CN101923865A - 一种电流直接驱动磁记录介质薄膜的原子有序的方法 - Google Patents
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Abstract
一种电流直接驱动磁记录介质薄膜的原子有序的方法，属于高密度磁记录介质材料技术领域。本发明利用磁控溅射方法，在玻璃基片上依次沉积铁铂FePt原子和钽Ta原子，其厚度范围为50～500，本底真空度为1×10-5～7×10-5Pa，溅射时氩气(99.99％)压为0.4～1.2Pa；基片温度为20～800℃。沉积完毕后，将薄膜降至室温，在薄膜的两端引出Cu电极，并与恒流源连接。将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5～7×10-5Pa时，在薄膜两端通入电流，电流大小为50mA～1000mA，通电时间为5秒～300秒。本发明通过薄膜自身的电阻产生热量并驱动Fe、Pt原子的有序化运动，大大减小传统退火过程中的热量损耗，提高了热量的有效利用率；结构简单，成本低廉，适用于未来的生产。
Description
技术领域
本发明属于高密度磁记录介质材料技术领域，特别是提供了一种电流直接驱动磁记录介质L10-FePt薄膜的原子有序的方法。
背景技术
当今时代是一个信息时代，大量的信息交流对信息的存储密度和稳定性提出了更高的要求。硬盘磁记录存储以大容量、高读写速度及可擦写等特点，在以计算机为代表的信息处理设备中占据了主流地位。在过去的十几年中，硬盘磁记录技术得到了飞速的发展。2008年8月，Hitachi公司通过应用已有的垂直磁记录技术和隧道磁电阻磁头技术，使硬盘的面密度达到了610Gb/in2。(http://www.physorg.com/news136815757.html)。记录密度要进一步提高，必须减小磁记录单畴颗粒的尺寸。当磁记录面密度达到1Tb/in2时，晶粒尺寸应小于5nm，此时由于热稳定性的需要，磁记录材料必须具有更高的磁晶各向异性才能克服由于超顺磁效应引起的热退磁现象。L10-FePt有序合金具有非常高的磁晶各向异性(Ku＝7×106J/m3)，可以在颗粒尺寸为3nm时仍具有非常好的热稳定性，因此近年来成为倍受关注的磁记录介质材料而被广泛研究。
然而，直接沉积的FePt薄膜只具有面心立方结构(fcc-FePt相)，这种结构中的Fe和Pt原子为无序占位，因此其Ku值较小(表现为软磁性能)，不能适用于磁记录介质中。真正能够应用于磁记录介质的FePt薄膜必须具有面心四方结构(fct-FePt相，即L10-FePt相)，这种结构中的Fe原子占据四方结构的顶角和上下底心位置，Pt原子占据四方结构的侧面面心位置，从而形成Fe原子层和Pt原子层交替排列的有序L10结构，其Ku值较大(表现为良好的硬磁性能)。所以必须实现由fcc-FePt相向fct-FePt相的转变过程(即Fe、Pt原子的有序化过程)，目前实现这一相转变过程的最广泛使用的方法是：对直接沉积的FePt薄膜进行原位退火或后续退火处理，一般退火温度300～550℃(Y.Endo，N.Kikuchi，O.Kitakami，and Y.Shimada，J.Appl.Phys.89，7065(2001)；T.Seki，T.Shima and K.Takanashi，J.Magn.Magn.Mater.272-276，2182(2004)；S.R.Lee，S.Yang and Y.Keunkim，Appl.Phys.Lett.78，4001(2001))。这种方法是利用在亥姆霍斯线圈中通过电流以产生热量，通过热传递方式将热量传递给需要加热的样品(处于真空或气氛保护下)，以实现对样品的加热退火过程。当薄膜样品达到一定温度时，热动力可以驱动薄膜中Fe、Pt原子的有序运动，实现fcc-FePt相向fct-FePt相转变。但是，由于线圈的电阻产生的热量大部分损失在空气中，传递给真空中的样品的热量就更少了，所以必然导致线圈热量的有效利用率很低。换句话说，采用传统的退火方式驱动Fe、Pt原子有序的方法需要的能耗较多，这不利于磁记录介质的实用化生产，更重要的是不符合目前国际上提倡的“低碳环保”以及胡锦涛主席提出的“节能减排”的理念。此外，国际上也有研究者利用离子辐照或激光辐照的方法来驱动FePt薄膜中的Fe、Pt原子的有序化运动(D.Ravelosona，C.Chappert，V.Mathet.Appl.Phys.Lett.76，236(2000)；M.Weisheit，L.Schultz，S.Fahler.J.Magn.Magn.Mater.290-291，570(2005))，但是这些方法需要昂贵、复杂的配套设备，也是不利于工业生产的。综上所述，目前驱动磁性薄膜的相关原子运动的方法存在能耗大、热量利用率低或设备复杂、昂贵等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电流直接驱动磁记录介质L10-FePt薄膜的Fe、Pt原子有序的方法，解决传统退火工艺中存在的热量能耗大、有效利用率低的工业化生产问题，同时成本低廉，设备简单。
一种电流直接驱动磁记录介质薄膜的原子有序的方法，具体技术方案如下：利用磁控溅射方法，在清洗干净的玻璃基片上依次沉积铁铂FePt(50～
)原子和钽Ta(50～
)原子以制备出铁铂FePt(50～)/钽Ta(50～
)薄膜。溅射室本底真空度为1×10-5～7×10-5Pa，溅射时氩气(99.99％)压为0.4～1.2Pa；基片温度为20～800℃。沉积完毕后，将薄膜降至室温，在薄膜的两端引出Cu电极，并与恒流源连接。将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5～7×10-5Pa时，在薄膜两端通入电流(由恒流源提供)，电流大小为50mA～1000mA，通电时间为5秒～300秒。
本发明的原理为：通过在FePt薄膜的两端引出电极并直接通入恒定电流，利用薄膜自身的电阻产生热量，将热量直接传递给薄膜中的Fe、Pt原子，以驱动Fe、Pt原子的有序化运动，实现由fcc-FePt结构向L10-FePt结构的转变。
本发明的优点在于：此方法直接将电流施加在磁性薄膜的两端，通过薄膜自身的电阻产生热量，并驱动其中的原子相关运动，实现对其相变的控制，因此大大减小传统原位退火或后续退火过程中的不必要的热量在真空或空气中的损失，即减小了能耗，提高了热量的有效利用率，有利于达到“低碳环保、节能减排”的目的。此外，此方法只需要在薄膜两端接入一个固定的衡量源，结构简单，避免了传统退火或离子辐照等方法中设备的复杂性，所以它还具有成本低，制备简单等优点，适用于未来的生产。
附图说明
图1是在玻璃基片上的FePt/Ta
样品(样品1)，采用本发明中的电流直接驱动方法后测量的磁滞回线，横轴为外加磁场H，纵轴为磁化强度M。电流大小为300mA，通电时间5秒。
图2是在玻璃基片上的FePt/Ta
样品(样品1)，采用传统退火方法后测量的磁滞回线(用于与图1做对比)，横轴为外加磁场H，纵轴为磁化强度M。退火温度为550℃，退火时间为20分钟。
图3是在玻璃基片上的FePt/Ta
样品(样品2)，采用本发明中的电流直接驱动方法后测量的磁滞回线，横轴为外加磁场H，纵轴为磁化强度M。电流大小为100mA，通电时间15秒。
图4是在玻璃基片上的FePt/Ta
样品(样品2)，采用传统退火方法后测量的磁滞回线(用于与图3做对比)，横轴为外加磁场H，纵轴为磁化强度M。退火温度为450℃，退火时间为20分钟。
图5是在玻璃基片上的FePt
/Ta
样品(样品3)，采用本发明中的电流直接驱动方法后测量的磁滞回线，横轴为外加磁场H，纵轴为磁化强度M。电流大小为50mA，通电时间300秒。
图6是在玻璃基片上的FePt
/Ta
样品(样品3)，采用传统退火方法后测量的磁滞回线(用于与图5做对比)，横轴为外加磁场H，纵轴为磁化强度M。退火温度为350℃，退火时间为20分钟。
表1是上述三组样品利用传统退火处理方法以及本发明中的电流直接驱动方法所需要的能耗值、矫顽力值(通过矫顽力值可以判断样品的有序化程度，因此为保证两种方法下的样品的有序化程度相当，需保证它们的矫顽力值相当)。
具体实施方式
实施例一、图1代表的薄膜样品为本发明电流驱动原子有序的实施案例一，其制备工艺条件为：溅射室本底真空度为1×10-5，溅射时氩气(99.99％)压为0.4Pa；基片温度为20℃。沉积完毕后，将薄膜降至室温，在薄膜的两端引出Cu电极，并与恒流源连接。将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5Pa时，在薄膜两端通入电流(由恒流源提供)，电流大小为300mA，通电时间为5秒。
图2代表的薄膜样品为传统真空退火的对比案例一，其制备工艺条件为：溅射室本底真空度为1×10-5，溅射时氩气(99.99％)压为0.4Pa；基片温度为20℃。沉积完毕后，将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5Pa时进行传统的真空退火处理，退火温度为550℃，退火时间为20分钟。
实施例二、图3代表的薄膜样品为本发明电流驱动原子有序的实施案例二，其制备工艺条件为：溅射室本底真空度为4×10-5，溅射时氩气(99.99％)压为0.7Pa；基片温度为400℃。沉积完毕后，将薄膜降至室温，在薄膜的两端引出Cu电极，并与恒流源连接。将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5Pa时，在薄膜两端通入电流(由恒流源提供)，电流大小为100mA，通电时间为15秒。
图4代表的薄膜样品为传统真空退火的对比案例二，其制备工艺条件为：溅射室本底真空度为4×10-5，溅射时氩气(99.99％)压为0.7Pa；基片温度为400℃。沉积完毕后，将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5Pa时进行传统的真空退火处理，退火温度为450℃，退火时间为20分钟。
实施例三、图5代表的薄膜样品为本发明电流驱动原子有序的实施案例三，其制备工艺条件为：溅射室本底真空度为7×10-5，溅射时氩气(99.99％)压为1.2Pa；基片温度为800℃。沉积完毕后，将薄膜降至室温，在薄膜的两端引出Cu电极，并与恒流源连接。将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5Pa时，在薄膜两端通入电流(由恒流源提供)，电流大小为50mA，通电时间为300秒。
图6代表的薄膜样品为传统真空退火的对比案例三，其制备工艺条件为：溅射室本底真空度为7×10-5，溅射时氩气(99.99％)压为1.2Pa；基片温度为800℃。沉积完毕后，将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5Pa时进行传统的真空退火处理，退火温度为350℃，退火时间为20分钟。
结合图3所代表的薄膜样品进一步说明本方法：
首先将玻璃基片用有机化学溶剂、去离子水以及酒精超声清洗，然后装入溅射室样品基座上，基片保持400℃。溅射室本底真空4×10-5Pa，在溅射时氩气(纯度为99.99％)压为0.7Pa的条件下依次沉积铁铂FePt
原子和钽Ta
原子以制备出铁铂FePt
/钽Ta
薄膜。将薄膜降至室温，在薄膜的两端引出Cu电极，并与恒流源连接。将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5Pa时，在薄膜两端通入电流(由恒流源提供)，电流大小为100mA，通电时间为15秒。
经检测，采用传统的真空退火方法(450℃退火20分钟)和采用本发明中的电流直接驱动原子有序方法(电流大小为100mA，通电时间为15秒)的磁滞回线相差不大，其重要指标矫顽力值也几乎相同，说明采用这两种方法后的薄膜的有序化程度相当。在这一前提下，比较两种方法需要的能耗才有意义。经计算，采用传统的真空退火方法和采用本发明中的电流直接驱动原子有序方法需要的能耗分别为9200J和45J，可以明显看出：采用电流直接驱动原子有序方法可以大大减小能耗(只有传统退火的1％左右)，有利于提高热量的有效利用率，达到“低碳环保、节能减排”的目的。此外，此方法还具有成本低，制备简单等优点，适用于未来的生产。
表1传统退火处理方法以及电流直接驱动方法的能耗值和矫顽力值
Claims (1)
1.一种电流直接驱动磁记录介质薄膜的原子有序的方法，其特征在于：利用磁控溅射方法，在玻璃基片上依次沉积铁铂FePt原子和钽Ta原子，其厚度范围为50～本底真空度为1×10-5～7×10-5Pa，溅射时纯度99.99％的氩气压为0.4～1.2Pa；基片温度为20～800℃；沉积完毕后，将薄膜降至室温，在薄膜的两端引出Cu电极，并与恒流源连接；将样品放入真空炉中，等到炉内真空度为2×10-5～7×10-5Pa时，在薄膜两端通入电流，电流大小为50mA～1000mA，通电时间为5秒～300秒。
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN1795563A (zh) * | 2003-05-27 | 2006-06-28 | 卢在相 | 硅薄膜退火方法和由该方法制造的多晶硅薄膜 |
| CN1962951A (zh) * | 2006-11-30 | 2007-05-16 | 复旦大学 | c轴垂直取向的L10相FePt磁记录薄膜的制备方法 |
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| Title |
|---|
| 《河北师范大学学报（自然科学版）》 20060131 甄聪棉等 "高密度磁记录用FePt/Ta多层膜微结构与磁性" 36-38 1 第30卷, 第1期 2 * |
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