大学生创新计划.doc

编号： 国家大学生创新性实验计划项目申 报 书项 目 名 称： FePt纳米粒子单层膜垂直磁记录应用中3个关键问题的一种统一解决方案申 请 者： 方明亮所 在 院 系： 物理与材料科学学院 专 业 年 级： 2007级材料物理专业指 导 教 师： 吴明在 起 止 时 间： 2010/1-2010/12 联 系 电 话： 子 信 箱： 857937704申 报 时 间： 2009-10-15安徽大学教务处制表填 表 须 知一、安徽大学国家大学生创新性实验计划项目申报书要按顺序逐项填写，内容要实事求是，表达要明确、严谨。空缺项要填“无”。要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。 二、申请参加安徽大学国家大学生创新性实验计划项目团队人数不得超过3人（1人为立项负责人，参与合作研究者1-2人为宜）。三、安徽大学国家大学生创新性实验计划项目申报书由申报学生所在学院初审，签署意见后，一式三份（均为原件），报送教务处实践教学中心。项目名称FePt纳米粒子单层膜垂直磁记录应用中3个关键问题的一种统一解决方案申请经费3.0万起止时间2010/1-2010/12负责人学号姓名年级所在院系、专业联系电话E-mail B50714015方明亮2007物理与材料科学学院13956960095857937704参加成员B50714031陈军2007物理与材料科学学院1351551021913515510219139.comB50714045崔晓2007物理与材料科学学指导老师姓名职称所在院系联系电话 E-mail吴明在副教授物理与材料科学学刘先松教授物理与材料科学学一、项目申请理由（包括项目背景及自身具备的知识、素质、能力等研究等条件）目前计算机硬盘主要是以传统的CoCr基薄膜作为磁性介质，以磁头与磁记录介质之间的相对运动的形式记录信号。这种纵向记录技术记录一个字节大概需要几百个磁性纳米颗粒。自1975年日本岩崎俊一教授提出垂直记录技术以来，已经经历了30多年的发展。与纵向记录技术相比，垂直磁记录具有两大优点：（1）在更高密度记录时，垂直磁化更稳定（不受自身退磁场的影响）；（2）垂直磁记录介质能够自发的形成单轴垂直磁各向异性（而面内有很多方向）。因此，垂直磁记录技术可以采用比较厚的介质厚度，适中的介质矫顽力，较高的介质饱和磁化强度，从而可获得较高的记录密度。2005年，日立公司获得了高达233Gb/in2的垂直磁记录密度。当面记录密度进一步提高时，垂直记录同样面临热稳定性问题。由于介质各向异性常数的提高受到磁头的制约，进一步减小介质颗粒的尺寸同样会使热稳定性因子降低。为提高记录密度，必须进一步降低磁记录介质颗粒的尺寸，但超顺磁效应使其热稳定性降低。存储密度的提高和磁性粒子稳定性要求材料具有很高的矫顽力、磁晶各向异性和很低的超顺磁临界尺寸。围绕这一问题，人们相继研发了一系列新型的记录介质。由于FePt具有高的单轴磁晶各向异性能(7x107egr/cm3)，允许把晶粒尺寸降低到几个纳米，具有足够的热稳定性，并可获得较高的矫顽力，有望成为未来实用化的高密度记录介质1-5。已有研究表明，采用Co-Cr介质，垂直记录系统的面记录密度可超过100 Gb/in2；然而，采用FePt新型记录介质，垂直记录的面记录密度可高达1Tb/in2。申请人方明亮为安徽大学2007级材料物理专业学生，品学兼优，入学以来年度成绩考核始终为班级第一名，多次获得校奖学金及三好学生称号。对科学研究有浓厚兴趣，试验动手能力较强，立志从事科学研究，已经修完磁性物理学，固体物理学等相关专业知识，完全具备从事科学研究的基本素质和潜能。项目参加人陈军崔晓分析能力较强，品学兼优，学习成绩位列班级前茅，对本项目具有非常浓厚的兴趣。申请人的指导老师吴明在博士从事纳米磁性材料研究多年，在FePt纳米粒子合成表征方面具有多年的相关经验，在国际学术刊物上已经发表了二十余篇SCI研究论文且已经指导研究生、本科生毕业论文多次。本课题的申请是吴明在老师国家自然科学基金(No.50901074)的一个有机组成部分，也是对吴明在老师国家自然科学基金后续工作的一个有益补充，具备较强的可行性。1 Sun S H, Murray C B, Weller D, Folks L, Moser A, Monodisperse FePt nanoparticles and ferromagnetic FePt nanocrystal superlattices, Science, 2000, 287, 1989-1992. 2 Zeng H, Li J, Liu J P, Wang Z L, Sun S H, Exchange-coupled nanocomposite magnets by nanoparticle self-assembly, Nature, 2002, 420, 395-398. 3 Rong C, Li D, Nandwana V, Poudyal N, Ding Y), Wang ZL, Zeng H, Liu JP, Size-dependent chemical and magnetic ordering in L1(0)-FePt nanoparticles, Adv Mater, 2006, 18, 2984-2988. 4 Rong C, Nandwana V, Poudyal N, Li Y, Liu JP, Ding Y, Wang ZL, Formation of Fe3Pt phase in FePt-based nanocomposite magnets, J Phys D: Appl Phys, 2007, 40, 712-716.5 Sun S, Recent advances in chemical synthesis, self-assembly, and applications of FePt nanoparticles, Adv.Mater. 2006, 18, 393403.二、项目研究内容（目前研究的现状、方法、观点、难点、特点和提出的创新点等）然而目前，无论是采用物理沉积法还是胶体粒子沉积组装法制备的FePt薄膜，用于超高密度垂直磁记录都存在如下困难：(1)L10-FePt相是一种在c轴方向Fe和Pt原子层交互排列的有序结构，其磁各向异性来源于磁晶各向异性，c轴为磁化易轴；而一般采用化学还原或溅射成膜方法只能得到无序fcc-FePt相，常需要在550oC以上高温退火得到具有高磁各向异性的L10-FePt相1,参见图1。而高的成膜(或退火)温度会引起薄膜中晶粒的长大或团聚，因此需要降低FePt有序化转变温度。 图1，FePt合金的无序fcc结构和有序的L10两种典型晶格结构(2)FePt薄膜中存在很强的晶粒间的磁相互作用。晶粒间磁耦合作用会增加相邻记录磁区间的过渡区宽度，导致读出噪声，降低读出信号的信噪比。因此需要减小FePt晶粒间磁耦合作用。(3)为适应垂直磁记录的需要，必须实现FePt薄膜的垂直（001）取向，而且应尽量减小各个晶粒取向的分布范围。为了解决上述这些问题，科学家们进行了大量的研究。(a)针对FePt有序化温度的降低和粒子长大团聚现象，人们发展了很多手段，如掺杂B, Ag, Cu等杂质原子，以增加缺陷或替换Fe/Pt原子来促进有序化过程6-9；用外场辅助法(包括离子辅助、激光辅助、高磁场辅助等)来促进有序化10-12；调控Fe/Pt的原子比13；退火气体环境的调控等14-15。在处理低温有序化的过程中，人们多采用物质包覆颗粒的办法来阻止晶粒的长大和团聚,这些包覆物质可以与FePt粒子形成所谓的核/壳结构16-20，也可以直接填充在粒子膜中的粒子之间21。尽管这些手段可以部分实现有序化，但却引起了新的问题，包括杂质的引入、室温矫顽力的降低以及降低了晶粒尺寸均一性，也破坏了薄膜粒子排布的有序性，等等。(b) 为了降低介质噪声，人们合成了多种结构的介质膜，如颗粒膜(granular)22、岛状生长膜(island-growth)23、多层膜(multilayer)24-25以及粒子膜内添加非磁物质21等，欲通过各种方式来降低晶粒间的磁交换耦合作用。 (c)针对垂直记录的需要，人们采用MgO单晶基片26-27或者溅射合适的底层（如MgO、CrRu）来诱导FePt沿（001）取向生长。昂贵的MgO单晶基片的使用必然增加FePt粒子在磁存储应用商业化上的成本。国内对FePt超高密度磁记录介质的研究起步较晚。中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室王亦忠教授研究了FePt薄膜的硬磁性能及其矫顽力的机制28。兰州大学杨正教授课题组对FePt/Al2O3颗粒膜做了初步的研究29。台湾清华大学、复旦大学、北京科技大学、湖北大学等在FePt的低温有序化方面进行了研究25,30-32。综合国内外的研究报道,尽管对于解决以上的单个问题取得了较大的进步，但是如何统一解决以上所有的问题，目前尚没有很好的办法。针对以上三个问题，有必要发展一种能够同时实现FePt薄膜的有序化转变温度低、粒子之间无磁相互作用且具有垂直取向性的方法。在本项目中，我们创造性地提出一种在磁场诱导下，用PVP(聚乙烯吡咯烷酮，Polyvinylpyrrolidone)分子辅助组装FePt纳米粒子，合成具有垂直取向的单层粒子薄膜的方法。在这种新结构中，聚合物(PVP)分子首先包覆在FePt粒子的表面。在溶剂缓慢蒸发或者旋转涂膜的过程中，施加一垂直于衬底表面的外磁场，磁化粒子并使得粒子易磁化轴(001)晶向与磁力线方向一致，实现粒子的垂直取向控制。同时，高浓度的PVP分子互相交织在一起，进而老化、固化将FePt颗粒包覆。当溶剂完全蒸发后，在外加磁场作用下，对其进行后续退火处理。由于外磁场的存在，该铁磁体系总自由能将降低 M*H，降低了的自由能使得粒子从无序fcc相向有序fct相转化过程的晶核数目增多，成为转化的动力，降低有序化转变温度 10。在磁场原位存在下，经退火之后聚合物发生碳化，但仍然具有空间位阻作用，粒子之间不会发生长大和团聚。这种外加磁场和PVP分子辅助的方法将获得有序化转变温度降低，无磁相互作用且具有垂直取向性的单层粒子膜。由于粒子之间碳化了的PVP分子相互交联在一起，在外加磁场去除后，这种粒子膜仍能稳定存在，且有一定的机械稳定性。我们认为，该项目的实施，将为垂直磁记录技术的发展提供新知识，为高密度的垂直磁记录器件提供关键材料，同时，对磁有序体的集体磁性质的研究以及下一代海量存储技术的发展具有重要的意义。6 Yan Q Y, Kim T, Purkayastha A, Ganesan PG, Shima M, Ramanath G, Enhanced chemical ordering and coercivity in FePt alloy nanoparticles by Sb-doping, Adv. Mater., 2005, 17, 2233-2237.7 Lim B, Chen J, Yin J, Reduction of exchange coupling and enhancement of coercivity Of L1(0) FePt (001) films by Cu top layer diffusion, Thin Solid Films, 2006, 505, 81-84.8 Kang S, Harrell J, Nikles D, Reduction of the fcc to L1(0) ordering temperature for self-assembled FePt nanoparticles containing Ag, Nano Lett, 2002, 2, 1033-136.9 Lee Y M, Lee B S, Lee C G, Koo BH, Shimada Y, J Magn Magn Mater, 2007, 310, E918-E920.10 Wang HY, Ma XK, He YJ, Mitani S, Motokawa M, Enhancement in ordering of FePt films by magnetic field annealing, Appl. Phys. Lett., 2004，85, 2304-2306.11Saita S，Maenosono S, Chemical ordering of FePt nanoparticles by pulsed laser annealing, Journal of Physics: Condensed Matter 2004, 16, 6385-6394.12 Lai CH，Yang CH，Chiang CC，Ion-irradiation-induced direct ordering of L1(0) FePt phase, Appl Phys Lett,2003, 83, 4550-4552.13 Varanda LC, Jafelicci M, Self-assembled FePt nanocrystals with large coercivity: Reduction of the fcc to L1(0) ordering temperature, J.Am.Chem.Soc. 2006, 128, 11062-11066. 14 Nakaya M, Kanehara M,Yamauchi M，H. Kitagawa, T. Teranishi, Hydrogen-Induced Crystal Structural Transformation of FePt Nanoparticles at Low Temperature, J. Phys. Chem. C, 2007, 111, 7231-7234.15 Sort J, Suriach S, Dolors Bar M,et al, Direct synthesis of isolated L1(0) FePt nanoparticles in a robust TiO2 matrix via a combined sol-gel/pyrolysis route, Adv. Mater. 2006, 18, 466-469.16 Yu CH, Caiulo N, Chester CH, Tam K, Tsang SC, Synthesis and fabrication of a thin film containing silica-encapsulated face-centered tetragonal FePt nanoparticles, Adv. Mater. 2006, 18, 2312-2316.17 Figuerola A, Fiore A, Corato RD, et al, One-pot synthesis and characterization of size-controlled bimagnetic FePt-iron oxide heterodimer nanocrystals, J.Am.Chem.Soc.2008, 130, 1477-1487.18 Kang SS, Miao GX, Shi S, Jia Z, Nikles DE, Harrell JW, Enhanced magnetic properties of self-assembled FePt nanoparticles with MnO shell, J.Am.Chem.Soc.2006, 28, 1042-1043.19 Caiulo N, Yu CH, Yu KMK, Lo CCH, Oduro W, Thiebaut B, Bishop P, Tsang SC, Carbon-decorated FePt nanoparticles, Adv. Funct. Mater. 2007, 17, 1392-1396.20 Ethirajan A, Wiedwald U, Boyen H, et al, A micellar approach to magnetic ultrahigh-density data-storage media: Extending the limits of current colloidal methods, Adv. Mater. 2007, 19, 406-410.21 Wang HB, Zhou MJ, Yang FJ, Wang J, Jiang Y, Wang Y, Wang H, Li Q, Monolayer Assembly and Fixation of FePt Nanoparticles: Microstructure and Magnetic Properties, Chem. Mater, 2009, 21, 404-409.22 Kang K，Zhang ZG, Papusoi C，Suzuki T, Composite nanogranular films of FePt-MgO with (001) orientation onto glass substrates, Appl. Phys. Lett.2004，84(3), 404-406.23 Mukai R，Uzumaki T，Tanaka A，Monolayer of physically separated FePt islands with a tetragonal L1(0) structure produced by thermally created mass transport, IEEE Transactions on Magnetics，2003，39(4), 1925-1929 Partl.24 Feng C, Zhan Q, Li BH, Teng J, Li MH, Jiang Y, Yua GH. Magnetic properties and microstructure of FePt/Au multilayers with high perpendicular magnetocrystalline anisotropy, Appl. Phys. Lett, 2008, 93, 269901-269903.25 Yang FJ, Wang H, Wang BY, Gu HS,Zhou MJ,Li Q,Jiang Y, Thickness dependence of microstructure and magnetic properties in FePt/B4C multilayer thin films, Applied Physics A: Materials Science & Processing, 2009, 94, 981-985.26Nakagawa S, Kamiki T, J. Highly (001) oriented FePt ordered alloy thin films fabricated from Pt(100)/Fe(100) structure on glass disks without seed layers, J. Magn. Magn. Mater, 2005, 287, 204-208.27Takahashi YK, Hono K, Interfacial disorder in the L1(0) FePt particles capped with amorphous Al2O3, Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 383-385.28Wang YZ, Zhang MC, Qiao Y, Wang J, Wang YJ, Shen BG, Hu BP, Structures and magnetic properties of isotropic nanostructured Fe-Pt thin films, Acta Physica Sinica, 2000, 49, 1600-1605.29Wei FL, Yang Z, Fabrication of FePt films for magnetic recording media, IEICE TRANSACTIONS ON ELECTRONICS, 2007, E90C, 1570-1576.30Wu YC, Wang LW, Chiang CC, Yang CH, Lai CH, Controlling Stress and Diffusion for the Low-Temperature-Ordering of L1(0) Ordered FePt Films, JOM, 2009, 61, 84-88.31Feng C, Zhan Q, Li BH, Teng J, Li MH, Jiang Y, Yua GH, Magnetic properties and microstructure of FePt/Au multilayers with high perpendicular magnetocrystalline anisotropy, Appl. Phys. Lett. 93 (2008)152513-152515. 32 Zha CL, He SH, Ma B, Zhang ZZ, Gan FX, Jin QY , Dependence of Ordering Kinetics of FePt Thin Films on Different Substrates, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, 2008,44, 3539-3542.三、项目进度安排（查阅资料、选题、自主设计项目研究方案、开题报告、实验研究、数据统计、处理与分析、研制开发、填写结题表、撰写研究论文和总结报告、参加结题答辩和成果推广等）2010年1月2010年3月l 调研文献，设计实验方案，完成开题报告，制备出尺寸、形貌单分散的FePt纳米粒子。 2010年4月2010年6月l 探索在磁场和PVP分子辅助下制备FePt纳米粒子有序单层膜的最佳工艺。l 对制备的FePt纳米粒子单层膜进行结构、形貌、磁性的测量和表征。2010年7月-2010年9月l 研究FePt纳米粒子单层膜的有序化转变温度、垂直取向有序度、以及粒子之间相互作用程度和外加磁场强度、施加方向、蒸发速度、旋转速度之间的关系；总结FePt粒子膜的磁性质与外加磁场强度，退火温度之间的规律。对数