大学生创新计划

PAGEPAGE6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。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]YanQY,KimT,PurkayasthaA,GanesanPG,ShimaM,RamanathG,EnhancedchemicalorderingandcoercivityinFePtalloynanoparticlesbySb-doping,Adv.Mater.,2005,17,2233-2237.[7]LimB,ChenJ,YinJ,ReductionofexchangecouplingandenhancementofcoercivityOfL1(0)FePt(001)filmsbyCutoplayerdiffusion,ThinSolidFilms,2006,505,81-84.[8]KangS,HarrellJ,NiklesD,ReductionofthefcctoL1(0)orderingtemperatureforself-assembledFePtnanoparticlescontainingAg,NanoLett,2002,2,1033-136.[9]LeeYM,LeeBS,LeeCG,KooBH,ShimadaY,JMagnMagnMater,2007,310,E918-E920.[10]WangHY,MaXK,HeYJ,MitaniS,MotokawaM,EnhancementinorderingofFePtfilmsbymagneticfieldannealing,Appl.Phys.Lett.,2004，85,2304-2306.[11]SaitaS，MaenosonoS,ChemicalorderingofFePtnanoparticlesbypulsedlaserannealing,JournalofPhysics:CondensedMatter2004,16,6385-6394.[12]LaiCH，YangCH，ChiangCC，Ion-irradiation-induceddirectorderingofL1(0)FePtphase,ApplPhysLett,2003,83,4550-4552.[13]VarandaLC,JafelicciM,Self-assembledFePtnanocrystalswithlargecoercivity:ReductionofthefcctoL1(0)orderingtemperature,J.Am.Chem.Soc.2006,128,11062-11066.

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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。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。对数据进行处理与分析，完成1-2篇学术论文。2010年10月-2010年12月撰写总结和研究报告。预期研究成果、考核指标及提供成果的形式：在国外重要学术刊物发表论文1-2篇。掌握获得有序化转变温度低、无磁相互作用且具有垂直取向性的FePt纳米粒子单层膜的制备方法。四、拟利用资源（实验室、研究所、实验教学示范中心、创新实践基地、仪器设备、资料等）申请者所依托的安徽大学磁性材料安徽省工程技术研究中心具有样品制备设备和分析测试所需要的相关仪器设备，包括振动样品磁强计(VSM)、FE-SEM、HRTEM、AFM、多功能X射线衍射仪、紫外-可见-红外光谱仪（含有偏振附件）、傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）和激光Raman光谱仪等，这些设备均可供本项目优惠使用。同时，合肥同步辐射实验室各实验