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PtCoNi合金薄膜的结构、磁性和磁光特性研究

周健  
【摘要】:信息社会的飞速发展迫切需要高密度记录材料的出现。尽管Co_(1-x)Pt_x合金薄 膜由于具有容易制备、化学性能稳定、较高的各向异性(Ku=0.4~2MJ/m~3)和短波 长下有更大的磁光信号等特点而一度引起了材料和物理学界的关注,但是其较 高的居里温度严重限制了这类材料的应用。为了探索一种既具有较低的居里温 度,又具有较高的磁和磁光特性的材料,我们采用工艺上比较便捷的复合靶磁 共溅射方法,在 Pt_3Co合金薄膜中添加 Ni,通过工艺条件的调节,首次成功制 备出性能优良的PtCoNi合金薄膜材料。 Ni的添加采取两种方法.1),通过在Pt_3Co合金靶上加贴小块Ni片,来调 节Ni的成分,以期获得低Tc、高垂直各向异性和蓝波下高克尔转角的(Pt_3Co)_(1-x)Ni_x 合金膜,结果发现,Ni的适度引入(x=0 43)不仅能降低居里温度(Tc=242℃),而 且能获得较高的垂直各向异性(Ku为0 5MJ/m~3、矫顽力为280 KA/m,剩磁比为 1)和蓝波(302nm)下高克尔转角(0 48°),2),通过在 Pt靶上加贴小块 Co和 Ni片, 来调节Co、Ni的成分,以期获得低Tc、高垂直各向异性和蓝波下高克尔转角 的Pt_3(Co_(1-x)Ni_x)合金膜。结果发现Ni的引入明显降低了居里温度,但对垂直各 向异性和蓝波下高克尔转角有一定程度的影响。选择较适度Ni的添加(x=0 4), 相应的居里温度为200℃。 由于第一种方法制备的(Pt_3CO)_(1-x)Ni_x(x=0 43)合金膜的最低居里温度仍然比较 高,为242℃,而且这一居里温度也几乎无法通过工艺条件的调节进一步降低。 而第二种方法制备的Pt_3(Co_(1-x)Ni_x)合金膜居里温度的可调性较大,因此我们选择 适度Ni添加的Pt_3(Co_(1-x)Ni_x)(x=0 4)合金薄膜来进行工艺条件的调节。通过对不 同Ar气压、薄膜厚度、衬底温度等工艺条件和样品的结构、磁性和磁光特性的 关系的研究发现:较高的Ar气压有利于形成大垂直磁各向异性和磁光性能,15~ 20Pa为最佳溅射Ar气压:样品过薄或过厚都不利于形成大垂直磁各向异性和 磁光性能,最佳薄膜厚度应该小于等于60nm;240~280℃的衬底温度范围内 样品的垂直磁各向异性最大,短波下Kerr转角也最大。 !一 在上述最佳条件下获得Pt;*O;plJX司 4)的最佳磁和磁光性能如下:矫顽 力 305KA/m.垂直磁各向异性常数为 0 4MJ/m’,剩磁比为 l,居里温度为 200’C; 短波下的最大 Kerr转角为 0 45’。这表明,通过M的适度引入可以获得低居里 温度、大垂直磁各向异性和蓝波下较高的 Kerr转角的 Pt。Ko;.川 *—0 4)材料。 这一材料很可能成为替代现己实用的TbFeCo合金薄膜的新磁光材料。 磁性薄膜的垂直磁各向异性的起源问题也是学术上讨论的热点之一。这里 基于PtC。NI合金薄膜进行了探讨。 研究了不同 AI气压下制备的氏④O;.pIJk—0 4)合金薄膜 X射线衍射图和 K>rr回线,结果发现,随着Ar气压的增加,<门1>织构不断降低,而垂直磁各 向异性却不断增加。因此,有理由认为,在现研究系统中。<111>织构并不是垂 直磁各向异性形成的主要原因。 如果单轴各向异性的机制是由于应力感生,应力与热处理温度(或制备时衬 底温度)和室温的差应该成正比。随着衬底温度的增加,由应力感生的磁各向异 性应该增加。而我们的实验表明,在常温下,薄膜的垂直磁各向异性较小(饱和 Kerr转角比较小,Kerr剩磁比小于 1),只有在基片温度达到一定理想值后,即 240-280’C,合金膜才能具有较大的垂直磁各向异性。过高的基片温度(高于325 ’C)也会导致垂直磁各向异性的下降,即薄膜的易磁化轴可能己部分位于膜面 内。因此应力并不是产生PtC。NI合金薄膜的垂直磁各向异性的主要原因。 基于PtCONI合金薄膜上获得的实验数据,通过对Pt下O,PtCO和PtCO。合金 薄膜中垂直磁各向异性的解释的比较分析,认为无序PtCoNI合金薄膜中的垂直 磁各向异性与样品中的局域有序相形成有关。这些局域有序相以富C。、富* 和富C。NI区为特征。 最后,我们基于Pt厂O合金薄膜提出了一种磁光多层膜的优化设计新方法。 新方法不仅同时计及了热学、光学的特性,而且也考虑了实际应用中的道跟踪 所需反射率的大小p0~30%X 结果发现新方法比传统方法更合理,在算法上 也更便捷。


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