FePt纳米颗粒单层膜与B

摘要

本发明提出一种铁铂纳米颗粒自组装单层膜与B

说明书

技术领域

本发明涉及一种单分散(颗粒尺寸的标准偏差σ＜10％)FePt纳米单层膜的 制备工艺，以及在高温退火相变过程中单层膜内FePt纳米的保护和稳定的方法。 属于纳米技术领域。

技术背景

在科技日益发展的当今社会，人们对信息的存储能力提出了越来越高的要 求。特别是目前包括音乐，视频，高清晰电影等多媒体手段的广泛应用，往往 需要对海量信息进行存储。基于常规的磁存储技术制造的计算机硬盘其记录密 度只能达到每平方英寸40GB左右，已不能完全满足信息社会的发展需求。利用 目前IBM发明的AFC(Anti Ferromagnetically Coupled，反铁磁性耦合)技术，现 有硬盘的存储密度又取得了一定程度的提高，达到每平方英寸100GB的级别。 在计算机硬盘中，利用磁颗粒作为数据的存储单元存在如下问题：随着单位磁记 录单元体积的减小，环境温度将导致磁性的消失，即信息的丢失。要提高储存 单元的热稳定性需要磁性材料的具有大的磁晶各向异性。目前已知的磁晶各向 异性常数(Ku)最大的材料是铁铂合金，其Ku高达7×10⁶焦耳/立方米^[1]，使得大 小在3.3纳米左右的FePt颗粒即能够在环境中保持大的矫顽力，和良好的热稳 定性。假设以单个FePt颗粒作为一个记录单元的话，那么磁存储的记录密度将 达到理论上的极限，即40-50T bit/平方英寸(1T bit＝1024G bit)，远远高于现有的 任何存储材料。鉴于在它的信息存储上的诱人前景，国际上有许多研究小组一 直在致力于开发基于长程有序的FePt纳米颗粒阵列的下一代磁记录材料。

自从2000年IBM公司孙守恒等研制出单分散的FePt纳米颗粒的高度有序 阵列以来^[2]，基于磁性纳米颗粒有序阵列的存储材料成为了未来高记录密度计算 机硬盘的热门选择^[3]。实现纳米FePt颗粒在超高密度存储方面的应用，在磁性 介质层方面目前需要克服两个障碍：一、首先需要得到单分散，成分均匀的纳 米颗粒(通常为软磁或超顺磁)，使之能在大范围的基底(如Si，SiO₂)上自组装 成单层膜。而目前实验上实现的FePt纳米颗粒在小范围(电子显微镜铜网)上 的自组装无法满足应用需要。二、自组装形成的FePt纳米颗粒阵列需要经过高 温退火相变以后形成硬磁相。而高温退火过程往往导致颗粒间的团聚和有序结 构的破坏^[4]，因此在相变的过程保证硬磁性的形成及有序结构的完整也是应用的 关键。为克服上述两大障碍，国际上许多研究小组提出了不同的解决方案，但 目前这些手段只能在一定程度上减少颗粒的聚积，且退火后的颗粒很难再自组 装成有序结构的磁性阵列。另外一个研究方向是先在大的基底表面制备自组装 的FePt单层颗粒膜，然后进行高温退火发生相转变。但目前得到的单层颗粒膜 不具备长程有序结构，且退火后的磁性偏低，无法达到应用的要求。因此要最 终实现FePt纳米颗粒在超高密度记录硬盘中的应用，仍需要大量的实验研究。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的不足，提出一种铁铂纳米颗粒自组装 单层膜与B₄C复合的磁性记录材料制备方法，保证该材料具有长程有序结构和 高矫顽力，极大地提高记录密度。

本发明是通过以下技术方案实现的：将粒径可调的单分散纳米FePt颗粒铺 展在无机材料衬底上形成自组装单层膜结构，通过磁控溅射技术在单层膜上溅 射一层厚度为10-50纳米的B₄C保护层，高温退火后，形成FePt纳米颗粒磁 性相变和自组装稳定的复合膜磁性记录材料。

本发明的原理是将FePt纳米颗粒形貌控制、表面修饰同基底表面处理相配 合，制备宏观尺度上长程有序的FePt颗粒单层膜结构；利用真空沉积技术，选 择高热稳定、化学稳定的无机薄膜B₄C作为高温退火中的阻隔层，防止单层膜 中FePt聚积和有序结构的破坏，最终得到高矫顽力的FePt/B₄C复合膜。

具体方法步骤如下：

1、单分散铁铂纳米颗粒的制备：0.5毫摩尔的乙酰丙酮铂、2毫摩尔的 Fe(CO)₅、1～4毫摩尔的油酸、1～4毫摩尔的油胺混合溶解在20毫升卞醇中，在 氮气条件下磁力搅拌。然后电热套加热，使溶液以5℃每分钟的速度升温至200 度，并保持这一温度反应2个小时制备得到单分散铁铂纳米颗粒溶液。

2、分散液、旋涂液的制备：溶液冷却至室温后，在溶液中倒入20～40毫升 无水乙醇，超声振荡5分钟后倒入离心管，以3000-10000转/分的速度进行离心， 离心后的褐色上清液倒掉，将管内黑色沉淀融入15毫升己烷中。再加相同体积 无水乙醇后用相同条件离心，得到的黑色沉淀融入10毫升己烷中，再利用己烷、 酒精以相同的条件清洗一次，将铁铂颗粒分散在10ml己烷中，形成稳定的分散 液。再加入1∶1的体积比的辛烷混合作为旋涂液。

3、用旋涂法制备铁铂单层膜：将大小为1×1厘米的洁净硅片放在匀胶机 上，将一滴铁铂旋涂液慢慢滴到硅片上，静置5～15秒，然后匀胶机在5秒内 加速到1 500～2000转每分钟，再维持这一转速80秒，等到硅片上的溶液干燥后 取出保存。

4、磁控溅射B₄C膜及高温退火相变：利用磁控溅射在FePt单层膜上溅射 一层10～50纳米的B₄C薄膜。本底真空是2×10^-4Pa，溅射过程中气压维持在 0.5Pa。溅射好的薄膜在真空条件下600～800℃退火一个小时。

5、检测入库。

本发明具有稳定性好，矫顽力高，集成度高，可重复性高等优点，能极大 地提高记录密度。

附图及说明

图1：本发明FePt单层颗粒膜/B₄C保护层的复合结构示意图，

从图1中清楚地看出B₄C保护层将FePt单层颗粒膜包容保护起来。

图2：本发明的FePt颗粒在硅片上典型的单层膜排列方式示意图，

其中(a)FePt旋涂液浓度为～2毫克/毫升；(b)FePt旋涂液浓度为～5毫克/ 毫升；(c)FePt旋涂液浓度为～8毫克/毫升。

图3：本发明FePt单层颗粒膜/B₄C保护层复合结构650℃真空退火1小时 后透射电镜视图，

其中(a)低分辨透射电镜俯视图，从中看出FePt颗粒在高温退火后没有发生 聚积，表现出良好的热稳定性；(b)高分辨透射电镜截面图，从中看出FeP颗粒 间被一层10纳米左右的B₄C隔开。

具体实施方式

下面用实施例对本发明进一步说明。

实施例1

1、0.5毫摩尔的乙酰丙酮铂、2毫摩尔的Fe(CO)₅、1毫摩尔的油酸、1毫 摩尔的油胺混合溶解在20毫升卞醇中，在氮气条件下搅拌加热，使溶液以5℃ 每分钟的速度升温至200度，并保持这一温度反应2个小时制备得到单分散铁 铂纳米颗粒。

2、溶液冷却至室温后，在溶液中倒入40毫升无水乙醇，超声振荡5分钟 后倒入离心管，以10000转/分钟的速度进行离心，离心后的褐色上清液倒掉， 将管内黑色沉淀融入15毫升己烷中。再加相同体积无水乙醇后用相同条件离心， 得到的黑色沉淀融入10毫升己烷中，再利用己烷、酒精以相同的条件清洗一次， 将铁铂颗粒分散在10ml己烷中，形成稳定的分散液。再加入1∶1的体积比的 辛烷混合作为旋涂液。

3、将大小为1×1厘米的洁净硅片放在匀胶机上，将一滴铁铂旋涂液慢慢 滴到硅片上，静置5～15秒，然后均胶机在5秒内加速到1500转每分钟，再维 持这一转速80秒，等到硅片上的溶液干燥后取出。

4、利用磁控溅射在FePt单层膜上溅射一层10纳米的B₄C薄膜。本底真空 是2×10^-4Pa，溅射过程中气压维持在0.5Pa。溅射好的薄膜在真空条件下650℃ 退火一个小时。

5、检测入库。

实施例2

1、0.5毫摩尔的乙酰丙酮铂、2毫摩尔的Fe(CO)₅、2毫摩尔的油酸、2毫 摩尔的油胺混合溶解在20毫升卞醇中，在氮气条件下搅拌加热，使溶液以5℃ 每分钟的速度升温至200度，并保持这一温度反应2个小时制备得到单分散铁 铂纳米颗粒。

2、溶液冷却至室温后，在溶液中倒入20毫升无水乙醇，超声振荡5分钟 后倒入离心管，以5000转/分的速度进行离心，离心后的褐色上清液倒掉，将管 内黑色沉淀融入15毫升己烷中。再加相同体积无水乙醇后用相同条件离心，得 到的黑色沉淀融入10毫升己烷中，再利用己烷、酒精以相同的条件清洗一次， 将铁铂颗粒分散在10ml己烷中，形成稳定的分散液。再加入1∶1的体积比的 辛烷混合作为旋涂液。

3、将大小为1×1厘米的洁净二氧化硅片放在匀胶机上，将一滴铁铂旋涂 液慢慢滴到硅片上，静置15秒，然后均胶机在5秒内加速到2000转每分钟， 再维持这一转速80秒，等到硅片上的溶液干燥后取出。

4、利用磁控溅射在FePt单层膜上溅射一层50纳米的B₄C薄膜。本底真空 是2×10^-4Pa，溅射过程中气压维持在0.5Pa。溅射好的薄膜在真空条件下 (10^-3Pa)600℃退火一个小时。

5、检测入库。

实施例3

1、0.5毫摩尔的乙酰丙酮铂、2毫摩尔的Fe(CO)₅、4毫摩尔的油酸、4毫 摩尔的油胺混合溶解在20毫升卞醇中，在氮气条件下搅拌加热，使溶液以5℃ 每分钟的速度升温至200℃，并保持这一温度反应2个小时制备得到单分散铁 铂纳米颗粒。

2、溶液冷却至室温后，在溶液中倒入30毫升无水乙醇，超声振荡5分钟 后倒入离心管，以3000转/分速度离心，离心后的褐色上清液倒掉，将管内黑色 沉淀融入15毫升己烷中。再加相同体积无水乙醇后用相同条件，得到的黑色沉 淀融入10毫升己烷中，再利用己烷、酒精以相同的条件清洗一次，最后将铁铂 颗粒分散在10ml己烷中，形成稳定的分散液。再加入1∶1的体积比的辛烷混 合作为旋涂液。

3、将大小为1×1厘米的洁净硅片放在匀胶机上，将一滴铁铂旋涂液慢慢 滴到硅片上，静置10秒，然后均胶机在5秒内加速到1500转每分钟，再维持 这一转速80秒，等到硅片上的溶液干燥后取出。

4、利用磁控溅射在FePt单层膜上溅射一层20纳米的B4C薄膜。本底真空 是2×10^-4Pa，溅射过程中气压维持在0.5Pa。溅射好的薄膜在真空条件下800℃ 退火一个小时。

5、检测入库。