小颗粒CoPt单层和双层垂直磁记录介质研究

摘要

硬盘是当今解决低成本、大容量信息记录的关键技术之一。自2006年起，磁记录硬盘已经从传统的水平记录进入了垂直记录时代。进一步提高垂直磁记录硬盘的记录密度需要减小记录材料的颗粒尺寸而不降低其热稳定性，这需要应用比现今工业上用的CoCrPt垂直记录材料具有更高磁晶各向异性常数(Ku)的材料并降低其翻转场。基于hcp-CoPt的介质由于不含Cr，可以减少CoPt颗粒中的缺陷，从而具有比CoCrPt介质更高的Ku，因此有望代替CoCrPt介质进一步提高垂直记录介质的记录密度。另一方面，部分hcp-CoPt的各向异性场(hcp-Co3Pt的Hk理想值为36kOe)大于目前磁头的写能力，因此需要降低其翻转场。为了解决基于hcp-CoPt记录材料所面临的减小颗粒尺寸和降低翻转场的基本问题，本文在更系统地掌握了Ru-SiO2诱导层制备工艺对小颗粒尺寸hcp-CoPt磁记录层的微结构和磁性能影响的基础上，研究了Pt含量对hcp-CoPt磁记录层的影响；为了减小hcp-CoPt的翻转场，本文采用垂直交换耦合介质(ECC)的思想，利用Pt成份的变化来调节软磁层的各向异性和饱和磁化强度，从实验和理论上研究了软磁层磁参数对ECC磁性能的影响关系。具体工作和结论如下：
　　 1．本文利用在Ru诱导层中加入SiO2的方法来减小hcp-CoPt颗粒的尺寸，系统地研究了Ru-SiO2诱导层的制备工艺条件（溅射功率、气压和SiO2体积比）对Ru-SiO2层的微结构、CoPt层的微结构和磁性能的影响。研究结果表明在一定的制备条件下，在Ru-SiO2诱导层中添加5％体积比的SiO2可以有效地降低CoPt的颗粒尺寸（从7.4±1.3nm到7.0±1.2nm）而不降低CoPt层的磁性能。这为进一步提高基于hcp-CoPt磁记录介质的记录密度提供了一种参考方法。
　　 2．本文研究了Pt成份对制备在Ru-TiO2诱导层上Co100-xPtx-TiO2纳米颗粒膜微结构和磁性能的影响。研究结果表明通过调节Pt含量可以有效地控制Co100-xPtx-TiO2膜的微结构和磁性能。其中，Co71Pt29-TiO2膜具有最好的hcp结构，面外各向异性常数和矫顽力分别达到6.9×105J/m3和4.4kOe。
　　 3．本文在Ru-TiO2诱导层上制备了小颗粒尺寸的Co100-xPtx-TiO2/Co71Pt29-TiO2ECC介质，研究了Co100-xPtx-TiO2层（软磁层）厚度和各向异性对ECC的磁性能的影响。研究结果表明对于Co-TiO2软磁层，在强界面交换耦合（软/硬磁界面接触）情况下，随着软磁层厚度的增加，ECC颗粒内部的反磁化模式从一致翻转模式变到畴壁移动模式。随着软磁层各向异性的增加，软磁层厚度的变化对ECC颗粒内部反磁化模式的影响减小，这与ECC膜的面外矫顽力和剩磁比随各向异性的变化相一致，表明ECC膜的矫顽力是由颗粒内部的反磁化机制决定的。另一方面，软磁层的磁晶各向异性轴偏离面外方向也会增加ECC在低场下的非一致性转动。在弱界面交换耦合（软/硬磁界面不接触）情况下，ECC膜的矫顽力和剩磁比随膜厚的变化由薄膜的平均退磁场决定。因此，在Ru-TiO2诱导层上通过调节Co100-xPtx-TiO2膜的Pt含量、软磁层的厚度可以获得基于hcp-CoPt的小颗粒尺寸、低矫顽场ECC介质。
　　 4．为了探索理想hcp结构ECC的制备方法，本文在Ru诱导层上的制备了CoPtRu三元合金纳米颗粒膜，研究了Ru的成份对CoPtRu-SiO2单层纳米颗粒膜的微结构与磁性能，以及[CoPt]1-xRux-SiO2/CoPt-SiO2双层纳米颗粒膜磁性能的影响。研究结果表明在hcp-CoPt中添加Ru使得CoPtRu颗粒内的hcp相的结晶完整度稍微降低，CoPtRu颗粒的磁晶各向异性和饱和磁化强度都降低，但其各向异性场仍然较高，从而不能显著地降低双层膜的矫顽力，仍需要更多的研究来探索理想hcp结构ECC的制备。
　　 5．为了研究单个ECC颗粒与ECC颗粒阵列的反磁化过程的区别和获得可以与本文实验结果进行比较的理论研究结果，本文建立了ECC颗粒薄膜的微磁学模型，利用微磁学模拟研究了软磁层的厚度、软/硬磁界面的交换耦合强度和ECC颗粒之间的交换耦合强度对基于hcp-CoPt的ECC颗粒阵列反磁化过程的影响。研究结果表明随着软磁层厚度或软/硬磁界面交换耦合强度的增加，单个ECC和ECC阵列的矫顽力都先迅速减小然后趋向饱和，这与实验结果相符合。但是，单个ECC颗粒的剩磁比接近于1且几乎没有变化，而ECC阵列的剩磁比却随软磁层厚度的增加而减小，随界面交换耦合强度的增加而增加，ECC阵列的结果与实验结果相符合。因此，利用ECC阵列而不是单个单元模拟颗粒膜，可以得到可与实验结果相比较的模拟结果，从而大大提高以往单个ECC单元在预测剩磁等参数上的准确性。同时，研究结果表明ECC阵列中的颗粒之间要有合适的交换耦合作用才能获得最佳的磁记录性能。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 硬盘磁记录的历史

1.2 硬盘磁记录介质的关键要求

1.3 提高垂直记录介质记录密度的主要方法

1.3.1 热辅助记录

1.3.2 图形化介质

1.3.3 交换耦合介质

1.4 当代垂直磁记录介质面临的挑战

1.4.1 垂直磁记录介质的类别

1.4.2 CoCrPt垂直记录记录介质的局限

1.4.3 hcp-CoPt垂直记录记录介质研究初步

1.5 选题依据及研究内容

1.5.1 选题依据

1.5.2 研究内容

1.6 论文提纲

第二章 实验方法和表征技术

2.1 样品制备方法

2.2 样品表征技术和设备

2.2.1 X射线能谱仪(EDS)

2.2.2 X射线衍射仪(XRD)

2.2.3 透射线电子显微镜(TEM)

2.2.4 振动样品磁强计(VSM)

2.2.5 交变梯度磁强计(AGFM)

2.2.6 超导量子磁强计(SQUID)

2.2.7 磁光克尔效应仪(MOKE)

第三章 诱导层对CoPt记录介质的微结构和磁性能的影响

3.1 实验

3.2 结果与讨论

3.2.1 制备条件对底层Ru织构的影响

3.2.2 制备条件对无SiO2顶层Ru织构的影响

3.2.3 制备条件对Ru-SiO2层微结构的影响

3.2.4 Ru-SiO2层制备条件对CoPt层微结构的影响

3.2.5 Ru-SiO2层制备条件对CoPt层磁性能的影响

3.3 小结

第四章 Pt含量对Co100.xPtx颗粒膜的微结构和磁性能的影响

4.1 实验

4.2 结果与讨论

4.2.1 Pt含量对Co100-xPtx膜微结构的影响

4.2.2 Pt含量对Co100-xPtx膜磁性能的影响

4.3 小结

第五章 Co100-xPtx/Co71Pt19交换耦合双层记录介质

5.1 实验

5.2 结果与讨论

5.2.1 软磁层厚度和各向异性对ECC微结构的影响

5.2.2 软磁层厚度和各向异性对ECC磁性能的影响

5.2.3 软硬磁层界面交换耦合强度对ECC磁性能的影响

5.3 小结

第六章 CoPtRu单层和多层颗粒膜的制备和磁性能研究

6.1 实验

6.2 结果与讨论

6.2.1 CoPtRu单层膜的微结构和磁性能

6.2.2 [Co72Pt28]1-xRux/Co72Pt28双层膜的微结构和磁性能

6.2.3 Co72Pt28多层膜的微结构和磁性能

6.3 小结

第七章 交换耦合记录介质的微磁学研究

7.1 引言

7.2 微磁学理论简介

7.2.1 基本能量

7.2.2 能量最小化

7.2.3 动态方程

7.3 微磁学模型

7.4 结果与讨论

7.4.1 软磁层厚度对ECC磁性能的影响

7.4.2 软/硬磁界面交换耦合强度对ECC磁性能的影响

7.4.3 ECC颗粒之间交换耦合强度对ECC磁性能的影响

7.5 小结

第八章 总结与展望

8.1 论文工作总结

8.2 论文工作的主要创新点

8.3 论文工作展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果