（材料学专业论文）垂直取向copt纳米复合膜超高密度垂直磁记录介质的研究.pdf

摘要 随着记录密度的进一步提高，传统的磁存储以及光存储受n t 超顺磁效应及光学衍射 极限等问题的限制，热辅助磁记录以及垂直磁记录等技术有望实现超高密度磁记录。正1 。 结构的c o p t ( f e p t ) 合金具有高达5j c m 3 ( 6 6 1 0j c m 3 ) 的垂直磁各向异性能，因此很适合 作为热辅助磁记录以及超高密度垂直磁记录介质材料。本文采用磁控溅射的方法制备了一一 系列c o p t 纳米复合膜，并结合热辅助磁记录以及超高密度垂直磁记录介质的特性做了一一 系列的研究，得到了一系列有意义的结果。 ( 1 ) 采用磁控溅射多层膜先驱体结合真空退火的方法制备了c o p t c u 纳米薄膜，并研 究了退火温度等制备条件对薄膜结构与性能的影响。研究表明，退火后的c o p t c u 纳米薄 膜在常温下具有很大的矫顽力l - i t ( 9 1k o e ) 以及很高的饱和磁化强度m s ( 6 0 0 e m u c m 3 ) ，能够 很好地满足热辅助磁记录方式对记录介质在常温下的部分要求，但其温度特性以及其它性 能还有待进一步研究。 ( 2 ) 作者采用a g 作为非磁性基质，利用磁控溅射的方法制( c o p t a g ) n 多层膜， 退火后得到了垂直取向的c o p t - a g 纳米复合膜，并就薄膜厚度以及组分、a g 含量以及退 火工艺对薄膜结构与性能的影响做了细致的研究。为了进一步降低薄膜的相变温度，我在 垂直取向c o p i a g 纳米复合膜的基础上掺杂少量的c u ，在获得垂直取向的基础上有效地降 低了薄膜的相变温度。 关键词：热辅助磁记录；垂直磁记录：c o p t 纳米复合膜 a b s t r a c t w i t ht h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fr e c o r d i n gd e n s i ty , t r a d i t i o n a lm a g n e t i cs t o r a g ea n do p t i c s t o r a g e w i l lb er e s t r i c t e d b y s u c h q u e s t i o n s a s s u p e r p a r a m a g n e t i ce f f e c t a n dd i f f r a c t i o n l i m r a t i o n ，e t c a sap r o m i s i n gu l t r a h i g hd e n s i t yr e c o r d i n gt e c h n o l o g y , h e a t - a s s i s t e dm a g n e t i c r e c o r d i n ga n dp 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 gh a v ea t t r a c t e di n c r e a s i n ga t t e n t i o n s s p u t t e r d e p o s i t e dn a n o c o m p o s i t e sc o n s i s t i n go fc o p t ( o rf e n ) p a r t i c l e s ，w i t ht h eh i g hm a g n e t i c a n i s o t r o p yl i os t r u c t u r eh a v ea t t r a c t e da t t e n t i o nd u et ot h e i rp o s s i b l eu s ea su l t r a h i g hd e n s i t y r e c o r d i n gm e d i a i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ep r e p a r e das e r i e so f ( ；o p tb a s e dn a n o c o m p o s i t ef i l m s a n di n v e s t i g a t e dt h em i c r o s 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 so fc o p tb a s e dn a n o c o m p o s i t e f i l m sb e c a u s eo ft h e i rp o t e n t i a lu s ef o rh 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 go rp e r p e n d i c u l a r m a g n e t i cr e c o r d i n gm e d i a as e r i e so fi n n o v a t e dc o n c l u s i o n sa n dr e s u l t sw e r eo b t a i n e d f i r s t l y , as e r i e so fc o p t c uf i l m sw e r ef a b r i c a t e db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n ga n dt h ee f f e c to f a n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h es 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 sw a ss t u d i e d w eh a v ef o u n dt h a t s p u t t e rd e p o s i t e dc o p t c uf i l m s ，w i t hh i g hc o c r c i v i t ya n dh i g hm a g n e t i z a t i o na t r o o m t e m p e r a t u r e ，h a v es a t i s f i e ds o m er e q u i r e m e n to fh 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 gm e d i a b u t s o m em a g n e t i cp r o p e r t i e ss u c ha st h ed e p e n d e n c eo fm a g n e t i z m i o no nt e m p e r a t u r ew i l lb es t u d i e d f u r t h e r s e c o n d l 5w ec h o o s e da ga st h en o n m a g n e t i cm a t r i xa n dp r e p a r e dc o p t a gn a n o c o m p o s i t e f i l m sb yd c s p u t t e r i n gu s i n g ( c o p t a g ) 3m u l t i l a y e rp r e c u r s o rt e c h n i q u e s ，( 0 0 1 ) t e x t u r e dc o e t a g f i l mh a sb e e na c h i e v e ds u c c e s s f u l l y t h ed e p e n d e n c eo ft e x t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so nf i l m t h i c k n e s s ，a ga t o m i cf r a c t i o na n da n n e a l i n gc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l t h e n ，l i t t l ec u a d d i t i v ew a sa d d e di n t ot h ec o p t a gf i l m sa n dt h ee f f e c to fc ua d d i t i v eo nll op h a s eo r d e r i n g t e m p e r a t u r ew a si n v e s t i g a t e d b yc o n t r o l l i n gt h ec o n t e n to fa ga n dc ui nt h ef i l m ，w ea c h i e v e d l o w - t e m p e r a t u r eo r d e r e dc o p t c u ：a gn a n o c o m p o s i t e f i l m sw i t h ( 0 0 1 ) t e x t u r e k e y w o r d s ：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 ；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 p tn a n o c o m p o s i t e s 1 1 引言 第一章绪论 自从1 8 9 8 年丹麦人浦尔生( p o u l s e n ) 制造了第一台磁记录仪器开始，磁记录的发展已有 1 0 0 多年的历史，2 1 世纪，随着计算机技术的飞速发展，其突出表现是信息总量和信息交 换速度的剧增，因此，发展高密度存储技术日趋重要。近年来，传统存储记录技术的性能 越来越高，新型存储记录技术不断涌现，信息存储已经成为当前信息技术中最活跃的领域 之一。作为一门传统的存储记录技术，磁记录设备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。 在当今的各种信息存储技术中，磁记录技术仍然是最重要的存储记录技术【l 】。 1 9 5 6 年世界上第一台磁盘驱动器容量为5 m b ( 2k 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( 即单位面积的记录位数目) 就得到了突飞猛进的增长，硬盘面l 己 录密度已较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 】；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 的增长速度向上增长 4 】；1 9 9 8 年 i b m 公司将自旋阀巨磁i i l l ( g i a n t m a g n e t o r e s i s i f t 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 的速度增长【5 ，6 1 。最近，日本富士通公司应用 s f m f s y n t h e f t cf e r r o m a g n e r 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 的磁记录介质 并已用于实际硬盘生产中，他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 】； 美国的n s i c ( n a t i o n a ls 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 t t e r nm e d i a 和光磁混合存储技术等，硬磁盘的面密度和容量还将 得到进步提高。 l 。2 磁记录原理及其对介质的要求 如图1 1 是磁记录原理图。硬磁盘系统一般由以下三部分组成：1 ) 数据处理和传输系 统；2 ) 机械伺服及其控制系统：3 ) 硬盘盘片及读写磁头。记录信息由安装在磁性介质 上的写磁头完成。在信息记录过程中，盘片将以恒定的高速度运转，读写磁头臂将带动 磁头沿着盘片的径向移动。读磁头的径向移动，可以让我们直接读取每个盘片的任意道的 信息，提高数据读取速率。信号的写入是由电磁感应线圈磁头完成的，信号的读出采用的 则是g m r 磁头。数字信号在一定间隔的时钟信号下发生变化，当数字信息为“1 ”时使 记录电流反向，为“0 ”时记录电流不反向。这个变化的电流加到磁头线圈中，使记录磁 头的软磁磁芯被磁化到饱和状态。在磁头的软磁芯闭合磁路中，有一条数微米以下的极窄 的气隙。磁头线圈中的电流一旦发生变化，气隙所产生的漏磁场极性也随之改变。若使记 录介质以一定速度移动，记录介质上的磁性层将被磁化。若姆磁化状态用磁化矢量直观地 加以表示，在记录介质中被磁化的磁化矢量方向与介质移动方向就会一致或反向。磁化的 极性翻转即反映被记录的信息。不同的磁化方向之间存在一过渡区间。过渡区间越窄其记 录密度越高。 t 记录的搬小永蕾体 1 3 硬盘的发展概况 一a v a 二磊 图1 1 磁记录原理图 从1 9 5 6 年第一次引入计算机系统起，硬磁盘的应用已近半个世纪。近年来，硬磁盘在 技术上取得了惊人的发展，主要表现在以下2 个方面： 首先，硬磁盘的记录密度不断提高，存储容量越来越大。记录密度的提高是硬磁盘发 展的主线和基础。从上世纪9 0 年代起，硬磁盘的面记录密度一直以6 0 1 0 0 的年增长 2 率快速增加。当今商品硬磁盘系统的工作面密度已高达3 0 6 0 g b i n 2 。实验室研究的面记 录密度己突破1 0 0 g b i n 2 大关。2 0 0 0 年，i b m 实现了1 0 3 g b i n 2 的面记录密度； 2 0 0 1 年8 ) f u j i t s u 宣布硬盘面记录密度j 2 竖t j l 0 6 g b i n 2 ；2 0 0 2 年4 月底，r e a d r i t e 公司宣布其硬盘面密 度达到1 3 0 g b i n 2 ；到2 0 0 2 年5 月1 0 h ，f u j i t s u 3 ( 宣布其利用c p p 超级g m r 磁头和垂直记录技 术达到了3 0 0 g b i n 2 的面记录密度；2 0 0 2 年1 1 月，s e a g a t e 也采用垂直记录技术实现1 0 0 g b i n 2 的面记录密度。面记录密度的提高为减小磁盘尺寸和提高硬磁盘驱动器的记录容量奠定了 基础。目前，主流硬磁盘的盘片数量一般为单片或两片。1 9 9 8 1 9 9 9 年，主流硬磁盘的记录 容量一般为4 - - 8 g b ，而当前商用主流硬盘的容量已提高到2 0 8 0 g b ，1 2 0 1 8 0 g b 的硬磁盘 也已经上市。2 0 0 2 年下半年，m a x t o r ( j 叵拓) 公司已经推出了目前存储容量最高 m a x t o r 5 0 0 0 x t 硬磁盘，其存储容量达到2 5 0 g b 。最近f u j i t s u 推出世界上第一台存储容量为8 0 g b 的2 5 英寸硬磁盘驱动器，到年底存储容量1 2 0 g b 的2 5 英寸驱动器有望上市。图1 2 列出了 近年来硬磁盘面记录密度的进展情况【10 l 。 时同 公创 碰密度( a 耐i 一) 数传率( w 匐 线密度( k t 啊)道密度( 蛳o矫顽力( k m ) 1 9 9 8 9g e a d - r i t e 1 3 51 9 54 2 7 3 1 32 2 52 1 9 9 9 p + i t m 2 0 1 9 9 9 15 r i n d - r a t e2 091 7 5 4 8 04 3 - 5 1 9 3 - 9 1 9 9 9 j7 s e a 群e 2 3 8 1 9 9 9 8 r e a d - r i k2 6 52 3 0 5 0 45 2 6 1 9 8 9 1 9 9 9 袱蛐 3 5 3 3 8 9 - 9 1 9 9 9 1 1r e a d - r i t e3 6 0 1 7 35 1 1 7 0 42 5 4 - 6 2 0 0 3r e a d - r i t e5 0 2 1 4 0 5 5 29 0 - 92 9 2 - 0 2 0 0 0 1 0 r e a d - r i t e6 3 21 6 06 0 0 1 0 5 ，3 1 0 - 4 2 0 0 0 4 脚t m 5 6 0 8 0 8 2 2 0 0 0 瑁m1 0 3 4 0 62 5 4 2 9 6 - 0 2 l ，3f 城畦蚍 1 0 6 41 2 9 3 7 5 01 4 19 3 1 6 1 2 0 0 2 4 r e a d - f a t e1 3 0 3 1 8 3 2 0 0 2 ；5f 啦m300翻l记礅 ! 竺! !塑壁! 竺羔墅! 兰一 图1 2 近年来硬盘面记录密度的主要进展 其次，硬磁盘的数据传输率也越来越高。磁盘的数据传输率为线记录密度、磁道直 3 径和磁盘转速的乘积。近年来，磁盘转速已从5 4 0 0 r r a i n 、7 2 0 0 r m i n 提高多j l o o o o r m i n 以 上。s e a g a t e ，f u j i t s u ，i b m 等公司已经在多款硬磁盘产品中采用了1 0 0 0 0 r m i n 和1 5 0 0 0 r r a i n 的转速，使平均寻道时间降低至l j 3 - - 5 m s ，这就为数据传输率的提高创造了条件。尽管现在 磁盘盘径越来越小，但由于线记录密度和磁盘转速的提高，使数据传输率获得不断提高。 从上世纪9 0 年代以来，数据传输率的年增长率一直在4 0 以上。1 9 9 9 2 0 0 0 年，f u j i t s u 和 i b m 分别实现了3 6 0 m b s 和4 8 0 m b l s 的数据传输率；之后，r e a d r i t e 、g u z i kg t j s e a g a t e 均通 过实验验证了1 1 0 g b s 的数据传输率。采用- 8 十称之为倾斜垂直磁记录的记录系统，数据传 输率达到了l l s g b s 。目前，商品硬磁盘的最高数据传输率已经达到l o o m 剧s ( 8 0 0 m b s ) 以 e 。 1 4磁记录技术面临的问题 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着诸多挑战。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， 退磁场点豫。cm r t h c ( h c 为介质的矫顽力， f ，为介质的剩余磁化强度，f 为介质磁层厚度， m r l 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h c , 减薄 磁层厚度t ( 降低m r f ) 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i y , s n r ，而信噪i ：h s n r 随n “2 的增大和胁7 的减小而增加( n 为每一记录位中的晶粒数) 【1 1 】。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。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，晶粒的热衰减时间： t = 1 0 。9 e x p ( k u v k t ) 式d o k u 和y 分别为晶粒的单轴各向异性常数和晶粒的体积，七为波尔兹曼常数，t 为温度。 k u v k t 称之为能垒或稳定性参数。为了保证介质中晶粒磁化状态的稳定，应保持较高的 4 胁m 赠，一般认为其数值应大于4 0 1 1 2 ，1 3 】。由于胁值的增加受写磁头磁场的限制，所以从热 稳定性的角度考虑，晶粒体积环能太小。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。因此，记录密度极限是必然存在的。但 是这一极限的具体范围又是与磁记录相关技术的发展水平有关的。上世纪9 0 年代后期，世 界上很多知名的物理学家认为，对于单纯的磁记录技术来说，其超顺磁效应的上限约为 2 0 4 0 g b i n 2 。但目前商品硬磁盘的面记录密度已经达到3 0 6 0 g b i n 2 ，实验室研究的硬磁 盘的面密度已突破1 0 0 g b i n 2 的大关。据业内专家的最新预测，对单纯的磁汜录而言，纵向 记录的密度上限可能在2 5 0 5 0 0 g b i n z , 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至l j l t b i n 2 以上。 1 5 高密度记录技术的发展 为了改善介质在高密度条件下的热稳定性，曾先后提出了采用软磁阻挡, l 主( k e e p e r l a y e r ) 减d , 记录位内退磁场的阻挡层介质和热辅助写入【1 5 1 等方法，最近又提出了一种称 之为铁磁耦合介质【1 t ”1 的方法，对改善介质的热稳定性具有显著的效果。 1 5 1 反铁磁耦会介质 反铁磁耦合介质是由两层( 或多层) 被非磁耦合层相隔离的磁性层构成的，上磁性层为 主记录层( m 乙) ，下磁性层为稳定层( s l ) 。由于铁磁稳定层的反铁磁耦合作用，复合介质的总 面磁矩肘，f = ( m r t ) 讹( m r t ) 皿。这表明，在没有降低主磁层厚度或磁化强度的条件下减 小了复合磁层的总的m n ，从而降低了退磁场，增加了记录信息的稳定性，同时也提高了 介质的信嗓比。同样，由于主磁层和稳定层之间的交换耦合作用，也提高了复合系统的有 5 效体积。假设主磁层和稳定层的磁性颗粒的稳定性参数分别为翩_ 扎和i c c s l ，则复合磁层的 稳定性参数 将在觚 5 5 0 。c ) t 4 2 。删。在多层膜经退火后形成 的f e p t b 2 0 3 复合膜中实现了( 0 0 1 ) 取向生长，通过控制b 2 0 3 层初始厚度、f e p t 颗粒中f e 的含量，经5 5 0 。c 退火的样品可以获得几乎完美的( 0 0 1 ) 取向，同时垂直方向肌超过9k o e ， 从约6 0 0e m u c c ，s 几乎为1 。与之类似，激光沉积的f e p t a g 多层膜经5 4 0 6 5 0 。c 退火也 可实现( 0 0 1 ) 取向，并获得1 0 7 e r g c c 量级垂直各向异性常数，颗粒尺寸小于1 0n m ，只是采 用的是m g o ( 1 0 0 ) 衬底。对于c o p t 基纳米复合膜，在经6 0 0 。c 退火的c o p t a g 多层膜系统 中也得以实现( 0 0 1 ) 取向，所获得的垂直方向风约4 2k o e ，m s 约4 0 0e m u c c ，s 约0 9 【4 5 j 。 1 7 本文研究的内容及意义 高密度磁记录薄膜材料介质的研究是一个很有意义的研究课题，高密度磁记录介质的 结构与性能的研究对于目前硬盘技术的发展和实用化有着极其重要的意义。本文以此作为 硕士学位的研究课题，结合国家自然科学基金项目“取向受控的f e p t 和c o p t 纳米复合膜 超高密度垂直磁记录介质的研究”以及湖北省教育厅重大项目，采用磁控溅射的方法制备 了一系列c o p t 基纳米复合膜，并结合热辅助磁记录、超高密度垂直磁记录等记录方式对 记录介质性能的要求，研究了c o p t 基纳米复合膜的结构与性能，并取得了一系列有意义 的结果。本文的研究内容主要为以下两个方面： ( 1 ) c o p t c u 纳米薄膜热辅助磁记录介质的研究：在这个部分，作者采用磁控溅射多层 膜先驱体结合真空退火的方法制备了c o p t c u 纳米薄膜，并研究了退火温度等制备条件对 薄膜结构与性能的影响。研究表明，退火后的c o p t c u 纳米薄膜在常温下具有很大的矫顽 力h c ( 9 1k o e ) 以及很高的饱和磁化强度m s ( 6 0 0 e m u c m 3 ) ，能够很好地满足热辅助磁记录方 式对记录介质在常温下的部分要求，但其温度特性以及其它性能还有待进一步研究。 ( 2 ) 低相变温度垂直取向c o p t 基纳米复合膜超高密度垂直磁记录介质的研究：在这 个部分，作者采用a g 作为非磁性基质，利用磁控溅射的方法制备t ( c o p t a g ) n 多层膜， 退火后得到了垂直取向的c o p t a g 纳米复合膜，并就薄膜厚度以及组分、a g 含量以及退 火工艺对薄膜结构与性能的影响做了细致的研究。为了进一步降低薄膜的相变温度，作者 在垂直取向c o p t 。a g 纳米复合膜的基础上掺杂少量的c u ，并重点研究了薄膜中c u 掺杂薄 膜相变温度的影响，通过优化薄膜中a g 以及c u 的含量，成功得到了低相变温度并且垂 直取向的c o p t 基纳米复合薄膜。 2 1 引言 第二章c o p c c u 纳米复合膜热辅助垂直磁记录介质的研究 随着记录密度的进一步提高，传统的磁存储以及光存储受到了超顺磁效应及光学衍射 极限等问题的限制。热辅助记录技术可以从另外的角度实现超高密度记录的目标。最近， 世界最大的硬磁盘驱动器制造商之一的s e a g a t ef 希捷) 科技提出一种称之为热辅助磁记录 ( 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 ，h a m s ) 的居里点记录技术。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。介质材料的 矫顽力较低时，容易记录，但信号不稳定；相反，当介质材料的矫顽力较高时，记录信号稳 定，介质要求记录磁头具有强度更高的记录磁场，采用传统磁头几乎不可能完成记录。对 于高矫顽力介质，在记录过程中，如果采用激光照射等手段将记录介质上一个非常小的区 域瞬时加热，使其温度达到居里点附近，由于介质的矫顽力降低，容易用记录磁场相对较 低的磁头在该位置记录位信息。当热源除去以后，随着记录区域的冷却，该记录区域将很 快恢复到原来的高矫顽力状态，所以该记录位将是非常稳定的。采用这种方法既可以克服 高矫顽力介质记录的困难，又能改善信息位的热稳定性，从而获得非常高的面记录密度。 本章采用磁控溅射结合真空退火的方法制备t c o p t c u 纳米复合膜，针对热辅助磁记录 方式对记录介质的要求，着重研究了薄膜组分以及退火温度等对薄膜结构以及性能的影 响。 2 2 热辅助磁记录方式对记录介质的要求 根据热辅助磁记录方式的特点，这种记录方式对介质有特殊的要求： ( 1 ) 具有较高的饱和磁化强度m s ( 室温) ，具体是具有较大的m r ( m r 为剩余磁化强度， 为膜层厚度) 。该值大，有利于g m r 磁头读出和此后的信号处理； ( 2 ) 在室温下有较高的矫顽力h c ，由于最小记录畴稳定尺寸d 是与1 m s 4 h c 成比例，因 此h c 越高，最小稳定畴尺寸d 越小，从而有可能得到更高的记录密度。 ( 3 ) 具有适合光磁写入的温度特性，即室温下h c 很高，而当激光照射加热后，在m s 基本不变的情况下，h c 能很快下降，一般在t s u b = 2 0 0 - 3 0 0 。c 时，h c 降至2 0 0 0 - 3 0 0 0o e ，便 1 4 于记录。 当前已有的记录介质中，能同时满足以上三方面要求的很少。国际上目前提出用于热 辅助磁记录的介质，大部分是沿用己有的磁光记录和硬盘记录介质材料，为适合热辅助磁 记录作了一些修改。这些材料对混合记录的读写头及驱动系统等的要求很高，使得目前热 辅助磁记录仍停留在方案的研讨和实验室研究阶段。因此，研究更适合于热辅助混合磁记 录的介质和盘片是实现热辅助磁记录的重要基础。 国外用于热辅助磁记录的稀土一过渡系材料主要是在用于磁光记录的重稀土一过渡 系( h r e t m ) 材料的基础上进行改进的，重稀土一过渡系( h r e r i m l 非晶垂直磁化膜具有很 好的磁光读写特性和磁光温度特性，在室温下具有很高的h c , 并在激光照射下h c 能迅速下 降。它是亚铁磁性介质，调整成分至补偿点附近后，m s 降得很低，约l o o e m u c m 3 左右，容易形 成垂直磁化膜。由于在磁光盘中，采用的是磁光克尔效应读出，因此m s 低不影响其读出。但 作为热辅助磁记录介质，由于采用g m r 磁头读出，m s 很低( 目l l m r 很小，信号很微弱) ，这对磁 头的灵敏度提出了很高的要求。 出于热辅助磁记录采用的是热磁写入法，对于热辅助磁记录介质来说，除了保证磁各 向异性常数k u 高、矫顽力h c 大、饱和磁化强度高以外，还必须保证介质具有良好的温 度特性，即要求介质具有居里温度合适，激光加热时响应速率快，温度场分布好，耐擦写 次数高的特点。另外由于采用垂直磁记录方式，除了满足以上要求外，还必须控制薄膜取 向使磁化易轴方向垂直于膜面方向。 2 3c o p t c u 纳米复合膜热辅助磁记录介质的研究 三1 0 结构的c o p t ( f e p t ) 合金具有高达5j c m 3 ( 6 6 1 0j c m 3 ) 的垂直磁各向异性能，在 室温下具有较高的饱和磁化强度( m s ) 以及高的矫顽力( h 0 。如图2 ，1 所示，l o 结构的c o p t 是一种有序的正方相，c 轴比a 轴短，沿c 轴方向c o 原子和p t 原子交错排列，c 轴为磁 化易轴方向。通常制备态的c o p t 薄膜多为面心立方( f c c ) 结构，表现为软磁性，x r d 衍射 谱为f 1 1 1 ) 结构，需要通过加热或退火的方法得到有序的1 0 结构，即面心四方( f c t ) 结构。 图2 2 为f c t 结构的c o p t 的x r d 标准谱，其( 0 0 1 ) 衍射峰为该结构的特征峰。对于c o p t ( f e p t ) 合金来说，居里温度较高，但根据文献报道，可以通过沉积f e r h 底层或者掺杂等方法来 降低其居里温度 4 6 - 4 7 1 。由于c 轴为其磁化易轴方向，所以对于垂直磁记录方式来说，( 0 0 1 ) 取向也是必要的。 图2 1c o 、p t 原子的有序化排列形成四方l 1 0 相 2 0r d e g r e e ) 图2 2l 1 d 结构c o p t 的x r d 谱 奉实验采用中科院沈阳科学仪器研制中心生产的j g p 5 6 0 型高真空多功能磁控溅射 系统，溅射气体为9 9 9 的高纯a r 气，靶材为9 9 9 的c o 靶、c u 靶阱及大小均匀的p l 片，溅射气压为0 5 p a ，基片为表面有一层8 0 n m 厚的s i 0 2 的s i ( 1 0 0 ) 单晶硅片。我们将 p t 片均匀地放在c o 靶上共溅生成c o p t 合金，以( c o p t c u ) 3 多层膜的形式溅射沉积 r c o p t c u ) 3 多层膜，然后真空退火得到c o p t c u 纳米薄膜。在制备过程中通过控制溅射时 -弓石吾蜀cm芑一 间来控制各层厚度以及组份，然后将制备的( c o r t c u ) 3 多层膜在低于1 0 。p a 的真空环境下 退火。用b r u k e rd 8x 射线衍射仪( x r d ) 对晶体结构进行表征，用振动样品磁强计( v s m l 对样品的磁性进行了测量。 通过拟合卢瑟福背散射谱( r b s ) 实验数据可以得到薄膜的厚度、组分以及元素分布等 信息。图2 3 为经6 4 0 0 c 退火后的c o p t c u 样品的卢瑟福背散射谱，采用s i m n r a 程序对 实验数据进行拟合得到薄膜的组分为c 0 4 1 p t 4 9 c u 】o ，厚度为1 6 n m 。样品退火前后的卢瑟福 背散射谱( r b s l 实验数据表明，退火前制各态样品为( c o p t c u ) 3 多层膜结构，退火后 f c o p f f c u ) 3 多层膜结构被打破，形成了c o p t c u 纳米复合膜。 c h a n n e l 图2 36 4 0 0 c 退火后的样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 卢瑟福背散射谱 通常制备态的c o p t 薄膜多为面心立方( f c c ) 结构，表现为软磁性，x r d 衍射谱为( 1 1 1 ) 结构。图2 4 为样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 在6 4 0 0 c 退火2 0r a i n 后的x r d 图谱，从图可以看出， 6 4 0 0 c 退火以后出现了很强的( 0 0 1 ) 超晶格衍射峰，表明退火后薄膜已经转变为f c t 结构。 而且对比c o p t 的标准衍射卡，发现3 个主要的衍射峰都出现了不同程度的偏移，而且从 衍射谱上未见有c u 单质的衍射峰，初步判断c u 退火以后与c o p t 退火以后生成了c o p t c u 固溶体，从而导致f c t 结构的c o p t 晶粒的晶格常数发生改变，这一点在下面的章节得n t 证明。从图2 4 还可以看出，( 0 0 1 ) 以及( 0 0 2 ) 等( o o l ) 系列峰很强，而( 1 1 1 ) 峰相对较弱，这 说明退火后c o p t c u 已经转变为f c t 结构，并且薄膜沿( 0 0 1 ) 取向生长。图2 5 、图2 6 分别 为样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 在6 8 0 。c ，7 2 0 。c 退火2 0m i n 后的x r d 图谱。该样品在三个不同温度 _jie一协_c：oo 退火后的x r d 图谱被集成在图2 7 中，如图2 7 所示，当退火温度从6 4 0 0 c 升高到6 8 0 。c 时，( 0 0 1 ) 衍射峰与( 1 1 1 ) 衍射蜂的强度比，p 0 1 ) 饿1 1 1 ) 劐c ，这说明( 0 0 1 ) 取囱更加明显，但 当退火温度进一步升高到7 2 0 0 c 时，( 1 1 1 ) 峰更加尖锐，( 0 0 1 ) 峰与( 1 1 1 ) 峰的强度比 i ( 0 0 1 ) i ( 1 1 1 ) 反而交小，这说明( 0 0 1 ) 取向变差，这町能是由于退火温度过高薄膜中颗粒过 分长大后并相互粘连，颗粒过大，薄膜沿( 1 1 1 ) 择优取向以降低表面自由能。 2 0 ( d e g ) 图2 4 样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 在6 4 0 。c 退火2 0r a i n 后的x r d 图谱 。 己 母 。历 亡 芑 2 e ( d e g ) 图2 5 样品c 0 4 l p t 4 9 c u l o 在6 8 0 。( 7 退火2 0m i n 后的x r d 图谱 一：懵一萱一瞬cm_c一 o i 弼 。历 c n ) 芒 2 0 ( d e g ) 图2 6 样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 在7 2 0 退火2 0r a i n 后的x r d 图谱 2 t h e t a 图2 7 样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 在不同温度下退火2 0m i n 后的x r d 图谱 图2 8 ，图2 9 分别为样品c 0 4 l p t 4 9 c u l o 经6 4 0 。c ，6 8 0 。c 退火2 0m i n 后在垂直于膜面 方向上的磁滞回线。从图可以看出，退火后薄膜在垂直于膜面方向上的矫顽力较大，分别 达到了8 4k o e ，9 1k o e ，而且退火后样品的饱和磁化强度m s 达到了6 0 0 e m u c m 3 ，而且剩 1 9 一：暑一calc 磁比很高，几乎接近1 ，这很好地满足了热辅助磁记录方式要求薄膜在室温下具有较高的 矫顽力以及较高的饱和磁化强度m s 的要求。结合热辅助磁记录方式对介质的要求，我们 很自然地想到该样品的温度特性( m t 曲线) 如何，即该样品在般在t s u b = 2 0 0 3 0 0 0 c 时，样品的矫顽力h c 以及饱和磁化强度m s 各为多少，矫顽力是否下降到写磁头可以写 入的范围，此时的饱和磁化强度m s 是否还比较高，这些都是我们感兴趣的内容，但受实 验条件的限制，该样品的温度特性还有待进一步的研究。 a p p l i e df i e l d ( t ) 图2 8 样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l 0 经6 4 0 。c 退火2 0m i n 后在垂直于膜面方向上的磁滞回线 a p p l i e df i e l d m 图2 9 样品c 0 4 1 p h g c u l o 经6 8 0 。c 退火2 0m i n 后在垂直于膜面方向上的磁滞回线 管。3e9)= 舍3jeo一暑 随着硬盘记录密度的进一步提高，硬盘磁头的飞行高度也在不断降低，现在硬盘磁头 的飞行高度已经降到1 0 n m 以下。所以从应用的角度来讲，硬盘对磁记录介质除了磁性能 方面的要求外，对其表面质量也有很高的要求：要求薄膜表面光滑平整，起伏要小。为了 考察制备的样品的表面质量情况，我们用原子力显微镜对样品的表面进行了扫描，图2 1 0 ， 2 1 2 分别为6 4 0 0 c ，6 8 0 。( 2 退火样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 的a f m ( 原子力显微镜) 图像，从图而 已看出，样品整体较平滑，起伏小，但局部也有很多起伏较大的颗粒，初步判断可能是样 品保存以及测试过程中粘灰的缘故。图2 1 1 ，2 1 2 分别为为6 4 0 0 c ，6 4 0 0 c 退火样品 c 0 4 ，p t 4 9 c u 。o 的m f m ( 磁力显微镜) 图像，退火后的样品表现出短程磁结构。 图2 1 06 4 0 。c 退火样品c 0 4 l p t 4 9 c u l o 的a f m 图像 图2 1 16 4 0 。c 退火样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 的m f m 图像 图2 1 26 8 0 0 c 退火样品c 0 4 1 p t 4 9 c u l o 的a f m 图像 图2 1 36 8 0 0 c 退火样品c 0 4 1 p h g c u l o 的m f m 图像 2 4 本章小节 本章首先介绍了热辅助磁记录方式的特点并结合该记录方式对记录介质的要求，采 用磁控溅射多层膜先驱体结合真空退火的方法制备了c o p t c u 纳米薄膜，研究了退火温度 等制备条件对薄膜结构与性能的影响。研究表明，退火后的c o p t c u 纳米薄膜在常温下具 有很大的矫顽力h c ( 9 1k o e ) 以及很高的饱和磁化强度m s ( 6 0 0 e m u c m 3 ) ，能够很好地满足热 辅助磁记录方式对记录介质在常温下的部分要求，但其温度特性以及其它性能还有待进一 步研究。 3 1 引言 第三章低相交温度垂直取向c o lt 纳米复合薄膜的结构和性能研究 近年来由于多种技术的发现和改进，硬盘存储密度持续以每年6 0 1 0 0 的速度增长， 目前市场上销售的硬盘密度已超过6 0 g b i n 2 ( 纵向记录) 。随着磁b 录密度的进一步提高， 晶粒尺寸迅速减小，纵向磁记录遇到了超顺磁这一无法逾越的极限。在传统的纵向磁记录 方式日益接近其极限时，人们又重新提出了垂直磁记录方式。无论是纵向磁记录还是垂直 磁记录，都要求在热稳定前提下颗粒尺寸要尽量小，为了提高热稳定性，必须采用具有较 高磁各向异性能( 硒) 的材料作为磁记录介质。三1 0 结构的c o p t