一种具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜的制备方法

摘要

本发明公开了一种具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜的制备方法，包括：将衬底放入真空薄膜沉积系统；在衬底上生长缓冲层；将衬底保持在一定温度，在缓冲层上沉积一种能够形成液滴或颗粒状的元素X

说明书

技术领域

本发明涉及到高密度磁性存储、磁光存储以及高灵敏度磁性传感器等 技术领域，尤其是一种具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜的制备方法。

背景技术

近年来，信息技术发展突飞猛进，对信息存储密度和存储速度的要求 不断增加。为进一步提高磁光盘、磁盘等的记录密度，记录介质中磁性单 元尺寸必须减小到10nm以内，而在这样小尺寸下，传统的水平记录模式 遇到了无法克服的极限——由于热扰动导致的超顺磁效应。

为了克服这一极限，垂直磁记录技术理论进入人们的视野，并受到越 来越广泛的重视。为了在提高存储密度的同时能够保持热稳定性，垂直记 录的介质必须具有高的垂直磁各向异性。同时为了提高信噪比，减少相邻 比特、磁盘中永磁体和其它各种外界电磁噪声干扰，存储介质需要具有较 高的矫顽力。垂直磁化的连续薄膜是人们关注的重点，因为其具有高的垂 直磁各向异性且同时具有高矫顽力及饱和磁化强度，且连续薄膜的制备方 法简单。但是，铁磁薄膜在实际的存储过程中，每一个存储单元都是由多 个的晶粒组成，而晶粒在膜面上连续的分布将会导致晶粒间的磁耦合无法 消除，从而会导致过渡层变宽，噪音增大。而具有垂直磁各向异性的铁磁 颗粒膜在运用于磁存储介质时，其存储单元是独立的铁磁颗粒，可以克服 相互之间的磁耦合，从而在提高存储密度的同时，保证存储信号的高信噪 比及存储稳定性。

截止目前，还没有一种可以用来制备具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒 膜方法的报道。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的是提供一种具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒 膜的制备方法，以制备出具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒 膜的制备方法，包括：步骤1：将衬底1放入真空薄膜沉积系统2；步骤2： 在衬底1上生长缓冲层3；步骤3：将衬底1保持在一定温度，在缓冲层3 上沉积一种能够形成液滴或颗粒状的元素X₁，并形成多个液滴或颗粒4； 步骤4：在液滴或颗粒4上继续沉积能够与元素X₁形成合金的元素X₂， 完成具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜的制备。

上述方案中，步骤1中所述衬底1为GaAs衬底、Si衬底、玻璃衬底、 MgO衬底、蓝宝石衬底或SiC衬底。

上述方案中，步骤1所述真空薄膜沉积系统2为分子束外延系统、磁 控溅射系统、热蒸发系统、激光脉冲沉积系统或MOCVD。

上述方案中，步骤2中所述缓冲层3采用的材料为GaAs、Si、MgO、 Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta或Pd。

上述方案中，步骤3中所述将衬底1保持在一定温度，该温度为77K 至1300K。

上述方案中，步骤3中所述元素X₁为Ga、Al、In、Fe或Co，对应 形成的液滴或颗粒4分别为Ga液滴、In液滴、Al液滴或颗粒、Fe液滴或 颗粒、Co液滴或颗粒。

上述方案中，步骤3中所述形成多个液滴或颗粒4，液滴或颗粒4的 尺寸为3nm-100nm，密度为10¹¹-10¹³个/英吋²。

上述方案中，步骤4中所述元素X₂为Mn、Pt、Pd、Al或Co，沉积 方式为单独或几种元素同时沉积。

上述方案中，步骤4中所述制备的铁磁颗粒膜为In_xMn、Co_xFe_yPd_z、 Co_xFe_yPt_z或Mn_xGa_yAl_z，其中x、y、z为组分比例，0<x<3，0<y<3，0<z<3。

(三)有益效果

本发明的有益效果是，利用本发明，制备出了具有垂直磁各向异性的 铁磁颗粒膜，并且该铁磁颗粒膜具有均匀可控的颗粒尺寸，同时具有非常 优越的室温铁磁性能，包括超高的垂直磁各向异性、较高的矫顽力及饱和 磁化强度、接近于1的剩磁比，这些性质使得其在垂直磁存储、磁光存储 以及高灵敏度磁性传感器等技术领域有着很广泛的应用前景。此外，由于 利用本发明制备的铁磁颗粒膜可以在多种衬底上生长，所以利用该发明制 备的铁磁颗粒膜制备的各类器件结构可以与目前已经非常成熟的半导体 工艺完美兼容。

附图说明

图1是本发明提供的制备具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜的方法流 程图；

图2是利用本发明制备的具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜的样品结 构示意图；

图3是利用本发明制备的铁磁颗粒膜层在300K时的垂直磁滞回线；

图4是利用本发明制备的铁磁颗粒膜层的表面形貌原子力显微(AFM) 图像。

图5是利用本发明制备的铁磁颗粒膜层的高分辨透射电镜显微图像。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的制备具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜的方法，采用液 相沉积法，首先利用真空薄膜沉积系统在缓冲层上沉积一种可以形成液滴 或颗粒的元素，如Ga、Al、In、Fe、Co等，形成液滴或颗粒，然后再在 液滴上沉积另一种元素，如Mn、Pt、Pd、Al、Co，从而制备出具有垂直 磁各向异性的铁磁颗粒膜。

如图1所示，图1是本发明提供的制备具有垂直磁各向异性的铁磁颗 粒膜的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤1：将衬底1放入真空薄膜沉积系统2；

在本步骤中，衬底1可以采用GaAs衬底、Si衬底、玻璃衬底、MgO 衬底、蓝宝石衬底或SiC衬底；真空薄膜沉积系统2可以采用分子束外延 系统、磁控溅射系统、热蒸发系统、激光脉冲沉积系统或MOCVD。

步骤2：在衬底1上生长缓冲层3；

在本步骤中，缓冲层3采用的材料可以为GaAs、Si、MgO、Cr、InAs、 InGaAs、AlGaAs、Al、Ta或Pd。

步骤3：将衬底1保持在一定温度，在缓冲层3上沉积一种能够形成 液滴或颗粒状的元素X₁，并形成多个液滴或颗粒4，其中液滴或颗粒4的 尺寸一般为3nm-100nm，密度一般为10¹¹-10¹³个/英吋²。

在本步骤中，将衬底1保持在一定温度，该温度为77K至1300K；元 素X₁为Ga、Al、In、Fe、Co，对应形成的液滴或颗粒4分别为Ga液滴、 In液滴、Al液滴或颗粒、Fe液滴或颗粒、Co液滴或颗粒。

步骤4：在液滴或颗粒4上继续沉积能够与元素X₁形成合金的元素 X₂，完成具有垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜5的制备；

在本步骤中，元素X₂为Mn、Pt、Pd、Al、Co，沉积方式为单独或几 种元素同时沉积；制备的铁磁颗粒膜5为In_xMn、Co_xFe_yPd_z、Co_xFe_yPt_z或 Mn_xGa_yAl_z，其中x、y、z为组分比例，0<x<3，0<y<3，0<z<3。

请参阅图2所示，以利用分子束外延技术、在GaAs衬底上制备铁磁 颗粒膜Mn_xGa_y的实施例1作具体说明。具体包括如下具体步骤：

步骤1：将衬底1放入真空薄膜沉积系统2的样品架上，所述衬底1 的材料为GaAs、Si、玻璃、MgO、蓝宝石、SiC等，但不限于以上材料； 所述真空薄膜沉积系统2为分子束外延沉积系统、磁控溅射系统、热蒸发 系统、激光脉冲沉积系统、MOCVD等，但不限于以上薄膜沉积系统。其 中在实施例1中，衬底1为GaAs，薄膜沉积系统2为分子束外延系统。

步骤2：在衬底1上生长缓冲层3，其中缓冲层3可以为GaAs、Si、 MgO、Cr、InAs、InGaAs、AlGaAs、Al、Ta、Pd等，但不限于以上缓冲 层。其中在实施例1中，缓冲层为GaAs。

步骤3：将衬底1的温度保持在一定温度，在缓冲层3上单独沉积可 以形成液滴或颗粒的元素X₁，形成液滴或颗粒4。上述所述温度为77K到 1300K，所述元素X₁为Ga、Al、In、Fe、Co，形成的液滴或颗粒4分别 为Ga液滴、In液滴、Al液滴或颗粒、Fe液滴或颗粒、Co液滴或颗粒。 其中在实施例1中，元素X₁为Ga元素，具体温度为100K到550K。

步骤5：继续在液滴4上沉积铁磁颗粒膜中的另一种元素X₂，从而完 成具垂直磁各向异性的铁磁颗粒膜层的制备。其中元素X₂为Mn、Pt、Pd、 Al、Co，沉积方式为单独或几种元素同时沉积，所制备的铁磁颗粒膜层5 的材料为In_xMn、Co_xFe_yPd_z、Co_xFe_yPt_z、Mn_xGa_yAl_z，其中x、y、z为组分 比例，0<x<3，0<y<3，0<z<3。其中在实施例1中所制备的铁磁颗粒膜层 5为Mn_xGa_y，从反射式高能电子衍射原位图像可以看到在缓冲层3上生长 铁磁颗粒层5为高质量单晶，同时x、y的比值从0.6:1至3.0:1均可以制 备出具有垂直磁各向异性的Mn_xGa_y。

图3代表性地给出了衬底1在200℃温度制备的铁磁颗粒膜层5的磁 性测量结果，表明利用该发明方法制备的铁磁薄膜层5具有非常优异的室 温铁磁性能，包括高的垂直磁各向异性、高的矫顽力、适中的饱和磁化强 度、接近于1的剩磁比，在垂直磁存储等领域有着广泛的应用前景。

图4代表性地给出了利用该方法制备的铁磁颗粒膜层5的AFM表面 形貌图，表明利用该方法制备的铁磁颗粒膜层5具有很好的均一性。

图5代表性地给出了利用该方法制备的铁磁颗粒膜层5的TEM图， 表明了利用该方法制备的铁磁颗粒膜层，该铁磁颗粒膜具有很好的单晶结 构。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。