线或磁矩的变化来存储信息的一类磁性材料。物质 在磁场日的感应下会被磁化，形成磁偶极子即磁矩。单位体积中的磁矩m 被称 为磁化强度。磁性材料的m 和磁场日关系很复杂，只能用磁化曲线和磁滞回线 来描述。图1 3 所示的是磁性材料的磁滞回线的示意图。 “ k m s b c 形hm、l j j 乞 m r h m 么 g h e h r f e m s 图1 3 磁性材料的磁化曲线示意图 把一块未磁化的磁性材料置于磁场日中，若从零开始缓慢增大磁场，即可 观察到磁化强度m 随o a b 曲线变化最后在b 点达到饱和。继续增大磁场，m 5 厦门大学硕士学位论文 不再增大。o a b 曲线为初始磁化曲线。此时若减小磁场，m 并不沿初始磁化曲 线返回，而是沿b c d 曲线变化，当磁场为零时，m 不等于零，而是等于m ， 尬称为剩余磁化强度，m r m s 称为矩形比。矩形比越接近1 则磁记录性能越好。 继续减小磁场至d 点时，磁场变化为恩，这时m 才能重新回到零，总值称为磁 性材料的矫顽力。此时若继续增加反向磁场，m 值就会在负方向上迅速增大，然 后在e 点再次达到饱和。若从这种负饱和状态开始，再次向正方向增大磁场， 这时磁化曲线将沿着新路径e f g b 变化。由图可见，e f g b 曲线以原点o 为对称 点与b c d e 曲线呈现对称形式。由这两条曲线闭合而成得到的曲线称为磁滞回 线。 磁存储技术就是利用磁滞回线的两个剩磁状态磊和- i v , 来记录二进制数字 信号“0 ”和“1 ”的。磁存储密度d 与磁存储材料的关系：d = ( 皿m ，m ) h 式中， h 是磁性薄膜的厚度；凰是矫顽力；尬是剩余磁化强度；m 是和磁滞回线的矩 形有关的因子。 1 2 1 纵向磁记录1 1 s l 纵向磁记录技术是具有5 0 多年历史的传统记录模式。其原理如图1 4 所示。 首先，硬盘写头按时间脉冲将介质分成一个个记录位。在记录“1 ”时，写入电流 经过记录位时有一个从正变到负的过程，写头因而会产生_ 个从正到负的感应 过渡区，、- - _ 磁道 磁化强度矢量 输出电流丁啊可打 图1 4 纵向磁记录原理图 6 厦门大学硕士学位论文 磁场，记录位两边的磁性介质单元就会被磁化成不同方向。这两个磁性介质单元 由于磁化方向不连续，必然会在记录位处产生一个磁场散乱的过渡区 ( t r a n s i t i o n ) ，在这个过渡区中，磁力线会从介质表面上方发散出去，可以被经过 的读头探测到，输出为“1 ”。在记录0 时，写入电流经过记录位时无变化，磁性 单元中间不产生过渡区，因此经过记录位表面上方的读头就探测不到信号，输出 为“0 ”。 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，记录波长越短，记录位的退磁场越强，从而导致记录信号 的不稳定。根据磁记录理论，退磁场o cm 万皿( 皿为介质的矫顽力m 为 介质的剩余磁化强度，万为介质磁层厚度，m ，万为剩磁厚度积，或称为面磁矩) ， 退磁场可使过渡区宽度增加限制记录密度的提高。因此，为了提高记录密度，并 保证高密度信息的可靠性，传统的方法是通过提高介质的见减薄磁层厚度6 ( 降 低m ，万) 等手段来降低退磁场。 其次，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 随n 忱的增大和m 万的减小而增加( n 为每一记 录位中的晶粒数) 【1 6 】。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，应使每一位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，必须提高介质的矫顽力，减小介质膜中的晶粒直径和介质厚度。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。所谓超顺磁效应，就是说当硬盘面记录密度的进一步提 高时，单个记录位的面积就进一步减小、记录介质中磁性晶粒尺寸也就进一步减 小，存储的信息也就越多。但是磁性粒子并不能无限制地小下去，磁性粒子越小， 使其极性翻转所需要的能量就越小，在小于某一尺度时甚至室温的热能都可以使 它自动翻转，数据就会被破坏，同时材料的剩磁比会大幅下降直至为零。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。根据 a r r h e n i u s - n e e l 定律【1 7 1 ，晶粒的热衰减时间： 7 厦门大学硕士学位论文 t = 1 0 9e x p ( k v i k t )( 1 1 ) 式中民和v 分别为晶粒的单轴各向异性常数和晶粒的体积，k 为波尔兹曼常数， t 温度。s 【n - o u o 岭寸 h - 0 u o n n 卜! - 0 u o o n - o u n n 价n n nn n nn n ” j 学心n赫n n 稚h 赦。一 旧鹫埘榔 匣段崆旧 旧毯埘啪 厘恹慢旧 旧趟删嵴 厦椒长旧 一qongo一越嘿甚挺黑圃 一妻、耄一筮映壤 d o v r 睦姨 一摹磊一 一邑 求镁趟弛 越赠娶蜉 妒咯婪 籁祗涩魁扑撵岛鹫饿a-ou窖求餐匣k星娶蜉卜)i岍柑n僻 仪秘堪扑书隧扑k l j 噬 厦门大学硕士学位论文 岔 o 、- ， u 雹 v ( a t ) 图3 1 3v 含量对c o - v 薄膜矫顽力的影响 v ( a t ) 图3 1 4v 含量对c o v 薄膜磁滞回线矩形比的影响 5 0 确窆i窆 厦门大学硕士学位论文 - 、 u 之 皇 昌 3 窆 图3 1 5v 含量对c o v 薄膜饱和磁化强度的影响 从上述结果中可以看出，在3 2 3 k 温度下沉积的薄膜c o 1 8 v ( a t ) 的磁学 性能最好，其垂直膜面方向的矫顽力达到2 0 0 0 0 e 。v 含量低于1 8a t 时，随着 v 含量增加垂直膜面方向的矫顽力增加，而当v 含量为2 1a t 时其矫顽力反而 下降为1 2 5 0 0 e 。在5 2 3 k 温度下沉积的薄膜的磁学性能则随着v 含量的增加而 增加。其垂直膜面方向的矫顽力由c o 8 3 v ( a t ) 薄膜的1 0 3 2 0 e 增加到c o 2 1 v ( a t ) 薄膜的1 6 8 5 0 e ，垂直膜面方向磁滞回线的矩形比由0 2 上升到0 7 。展现 了优异的垂直膜面方向的磁学性能。但是v 含量增加的同时也使薄膜的饱和磁 化强度降低。 厦门大学硕士学位论文 3 5 2 溅射温度对磁学性能的影晌 薄膜沉积时基片的温度是影响薄膜结构和性能的重要因素。图3 1 6 ( a ) - - c d ) 是c o 1 8 v ( a t ) 在3 2 3 k ，4 2 3 k ，5 2 3 k 和6 2 3 k 温度下沉积的薄膜的面内和垂 直方向的磁滞回线。随着温度由3 2 3 k 增加到6 2 3 k ，薄膜垂直方向上的矫顽力 由1 7 5 2 0 e 下降到1 4 5 6 0 e 。垂直膜面方向磁滞回线的矩形比也由0 5 7 5 下降到 o 3 2 1 。但是随着基片温度由3 2 3 k 升高到6 2 3 k ，其饱和磁化强度由5 5 0 e m u c c 升高到1 2 4 5 e m u e e 。图3 1 6 ( a 卜( d ) 中所示的磁学性能参数值如表3 4 所示。表 3 4 中所示的矫顽力与沉积温度的关系如图3 1 7 所示，图中清晰的显示了c o 1 8 v ( a t 呦合金薄膜的矫顽力值随着沉积温度的升高而下降。表3 4 中所示的磁滞回 线的矩形比与沉积温度的关系如图3 1 8 所示，从图中可以看出c o 一1 8 v ( a t ) 合 金薄膜的垂直膜面方向的矩形比随着沉积温度的升高由o 5 7 3 下降到0 3 0 2 。表 3 4 中所示的薄膜的饱和磁化强度与沉积温度的关系如图3 1 9 所示，随着沉积温 度的升高，c o 1 8 v ( a t ) 合金薄膜的垂直膜面方向的饱和磁化强度呈现上升的 趋势。 基片温度对磁学性能产生影响的主要原因是沉积时温度的升高改变了薄膜 的内部结构，进而改变了薄膜的磁学性能。在较低温度下沉积薄膜时，由于原子 扩散缓慢，所以一般薄膜会呈针状或晶粒细小的柱状结构，这样的薄膜就会有很 好的垂直膜面方向的磁学性能。当温度升高后，从热力学角度讲有利于薄膜两相 分离更加充分的发生，但是同时也使得原子扩散变得非常活跃，导致了薄膜内晶 粒的急剧长大，图3 6 所示的沉积温度与组织形态的变化规律也证实了这一点。 粗大的晶粒会恶化薄膜的磁学性能，因为薄膜垂直方向上磁畴的退磁场变大。另 外，扩散的加剧也不利于薄膜的定向生长。温度升高后，薄膜内原子能量增加更 容易形成类似体材料的多种晶面的晶体结构，而不是选择能量最低晶面的定向生 长方式，或者说会减少部分择优生长的晶面。如图3 5 所示，当沉积温度升高后， 薄膜的h c p ( 0 0 2 ) 衍射峰值急剧的下降。 图3 2 0 ( a 卜( d ) 是c o 一2 1 v ( a t ) 在3 2 3 k ，4 2 3 k ，5 2 3 k 和6 2 3 k 温度下沉 积的薄膜的垂直方向的磁滞回线。从图中可以看出c o 2 1 v ( a t ) 薄膜在常温下 沉积时的矫顽力比较低，仅为1 2 5 0 0 e ，当温度为4 2 3 k 时达到最大值2 2 5 0 0 e ， 5 2 厦门大学硕士学位论文 当温度升高到6 2 3 k 时薄膜的矫顽力仅为1 6 5 0 0 e ，呈现下降趋势。图3 2 0 ( a 卜( d ) 中所示的磁学性能参数如表3 5 所示。表3 5 中c o 2 1 v ( a t ) 薄膜的矫顽力与 沉积温度的关系如图3 2 1 所示，从图中可以清晰的看出，c o 2 1 v ( a t ) 薄膜的 矫顽力值随温度的变化趋势，3 2 3 k 沉积的c o 2 1 v ( a t ) 薄膜矫顽力比较低， 仅为1 2 5 0 0 e ，当沉积温度升高到4 2 3 k 时达到最大值2 2 5 0 0 e ，当温度升高到6 2 3 k 时薄膜的矫顽力反而下降为1 6 5 0 0 e 。造成上述变化趋势的原因可能是因为在常 温下由于v 含量太高而扩散又很缓慢导致磁性相含量变少，所以矫顽力很低如 图3 2 0 ( a ) 。当温度升高后扩散加剧，薄膜组织达到了比较稳定的两相分离状态， 所以矫顽力大幅度的增加如图3 2 0 ( b ) ，温度继续升高后薄膜的针状组织遭到破 坏反而导致其矫顽力下降。 7 5 0 5 0 0 2 5 0 口 u 、 誊 o o 、一 窆 2 5 0 5 0 0 7 5 0 强 萨甲 。 刍 蝌。 j 。 t 一 p e r p e n d j c u l a r - _ i np l a n e 8404 8 m a g n e t i cf i e l d ( k - o e ) 图3 1 6 ( a ) 在3 2 3 k 下沉积的c o 一1 8 v ( a t ) 薄膜的磁滞回线 厦门大学硕士学位论文 1 o o 5 ，- 、 u u 、 皇 窘0 0 l 、- _ ， 窨 o 5 - 1 o ( b ) c o - 1 8 v ( a t ) t = 4 2 3 k 矿歹 乃力 乡 j j 。 _ _ _ - - _ _ _ _ - - p e r p e n d i c u l a r _ 。i np l a n e - 8- 4048 m a g n e t i cf i e l d ( k o e ) 图3 1 6 ( b ) 在4 2 3 k 下沉积的c o 一1 8 v ( a t ) 薄膜的磁滞回线 1 o o 5 ，_ 、 u u 、 昌 磊0 0 卫 、- 一， 窆 o 5 一1 o ( c ) c o - 1 8 v ( a t ) j t = 5 2 3 k ； 一 j 。 j j ， j y j。l i p e r p e n d i c u l a r - _ _ - _ i np l a n e - - 8 4048 m a g n e t i cf i e l d ( k o e ) 图3 1 6 ( c ) 在5 2 3 k 下沉积的c o 1 8 v ( a t ) 薄膜的磁滞回线 厦门大学硕士学位论文 ，、 u 之 皇 昌 。 量 、- ， 窆 1 5 1 o o 5 o o o s 一1 0 1 5 ( d ) c o - 1 8 v ( a t 哟 。 衫1fli t = 6 2 3 k 彳 。 沙。 j 。 纱 ， _ - - - i np l a n e _ _ p e r p e n d i c u l a r 8 4048 m a g n e t i cf i e l d ( k - o e ) 图3 1 6 ( d ) 在6 2 3 k 下沉积的c o 一1 8 v ( a t ) 薄膜的磁滞回线 表3 4c o - 1 8 v ( a t ) 在不同温度下沉积的薄膜的垂直膜面的磁学性能参数 5 5 厦门大学硕士学位论文 兮 。 苫 雹 t s ( k ) 图3 1 7 沉积温度对薄膜垂直膜面方向的磁滞回线矫顽力的影响 们 毫 窆 t s ( k ) 图3 1 8 沉积温度对薄膜垂直膜面方向的磁滞回线矩形比的影响 5 6 厦门大学硕士学位论文 ，一- 、 u 鼍 昌 o 、- 一 的 窆 t s ( k ) 图3 1 9 沉积温度对薄膜垂直膜面方向的饱和磁化强度的影响 m a g n e t i cf i e l d ( k o e ) 图3 2 0 ( a ) 在3 2 3 k 下沉积的c o 2 1 v ( a t ) 薄膜的垂直方向的磁滞回线 5 7 厦门大学硕士学位论文 3 0 0 谷 u 毫 o q 、 窆 3 0 0 6 0 0 9 0 0 一一 1 51 05o51 01 5 m a g n e t i cf i e l d ( k o e ) 图3 2 0 ( b ) 在4 2 3 k 下沉积的c o - 2 1 v ( a t ) 薄膜的垂直方向的磁滞回线 7 5 0 5 0 0 2 5 0 ，- 、 u u 蚕 o o 窆 - 2 5 0 7 5 0 玲7 厶 - 一 ， -8404 8 m a g n e t i cf i e l d ( k o e ) 图3 2 0 ( c ) 在5 2 3 k 下沉积的c o - 2 1 v ( a t ) 薄膜的垂直方向的磁滞回线 5 8 厦门大学硕士学位论文 7 5 0 5 0 0 2 5 0 0 2 5 0 5 0 0 7 5 0 7 易 毒一。 8 4048 m a g n e t i cf i e l d ( k - o e ) 图3 2 0 ( d ) 在6 2 3 k 下沉积的c o - 2 1 v ( a t ) 薄膜的垂直方向的磁滞回线 表3 5c o 一2 1 v ( a t ) 薄膜在不同温度下沉积薄膜的垂直膜面的磁学性能参数 5 9 厦门大学硕士学位论文 t s o o 图3 2 1 沉积温度对c o - 2 1 v ( a t ) 薄膜垂直膜面方向的磁滞回线矫顽力的影响 从上述结果中可以看出，基片温度对其磁学性能和组织结构有着很大的 影响。太高的沉积温度对薄膜的垂直膜面的磁学性能产生不利的影响，因为温度 的增加使薄膜组织变得粗大。但温度太低则会影响薄膜组织的热力学平衡，使其 无法形成两相分离的组织。因此c o v 合金薄膜的最佳沉积温度宜为3 2 3 k 4 2 3 k 之间。 3 5 3 薄膜厚度对磁学性能的影响 对于磁性薄膜，退磁场对其磁学性能有很大的影响，而退磁场又与磁畴的形 状息息相关【l 】。垂直磁记录薄膜要求垂直膜面方向上磁畴的退磁场为0 ，相应磁 畴的垂直膜面方向的尺寸要远大于其面内方向的尺寸，比如磁畴是细长的针状或 者柱状。所以从这个角度讲薄膜的厚度越厚越有利于薄膜的垂直磁记录性能。但 是，随着薄膜厚度的增加，晶粒也会随之长大，生长初期的柱状结构会遭到破坏。 而且磁畴之间也会产生耦合作用。这样磁畴面内的尺寸反而会大于垂直膜面方 向，所以会使垂直磁记录性能变差。 厦门大学硕士学位论文 图3 2 2 ( a ) - - - ( d ) 是在5 2 3 k 下沉积的不同厚度的c o 1 4 7 v ( a t ) 薄膜的磁滞 回线。薄膜垂直膜面的矫顽力随着薄膜厚度的增加由1 5 4 8 0 e 下降到1 0 4 0 0 e ，而 且其垂直膜面方向的磁滞回线的矩形比( m r | m s ) 也随之由o 5 l 降为o 2 0 ，但是 薄膜垂直膜面方向的磁滞回线的饱和磁化强度却有所增加。图3 2 2 ( 妒( d ) 中所 示的磁学性能参数值如表3 6 所示。表3 6 中所示的矫顽力与膜厚的关系如图3 2 3 所示，从图中可见，c o 1 4 7 v ( a t ) 合金薄膜的矫顽力值随着膜厚的增加而下 降。表3 6 中所示的薄膜的磁滞回线的矩形比与膜厚的关系如图3 2 4 所示，图中 显示c o 1 4 7 v ( a t ) 合金薄膜的磁滞回线的矩形比随着膜厚的增加而呈现下降 的趋势。表3 6 中所示的薄膜的饱和磁化强度与膜厚的关系如图3 2 5 所示，薄膜 的饱和磁化强度随着膜厚的增加先增大后减小，当膜厚为3 4 2 n m 时达到最大值 1 6 5 0 ( e m u c c ) 。导致上述趋势的原因是由于薄膜的厚度增加导致了薄膜晶粒的 长大，破坏了其柱状结构。另外，磁畴之间产生了耦合作用也是其垂直膜面的磁 学性能变差的一个因素。 勺 之 = 昌 。 五 、_ ， 窆 一o 8 ( a ) c o - 1 4 7 v ( a t ) t = 5 2 3 k t h i c k n e s s = 1 6 8 n m 勿 一 i 。 j i j j 。 么乡 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ p e r p e n