CN101252009B - Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用 - Google Patents

Abstract

Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用，它涉及Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金的新用途，特别是Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用。本发明解决了磁存储介质存在受超顺磁效应限制，记录密度高密度化受到限制的问题以及相变光存储介质需要一定的热积累过程，同时受存储介质热传导效应影响，导致信息存储密度低、写入及擦除速度慢的问题。一种Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用是以所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金用作光磁混合存储材料。光磁混合存储是一种全新的信息存储方式，它结合磁存储和光存储的优点，具有理论极限记录密度高、读出分辨率及灵敏度高、存取速度快等优点。

Description

Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用

技术领域

本发明涉及Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金的新用途，特别是Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用。

背景技术

目前作为大容量信息存储方式主要有磁存储和光存储。Co基薄膜介质为代表的垂直磁记录存储介质是超高密度磁记录的首选材料，具有容量大、读写速率快、传输速率高、工作可靠稳定等优点，但受超顺磁效应限制，记录密度高密度化受到限制。以Te基和非Te基半导体合金为代表的相变光存储介质具有存储寿命长、信息载噪比高等优点，但因其记录原理为温度场驱动的非晶态

晶态或晶态1晶态2转变，需要一定的热积累过程，同时受存储介质热传导效应影响，导致信息存储密度低、写入及擦除速度慢。

发明内容

本发明为了解决磁存储介质存在受超顺磁效应限制，记录密度高密度化受到限制的问题以及相变光存储介质需要一定的热积累过程，同时受存储介质热传导效应影响，导致信息存储密度低、写入及擦除速度慢的问题，进而提供了一种Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用。

本发明的技术方案是：一种Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用是以所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金用作光磁混合存储材料；所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金是采用厚度为1mm的p-Si(100)抛光单晶片做衬底，在衬底上通过射频磁控溅射设备溅射一层厚度为1μm的Ni₅₃Mn_23.5Ga_23.5合金或Ni₂MnGa合金薄膜；所述的Ni-Mn-Ga合金薄膜的制备是按以下步骤进行的：一、Ni-Mn-Ga合金靶材制备：合金选用纯度为99.92％-Ni、99.9％-Mn和99.99％-Ga三种金属，按照所需合金成分配比原料；采用非自耗真空电弧炉在氩气保护气氛下制备试样；熔炼前，采用机械泵、分子泵抽真空到5×10^-3Pa，再充入高纯氩气到2×10^-2Pa，开始熔炼，每个样品翻转熔炼四次并加以磁搅拌，待其冷却取出；采用线切割方法将其切割成尺寸为φ60mm×2mm的圆形靶材，靶材经机械抛光去除表面杂质，用丙酮清洗后封入真空度为4.5×10^-4Pa真空环境800℃退火2小时，随炉冷却到室温；二、基底的预处理：将硅衬底放入装有浓硫酸的烧杯中煮沸5分钟，倒掉硫酸残液，用去离子水冲洗3遍；再用按照NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5配比的一号洗液煮沸3分钟，倒掉残液后用去离子水冲洗3遍；接着再用按照HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8配比的二号洗液煮沸5分钟，倒掉残液，最后，用去离子水冲洗硅衬底3遍，将处理好的硅衬底取出后立即放入溅射设备内进行NiMnGa合金薄膜的沉积制备；三、薄膜制备与晶化处理：将靶材装配到JGP-350型射频磁控溅射设备上，开启设备，经过预抽真空、分子泵抽高真空达到所需真空度后，预溅射五分钟清除靶材表面的残留杂质；再将四片处理好的清洁的硅衬底放入JGP-350型磁控溅射室内的衬底托盘上，硅衬底处于靶材的正下方，溅射沉积Ni-Mn-Ga合金薄膜。

本发明具有以下有益效果：光磁混合存储是一种全新的信息存储方式，它结合磁存储和光存储的优点，具有理论极限记录密度高、读出分辨率及灵敏度高、存取速度快等优点。在光磁混合存储技术的研究过程中，高性能存储材料一直是研究的核心与关键。

附图说明

图1是射频磁控溅射设备的原理图，图2是Ni₅₃Mn_23.5Ga_23.5磁驱动记忆合金在马氏体相、母相两种状态下的反射率谱图(虚线和实线分别代表马氏体相、母相的反射率谱图，横坐标是波长/单位是nm，纵坐标是反射率)，图3是Ni₂MnGa磁驱动记忆合金母相的吸收谱图(横坐标是光子频率/单位是Hz，纵坐标是吸收系数/单位是cm^-1)，图4是Ni₂MnGa磁驱动记忆合金马氏体相的吸收谱图(横坐标是光子频率/单位是Hz，纵坐标是吸收系数/单位是cm^-1)。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用是以所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金用作光磁混合存储材料。

具体实施方式二：本实施方式所述光磁混合存储材料采用厚度为1mm的p-Si(100)抛光单晶片做衬底，所述衬底上通过射频磁控溅射设备溅射有一层Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金薄膜。用p-Si(100)抛光单晶片做衬底可使溅射其上的合金薄膜均匀。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金薄膜的厚度为1μm。1μm的合金薄膜可使存储做得更袖珍。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金是Ni₅₃Mn_23.5Ga_23.5合金或Ni₂MnGa合金。其它步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式为Ni-Mn-Ga合金薄膜的制备具体过程：

(一)、Ni-Mn-Ga合金靶材制备

试验合金选用纯度为99.92％-Ni、99.9％-Mn和99.99％-Ga三种金属，按照所需合金成分配比原料。采用非自耗真空电弧炉在氩气保护气氛下制备试样。熔炼前，采用机械泵、分子泵抽真空到5×10^-3Pa，再充入高纯氩气到2×10^-2Pa，开始熔炼。为了保证铸锭化学成分的均匀性，每个样品翻转熔炼四次并加以磁搅拌，待其冷却取出。采用线切割方法将其切割成尺寸为的圆形靶材。靶材经机械抛光去除表面杂质，用丙酮清洗后封入真空度为4.5×10^-4Pa真空环境800℃退火2小时，随炉冷却到室温。

(二)基底的预处理

采用p-Si(100)抛光单晶片做衬底，晶片厚度为1mm，尺寸为20mm×20mm，电阻率20Ω·cm。

在薄膜制备过程中，衬底的类型和表面的清洁度都对薄膜的质量有重要影响。由于Si制作工艺的特殊性，在Si表面会残留有金属K+离子、Na+离子、还会吸附氧原子等杂质，结果造成沉积的原子在杂质处最先形核，使得该点原子密集，薄膜表面可能出现孔洞或造成薄膜表面不平整，而且不洁净的衬底容易造成薄膜与衬底之间的附着力小，薄膜易脱落。为此，本实验采用：将硅衬底放入装有20ml浓硫酸的烧杯中煮沸5分钟，倒掉硫酸残液，用去离子水冲洗3遍；再用按照NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5配比成的一号洗液煮沸3分钟，倒掉残液后用去离子水冲洗3遍；接着再用按照HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8配比的二号洗液煮沸5分钟，倒掉残液，最后，用去离子水冲洗衬底3遍，以备用。因为清洗干净的衬底容易被污染，所以本文所采用的衬底清洗过程都是在制备薄膜前几分钟进行的，将处理好的硅衬底取出后立即放入溅射设备内进行NiMnGa合金薄膜的沉积制备。

(三)薄膜制备与晶化处理

如图1所示，采用JGP-350型射频磁控溅射设备溅射沉积了NiMnGa合金薄膜，其工作原理是：在所述溅射设备的阴极8上方形成一个正交电磁场。当溅射产生的二次电子6在阴极位降区内被加速为高能电子后，并不直接飞向阳极，而是在正交电磁场作用下作来回振荡的近似摆线运动。在运动中高能电子不断地与气体分子发生碰撞，并向后者转移能量，使之电离而本身变为低能电子。这些低能电子最终沿磁力线5漂移到阴极附近的辅助阳极而被吸收，从而避免了高能电子对基板的强烈轰击，消除了二极溅射中极板被轰击加热和被电子辐照引起损伤的根源，从而使磁控溅射具有极板“低温”的特点。将表面经过去杂质处理的靶材9装配到JGP-350型射频磁控溅射设备上，同时将四片处理好的清洁的(100)取向单晶Si衬底2放入JGP-350型磁控溅射室内的衬底托盘1上，衬底2处于靶材9的正下方，以使溅射出的粒子3能够均匀沉积到硅衬底2上。开启设备后，经过预抽真空、分子泵抽高真空达到所需真空度后，预溅射五分钟清除靶材表面的残留杂质。

本发明实现的技术原理是：

Ni-Mn-Ga合金薄膜可在磁场作用下发生母相→马氏体以及马氏体I→马氏体II的热弹性相变，而当温度超过合金马氏体逆相变终了温度后，马氏体又发生逆转变回到母相状态。而其母相与马氏体的光反射率差存在明显差异(约为25％)，可分别用来代表数字信息中的“0”和“1”，因而采用Ni-Mn-Ga薄膜可实现信息的光磁混合存储：(1)信息写入：利用脉冲磁场诱发薄膜纳米微区母相→马氏体相变形成马氏体，该马氏体区域可视为“1”，而薄膜其他部分仍为母相，可视为“0”。(2)信息读取：用低功率激光照射，利用不同区域相结构不同(母相与马氏体)光反射率不同读出存储信息；(3)信息擦除：采用高功率的激光辐照加热薄膜，使光照区域诱发马氏体转变为母相，实现信息擦除。从而为Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金薄膜作为光磁混合存储介质提供一个切实可行的途径。

Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金的光学性能如下：

如图2所示，在250-800nm波长范围内，马氏体相的反射率比母相的高。对于马氏体相，随着波长从800nm降低到300nm，反射率逐渐增大。在300nm处，反射率达到最大值，当波长进一步降低，反射率开始减小。对于母相，随波长降低，反射率也是先增大后减小。在350nm处，反射率达到最大值。值得注意的是，当波长在600-800nm范围时，合金马氏体相与母相的反射率相差很小，随着波长的降低，马氏体相与母相的反射率差逐渐增大。在300nm附近，两相反射率差达到最大值，随波长进一步降低，反射率差又开始减小。与马氏体相和母相间的最大反射率差对应的反射率反衬度为24％。上述研究表明，母相与马氏体相反射率最大值对应的波长分别为350和300nm。马氏体相反射率比母相的大，在300nm处，母相与马氏体相的反射率反衬度达到最大值24％，在相变光存储中具有实际应用价值。

如图3和图4所示，母相的吸收谱主要有三个依次增大的峰，对应的光子频率分别为22068Hz，51929Hz，68126Hz。当光子频率大于68126Hz时，吸收系数急剧减小。对于马氏体相，其吸收谱也有三个峰，当能量小于27242Hz时，吸收系数迅速增大，随着频率增大，吸收系数逐渐减小。当光子频率大于72476Hz时，吸收系数急剧减少。在低频区域，马氏体相的吸收系数比母相的大，而在较高的频率区域，马氏体相的吸收系数比母相的小。

Claims (1)

1.一种Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金作为光磁混合存储材料的应用，其特征在于以所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金用作光磁混合存储材料；所述Ni-Mn-Ga磁驱动记忆合金是采用厚度为1mm的p-Si(100)抛光单晶片做衬底，在衬底上通过射频磁控溅射设备溅射一层厚度为1μm的Ni₅₃Mn_23.5Ga_23.5合金或Ni₂MnGa合金薄膜；所述的Ni-Mn-Ga合金薄膜的制备是按以下步骤进行的：一、Ni-Mn-Ga合金靶材制备：合金选用纯度为99.92％-Ni、99.9％-Mn和99.99％-Ga三种金属，按照所需合金成分配比原料；采用非自耗真空电弧炉在氩气保护气氛下制备试样；熔炼前，采用机械泵、分子泵抽真空到5×10^-3Pa，再充入高纯氩气到2×10^-2Pa，开始熔炼，每个样品翻转熔炼四次并加以磁搅拌，待其冷却取出；采用线切割方法将其切割成尺寸为φ60mm×2mm的圆形靶材(9)，靶材(9)经机械抛光去除表面杂质，用丙酮清洗后封入真空度为4.5×10^-4Pa真空环境800℃退火2小时，随炉冷却到室温；二、基底的预处理：将硅衬底(2)放入装有浓硫酸的烧杯中煮沸5分钟，倒掉硫酸残液，用去离子水冲洗3遍；再用按照NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶5配比的一号洗液煮沸3分钟，倒掉残液后用去离子水冲洗3遍；接着再用按照HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶2∶8配比的二号洗液煮沸5分钟，倒掉残液，最后，用去离子水冲洗硅衬底(2)3遍，将处理好的硅衬底(2)取出后立即放入溅射设备内进行NiMnGa合金薄膜的沉积制备；三、薄膜制备与晶化处理：将靶材(9)装配到JGP-350型射频磁控溅射设备上，开启设备，经过预抽真空、分子泵抽高真空达到所需真空度后，预溅射五分钟清除靶材表面的残留杂质；再将四片处理好的清洁的硅衬底(2)放入JGP-350型磁控溅射室内的衬底托盘(1)上，硅衬底(2)处于靶材(9)的正下方，溅射沉积Ni-Mn-Ga合金薄膜。

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