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垂直磁记录介质的制备及物性研究

高铁仁  
【摘要】: 随着计算机及网络技术的发展,人们需要越来越高的数据存储密度,而磁记录存储是数据存储的最主要的方式,这就要求磁性材料中单个记录位的面积越来越小。因此,磁记录密度的提高面临着巨大的挑战,其中最重要的就是必须克服超顺磁极限所带来的挑战,这就要求必须采用垂直磁记录方式。垂直磁记录方式能够突破150 Gb/in~2的记录面密度。垂直磁记录介质是实现超高密度垂直磁存储的重要一环。本论文主要研究了三种垂直磁记录介质:CoPt纳米线、TbFeCo合金、CoCrPt合金。同时,磁记录读头也是磁记录的重要的构件之一。当今的磁记录读头多采用巨磁电阻(GMR)器件,GMR器件的一个核心内容是交换偏置(Exchange biasing)。近几十年来,尽管人们对交换偏置进行了大量的研究,然而对一些物理现象始终无法获得满意的解释,如交换偏置的磁化翻转的不对称性,本论文研究内容之一是交换偏置的磁化翻转不对称性。作为磁学研究中的一个最根本的问题,磁性材料的磁化和反磁化过程一直人们关心的问题。本论文的其中一个研究内容是Fe-Cr合金的磁化翻转机理的研究。 下面是本论文主要研究内容的简述: 一、Co-Pt纳米线我们主要研究了Co-Pt纳米线阵列的微观结构及其磁学特性。样品采用多孔阳极氧化铝模板和电化学沉积的办法制备。X射线结果表明制备态的Co-Pt纳米线具有FCC结构的择优取向。对于一定直径大小的纳米线样品,外磁场与纳米线平行的方向比其他方向具有更大的矫顽力和剩磁比。当测量温度从90K到600K时,平行于纳米线方向矫顽力和剩磁比单调减小:垂直于纳米线的方向矫顽力和剩磁比变化很小。对于平行和垂直于纳米线的两个方向,矫顽力和剩磁比随纳米线直径平方d~2的倒数成线性关系。根据形状各向异性、磁晶各向异性和磁偶极相互作用之间的关系,我们解释了矫顽力和剩磁比随测量温度和直径大小的变化关系。 二、TbFeCo合金采用磁控溅射技术,我们制备了不同厚度和不同成分的非晶TbFeCo薄膜。通过TEM、MOKE、VSM等证明了TbFeCo样品中出现相分离——底部垂直各向异性部分和上部面内各向异性部分。而且面内各向异性部分包含一个软磁部分和一个硬磁部分。面内的两个部分互相耦合使磁滞回线沿纵轴和横轴偏离坐标原点。面内矫顽力H_C和交换偏置场H_E随角度的变化关系和通常的铁磁/反铁磁双层膜的变化关系是一致的。沿着纵轴的偏移量M_E能用sin(φ_H+35°)来描述,因此,面内软磁和硬磁部分的磁化强度之间呈非共线排列。对于垂直各向异性部分,H_E和H_C随角度的变化关系可以用1/sinθ_H关系来描述,因此,垂直部分的磁化翻转是有畴壁位移来完成。H_E和H_C随着测量温度的增加而线性下降。 三、CoCrPt合金CoCrPt垂直磁记录介质分别采用三个独立靶源(Co、Cr、Pt)的多靶共溅射方法和单靶直溅射方法制备。通过放置小的Pt片在CoCr靶上形成CoCrPt合金。采用共溅射法,Co-Cr-Pt合金的成分能够通过各个靶的功率以及样品的位置来调节,所以CoCrPt的磁性能够很好的调节。然而这种方法不利于CoCrPt的取向。单靶直溅射法能够很好的控制样品的取向,但是不能很好的调节样品的成分。更为重要的是,采用多靶共溅射方法制备的样品,当外磁场的方向和样品的法线方向分别成10°和100°时,矫顽力和剩磁比分别出现最大值和最小值。所以样品的易轴偏离膜面法线方向10°。而采用单靶直溅方法制备的样品,矫顽力出现最大值和最小值的角度分别为0°和90°,即易轴垂直于膜面。 四、Fe-Cr合金利用共溅射方法制备了成分梯度的Fe_xCr_(1-x)(x=0.38-0.52)合金。X射线和铁磁共振(FMR)结果表明,不同成分的Fe_xCr_(1-x)具有单相的BCC[110]择优取向,并且合金的晶格常数随其成分几乎不发生改变。所以在磁化翻转过程中,畴壁的钉扎场H_P(0)不发生改变。与此同时,随着Fe含量的增加,单轴各向异性场H_K减小、磁化强度M_S增加。因此,H_p(0)/H_k的比值增加。所以,随着Fe含量的增加,Fe-Cr合金的磁化翻转机理将发生改变,从畴壁位移模型转变成一致转动和畴壁位移同时存在的Kondorsky模型。 五、铁磁/反铁磁交换偏置用磁控溅射法制备了铁磁/反铁磁双层膜,其中反铁磁层分别为IrMn和FeMn,铁磁层为FeNi。研究表明,交换偏置场和矫顽力均随铁磁层厚度的增加而减小,随反铁磁层厚度的增加而增加。分别沿着顺时针和逆时针方向测量样品的磁滞回线,发现对于顺时针和逆时针方向,交换偏置场随角度的变化关系几乎一致,而矫顽力、极向磁矩和不对称因子则存在迟滞性。随着反铁磁厚度的变化,迟滞效应和磁锻炼效应存在一定的关联。我们期望这一现象将有助于进一步深刻解释交换偏置的物理本质。


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