L10FePt薄膜有序化行为和磁性能研究

摘要

L10FePt具有很高的单轴磁晶各向异性能、很小的超顺磁临界尺寸，因而成为下一代超高密度垂直磁记录介质的首选材料。近年来研究人员对 L10FePt进行了大量研究，取得了一系列进展，但还有以下因素制约 L10FePt在磁记录行业的应用：(1) L10FePt相的有序化温度相对较高；(2) L10FePt易磁化轴的取向控制；(3)改善高矫顽力 L10FePt的写入能力。本论文针对以上三个问题展开，通过设计沉积态薄膜结构降低 L10FePt相的有序化温度；利用快速热处理获得L10FePt相的(001)织构；利用快速热处理调控交换耦合磁记录介质的磁性能，具体研究内容如下：
　　利用磁控溅射在室温下制备应变[FePt(2 nm)/Au(tAu nm)]20超晶格薄膜，掠入射 X射线衍射的研究结果表明沉积态薄膜的FePt层中存储了应变能，并且应变能随着 Au层厚度增加而增加。Au层厚度较厚的薄膜经过300 ℃热处理时在应变能和拉热应力的共同作用下 FePt层发生了有序化转变。薄膜的微观结构和磁性能测量显示，低温热处理时，Au层提供的应变能和拉热应力有助于FePt发生有序化转变；高温热处理时，厚的Au层阻碍了Fe和Pt原子扩散，FePt的有序度参数降低，薄膜的矫顽力降低。
　　制备了原子尺度[Fe/Pt]n、[Fe/Pt/Ag]18和[Fe/Pt/Cu]18多层薄膜，研究了薄膜总厚度对薄膜取向、表面形貌和磁性能的影响，并研究了掺杂元素对薄膜有序化、织构及磁性能的调控。对于不同厚度的原子尺度[Fe/Pt]n多层薄膜，薄膜经过500 ℃热处理60 s后，薄膜均具有(001)织构，但(001)织构的弥散度随着薄膜总厚度增加而变大；薄膜越厚，有序度越高；薄膜厚度增加，薄膜的表面形貌由颗粒结构向连续结构转变，磁畴尺寸也相应增加；垂直薄膜表面的矫顽力随厚度增加先减小后增加，平行薄膜表面的矫顽力单调增加。研究了 Ag含量对原子尺度[Fe/Pt/Ag]18多层薄膜低温有序化、织构和磁性能的影响。掺入Ag后，经350 ℃热处理的薄膜形成了有序相，400 ℃热处理的薄膜形成了(001)织构，XRD的ω扫描表明 Ag层厚度增加导致薄膜(001)织构变差；AFM测量表明Ag含量增加促进薄膜晶粒长大；经350 ℃热处理，Ag含量为20％的薄膜矫顽力取得最高值；热处理温度升至400 ℃，薄膜矫顽力随 Ag含量增加而增加，而薄膜的矫顽力处的斜率参数随 Ag含量增加而减小。对于原子尺度[Fe/Pt/Cu]18多层薄膜，薄膜掺入 Cu后300 ℃热处理即可在总厚度低于10 nm的薄膜中形成有序相，掺 Cu薄膜经350 ℃热处理就可以形成(001)织构，但薄膜织构随含 Cu量增加而变差，掺 Cu量过多时，热处理的薄膜将形成 L10FeCuPt2相；TEM测量结果表明，掺 Cu可以有效促进薄膜在热处理时晶粒的长大；磁性能测试表明，Cu含量为5%的薄膜在热处理时可以获得最高的矫顽力，增加Cu含量导致薄膜形成L10FeCuPt2相，薄膜磁性能变差。
　　研究了室温下制备的亚稳态 FexAg100-x和FexAg100-x/Pt薄膜热处理后的结构和性能。经过300 ℃热处理，亚稳态 FexAg100-x薄膜发生了 Fe和Ag的相分离。FexAg100-x层中Fe的体积百分含量对于300 ℃热处理FexAg100-x/Pt的磁性能有很重要的影响，当Fe的体积百分含量为50%时，薄膜中形成了L10FePt相，薄膜垂直表面方向的矫顽力为3.2 kOe，薄膜显示硬磁性能。研究了热处理温度和时间对 FexAg100-x/Pt薄膜结构和磁性能的影响。高温热处理有助于改进薄膜的有序度和磁性能。延长热处理时间可以提高薄膜中FePt相的有序度参数，同时影响薄膜取向。
　　研究了Fe层厚度对Fe/L10FePt交换耦合薄膜磁性能的调控影响，Fe层厚度为1 nm时，薄膜矫顽力反而增加，继续增加 Fe层厚度薄膜矫顽力开始下降，Fe层厚度为8 nm时薄膜表现出双相行为。研究了热处理温度对 Fe(3 nm)/ L10FePt(10 nm)结构和磁性能的影响，经300℃热处理后，薄膜中硬磁相与软磁相的耦合变弱，矫顽力增加；进一步升高热处理温度，Fe向 L10FePt晶格扩散形成Fe3Pt，薄膜矫顽力降低。利用快速热处理加热FCC FePt(5 nm)/L10FePt(10 nm)薄膜，400 ℃热处理薄膜矫顽力降低，形成了界面梯度变化的ECC介质，500 ℃热处理时顶层薄膜有序化，形成了 FePt磁晶各向异性能梯度变化 ECC介质；升高热处理温度，顶层 FePt有序度增加，薄膜矫顽力开始上升。

目录

L10FePt 薄膜有序化行为和磁性能研究

STUDIES OF ORDERING BEHAVIORS ANDMAGNETIC PROPERTIES OF L10FePt FILMS

摘 要

Abstract

目 录

Contents

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 磁记录原理及磁记录介质的发展

1.3 L10FePt 磁记录介质的主要参量

1.4 L10FePt 材料的性质和制备方法

1.5 L10FePt 磁记录材料的研究进展

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1 薄膜的制备

2.2 研究方法

第3章 FePt/Au 超晶格薄膜L10 相有序化行为和薄膜磁性能

3.1 引言

3.2 沉积态[FePt (2 nm)/Au (tAu nm)]20 超晶格薄膜的结构

3.3 热处理[FePt (2 nm)/Au (tAu nm)]20 超晶格薄膜的结构

3.4 热处理[FePt (2 nm)/Au (tAu nm)]20 超晶格薄膜的表面形貌和磁畴结构

3.5 热处理[FePt (2 nm)/Au (tAu nm)]20 超晶格薄膜的磁性能

3.6 本章小结

第4章 原子尺度Fe/Pt/X(Cu、Ag)多层薄膜L10 相的低温有序化和薄膜磁性能

4.1 引言

4.2 总厚度对原子尺度Fe/Pt 多层薄膜结构和性能的影响

4.3 原子尺度[Fe/Pt/Ag]18 多层薄膜的低温有序研究

4.4 原子尺度[Fe/Pt/Cu]18 多层薄膜的低温有序研究

4.5 本章小结

第5章 亚稳态FeAg/Pt 薄膜L10 相的低温有序化和薄膜磁性能

5.1 引言

5.2 热处理FexAg100-x 和FexAg100-x/Pt 亚稳态薄膜的结构和磁性能

5.3 热处理条件对Fe50Ag50/Pt 亚稳态薄膜的微观结构的影响

5.4 热处理条件对Fe50Ag50/Pt 亚稳态薄膜的微观结构的影响

5.5 本章小结

第6章 Fe/L10FePt 和FCC FePt/L10FePt 交换耦合磁记录介质的结构调控和磁性能研究

6.1 引言

6.2 软磁层厚度对ECC 介质结构和磁性能的影响

6.3 FCC FePt(5 nm)/ L10FePt(10 nm)薄膜磁晶各向异性梯度变化研究

6.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历