TW201401276A

TW201401276A - 磁性儲存單元及其製備方法

Info

Publication number: TW201401276A
Application number: TW101122827A
Authority: TW
Inventors: Chien-Min Sung; I-Chiao Lin; Hung-Cheng Lin
Original assignee: Ritedia Corp
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-01-01
Also published as: CN103514895A

Abstract

本發明提供一種磁性儲存單元及其製備方法，包括：(A)提供一暫時基材，係具有一表面，而一碳溶劑層於形成表面上；(B)藉由一碳源形成一石墨烯層於碳溶劑層上，石墨烯層係包括一第一表面及一相對於第一表面之第二表面，而石墨烯層之第一表面接抵於碳溶劑層；(C)提供一基板，並於基板之表面上形成一黏著層，且黏著層附著石墨烯層之第二表面後，從石墨烯層之第一表面上移除暫時基板及碳溶劑層；以及(D)藉由雷射鑽孔加工於石墨烯層之第一表面，使得複數個孔洞形成於石墨烯層之第一表面上。因此，本發明提供了一種具有高磁區密度之磁性儲存單元。

Description

磁性儲存單元及其製備方法

本發明係關於一種磁性儲存單元及其製備方法，尤指在一種結構中可以達到高磁儲存密度之磁性儲存單元及其製備方法。

近年來資訊技術的飛速發展中，電腦硬碟存儲密度的增長極為令人注目：從10年前開始，其單位面密度即以每年60%的速度增長，而近幾年存儲密度之增長百分比例達百分之百，以遠遠超出莫爾定律的預測。

而一般儲存硬碟裝置中，硬碟之磁性介面是有無數個磁性顆粒所構成，而經由許多磁性顆粒可組成一儲存資訊的最小單位，一位元(bit)，而每一位元可以看作一磁區，所謂的硬碟儲存容量就是由無數個磁區所構成，而磁區單位面積密度越高，也代表著碟儲存容量越大。因此，如何在每一平方吋的磁碟介面上提升磁區密度來擴充儲存容量，實乃當前課題。

一般硬碟儲存裝置的一磁區是由百萬顆磁性顆粒所構成，然而，現今儲存硬碟裝置所使用的材質，如鈷合金等類磁鐵材質，要達到10太位元組(Terabyte,TB)以上之容量需求，除了現今使用材質本身之磁區密度的極限外，讀寫頭到了奈米尺度上，材料容易受到熱擾動之影響，也因此，亟需開發一種新的磁性材料，其具有高硬度，高磁區密度，輕型為研究首要目標。

石墨烯通常被定義為單一原子厚度具有sp²鍵結之碳原子的平板，複數碳原子是緊密堆集成具有蜂巢結晶晶格之苯環結構，此二維材料在層狀結構的平面下，呈現出高墊子遷移率以及優異的導熱性，並且其硬度具有高於鐵之20倍的強度。石墨是由複數個彼此相互平行堆疊之層狀石墨烯所組成。

石墨烯所具有之物理性質使得許多科技產業極力研究於開發應用，而一般來說，一完整的石墨烯層之二維介面，本身是不具磁性的，但是，石墨烯層之表面邊緣上，由於具有缺陷而產生之搖擺鍵(dangling bond)，電子本身之自旋可導致鐵磁特性的產生。

因此，本發明藉由對於石墨烯之製備，研究出一種磁性儲存單元。

本發明之目的，在於提供一種高磁區密度的磁性儲存裝置。

為達成上述目的，本發明提供一種磁性儲存單元之製備方法，包括：(A)提供一暫時基材，係具有一表面，而一碳溶劑層於形成表面上；(B)藉由一碳源形成一石墨烯層於碳溶劑層上，石墨烯層係包括一第一表面及一相對於第一表面之第二表面，而石墨烯層之第一表面接抵於碳溶劑層；(C)提供一基板，並於基板上形成一黏著層，且黏著層附著石墨烯層之第二表面後，從石墨烯層之第一表面上移除暫時基板及碳溶劑層；以及(D)藉由雷射鑽孔之方式加工於石墨烯層之第一表面，使得複數個孔洞形成於石墨烯層之第一表面上。

本發明利用雷射對於石墨烯層進行鑽孔加工之動作，對於表面層鑽孔出奈米級孔徑大小之孔洞，使得第一表面上形成複數個孔洞，使第一表面之石墨烯晶體排列產生缺陷，從原本第一表面之六角形晶體部分原子脫離於表面，意旨每一缺陷上具有一搖擺鍵，因而產生自發磁矩，進而形成原子級的磁區，而這些無數個原子級的磁區，用以當作一磁性儲存單元，可藉由外加磁場(如一般硬碟裝置之讀寫頭)來達到磁性儲存單元可進行讀入與取出之動作。

因此，可經由此一製備方式得到一種高磁區密度的磁性儲存單元，而提升磁記憶儲存容量。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，雷射鑽孔之方式所使用之一雷射可為一極紫外光雷射(EUV Laser)，使得所要求之雷射鑽孔之孔徑大小可達到奈米級尺寸。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，複數個孔洞之直徑係為1奈米至20奈米，使得石墨烯層之第一表面所具有之週期性六角晶面排列產生缺陷，進而產生多餘的電子，而形成所謂之搖擺鍵，使得第一表面具有鐵磁性特性。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，複數個孔洞與第一表面層之表面積比例係為1/500至1/100，導致石墨烯層受損。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，於步驟(D)後，更可以包括步驟(E)第一表面上鍍覆一類鑽碳層，並覆蓋於石墨烯層之第一表面及複數個孔洞，因此，類鑽碳層可防止磁性儲存單元氧化和腐蝕，且兼顧磁性儲存單元表面上粘附、潤滑和抗磨損等性能的固體潤滑層。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，石墨烯層可包括一摻雜物，其係至少一選自由氫、氧、氮、氟、硼、以及氯、及其混合所組成之群組；此外，摻雜物之含量為5%至50%之原子百分比，使得石墨烯層可成為具有磁性特性。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，於步驟(B)中，碳源可利用化學氣相沉積法在碳溶劑層表面形成石墨烯層；此外，碳源係由一含碳氣體所供應，係用以控制石墨烯層之成長速率，較佳為，含碳氣體可為甲烷或乙炔；此外，碳溶劑層之厚度可用以控制石墨烯層之厚度(即，層數)，較佳為碳溶劑層之厚度可介於1奈米至1微米之間。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，石墨烯層係由一單層或複數層所組成，較佳為石墨烯層可為介於10至100層之複數層。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，基板可為陶瓷材料、玻璃材料或金屬材料，例如：氧化鋁與配合碳化鈦的陶瓷材質，鋁合金，硬化玻璃，藉以作為磁性儲存單元之基板。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，於步驟(C)中，更包括通入一反應氣體，且係以熱絲、微波將反應氣體加熱形成電漿作用於石墨烯層，其中，反應氣體可至少一選自由氫氣、氧氣、及含氟之四氟甲烷氣體、及其混合所組成之群組；因此，反應氣體係用以侵蝕形成碳溶劑層上之石墨烯層，並消除石墨烯內缺陷處不穩定之碳原子，進而增加石墨烯層純度。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，碳溶劑層可利用蝕刻液移除，其中，蝕刻液可為至少一選自由硫酸、鹽酸、王水、氯酸、及其混合所組成之群組。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，暫時基材之材質可為銅、矽、藍寶石、氧化矽、二氧化矽、石英、或玻璃。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，碳溶劑層之材質可為一金屬，較佳為，金屬可為鑭、鈰、鎳、鈷、鐵、鈀、鉑、及其合金。

於本發明之磁性儲存單元之製備方法中，黏著層之材質係可碳化矽、二氧化矽、雙面膠、或壓克力膠。

本發明之另一種實施態樣在於提供一種磁性儲存單元，其包括：一基板，係具有一表面；一黏著層，係設置於基板上；以及一石墨烯層，係設置於黏著層，其係具有一第一表面及一相對於第一表面之第二表面，而石墨烯層之第二表面接抵於黏著層上，且石墨烯層之第一表面具有複數孔洞。

於本發明之磁性儲存單元，複數個孔洞之直徑係介於1奈米至20奈米，使得石墨烯層之第一表面所具有之週期性六角晶面排列產生缺陷，進而產生多餘的電子，而形成所謂之搖擺鍵，使得第一表面具有鐵磁性特性。

於本發明之磁性儲存單元，複數個孔洞與第一表面層之表面積比例係為介於1/500至1/100，導致石墨烯層受損。

於本發明之磁性儲存單元，石墨烯層可包括一摻雜物，其係至少一選自由氫、氧、氮、氟、硼、以及氯、及其混合所組成之群組；而摻雜物之含量為5%至50%之原子百分比，使得石墨烯層可成為具有磁性特性。

於本發明之磁性儲存單元，石墨烯層係由一單層或複數層所組成；其中，石墨烯層可為介於10至100層之複數層。

於本發明之磁性儲存單元，基板可為陶瓷材料、玻璃材料或金屬材料，例如：氧化鋁及碳化鈦陶瓷材質，鋁合金，硬化玻璃，藉以作為磁性儲存單元之基板。

於本發明之磁性儲存單元，黏著層之材質係為碳化矽、二氧化矽、雙面膠、壓克力膠、或金屬黏著劑。

於本發明之磁性儲存單元，第一表面可更包括一類鑽碳層，因此，類鑽碳層可防止磁性儲存單元發生氧化和腐蝕，且兼顧磁性儲存單元表面上粘附、潤滑和抗磨損等性能的固體潤滑層。

以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟習此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地了解本發明之其他優點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。

本發明之實施例中該等圖式均為簡化之示意圖。惟該等圖示僅顯示與本發明有關之元件，其所顯示之元件非為實際實施時之態樣，其實際實施時之元件數目、形狀等比例為一選擇性之設計，且其元件佈局型態可能更複雜。

請參閱圖1A至圖1F，其係顯示本實施例磁性儲存單元之製備方法的流程結構示意圖。

首先，請參照圖1A，提供一暫時基材1，係具有一表面11，而一碳溶劑層2於形成表面11上；在本實施例中，暫時基材1之材質可使用銅、藍寶石、矽、氧化矽、二氧化矽、石英、或玻璃，在此選用藍寶石為暫時基材1；而碳溶劑層2可使用鑭、鈰、鎳、鈷、鐵、鈀、鉑、及其合金，在此選用鈷作為碳溶劑層2，此外，碳溶劑層2之厚度為5奈米。

接著，請參圖1B，藉由一碳源(圖未顯示)形成一石墨烯層3於碳溶劑層2上，石墨烯層3係包括一第一表面31及一相對於第一表面31之第二表面32，而石墨烯層3之第一表面31接抵於碳溶劑層2。

在本實施例中，碳源係由一含碳氣體(圖未顯示)所供應，其中，含碳氣體可為甲烷或或乙炔，在此選用甲烷；將含碳氣體藉由化學氣相沉積法形成石墨烯層3，石墨烯層3為複數層堆疊，石墨烯層3之層數為10層。為了使達到所要求石墨烯層3之層數，石墨烯層3之層數可由碳溶劑層2之厚度所控制；此外，含碳氣體更可以間斷式供應，以控制石墨烯層3之生長速率。

然後，請參照圖1C及1D，提供一基板4，並於基板4上形成一黏著層5，且黏著層5附著石墨烯層3之第二表面32後，藉由一蝕刻液(圖未顯示)從石墨烯層3之第一表面31移除暫時基板1及碳溶劑層2。

在本實施例中，基板4之材質可選用陶瓷材料、玻璃材料或金屬材料，在此為氧化鋁及碳化鈦陶瓷材質；而黏著層5之材質可選用碳化矽、二氧化矽、雙面膠、壓克力膠、或金屬黏著劑，在此為碳化矽；此外，蝕刻液可為至少一選自由硫酸、鹽酸、王水、氯酸、及其混合所組成之群組，在此選用王水。

此外，亦可通入一反應氣體(圖未示)，此一反應氣體係用以侵蝕形成碳溶劑層2上之石墨烯層3，並消除石墨烯內缺陷處不穩定之碳原子，進而增加石墨烯層3之純度。其中，前述之反應氣體可為氫氣、四氟甲烷或含氟之氣體，並以熱絲或微波方式將反應氣體加熱形成電漿。

接著，請參閱圖1E，藉由一極紫外光雷射(EUV Laser，而紫外光波長為13.5奈米)以雷射鑽孔之方式加工於石墨烯層3之第一表面31，使得複數個孔洞311形成於石墨烯層3之第一表面31上，複數個孔洞311之孔洞大小約為15奈米，而該些孔洞311之表面積佔石墨烯層3之第一表面31之1/100。

而在本實施例中，亦可以在雷射鑽孔之方式加工於石墨烯層3之第一表面31之前後添加一摻雜物，其中，該摻雜物係至少一選自由氫、氧、氮、氟、硼、以及氯、及其混合所組成之群組，且該摻雜物之含量為5%之原子百分比。

最後，請參閱圖1F，本發明可進一步在第一表面31上鍍覆一類鑽碳層6，並覆蓋於石墨烯層3之第一表面31及複數個孔洞311，利用類鑽碳層6保護第一表面31及複數個孔洞311。

據此，如圖1F所示，上述製得之磁性儲存單元，其包括：一基板4、一黏著層5、一石墨烯層3以及一類鑽碳層6，其中，該黏著層5設置於基板4上，該石墨烯層3係設置於黏著層5上，該黏著層5具有一第一表面31及一相對於第一表面31之第二表面32，且該石墨烯層3之第二表面32接抵於黏著層5上，此外，石墨烯層3之第一表面31具有複數個孔洞311，並將一類鑽碳層6覆蓋於石墨烯層3之第一表面31及複數個孔洞311上。

在本實施例中，基板4為氧化鋁及碳化鈦陶瓷材質、黏著層5為碳化矽、石墨烯層3為複數層堆疊，而石墨烯層3之層數為10層，且複數個孔洞311之孔徑大小約為15奈米，而該些孔洞311之表面積佔石墨烯層3之第一表面31之1/100。

綜上所述，利用雷射對於石墨烯層3進行鑽孔加工，使得第一表面上31形成複數個奈米級孔徑之孔洞311，並使第一表面31之石墨烯晶體排列產生缺陷，從原本表面六角形晶體部分原子脫離於第一表面311，意旨每一缺陷上具有一搖擺鍵，因而產生自發磁矩，進而形成原子級的磁區，而這些無數個原子級的磁區，可藉由外加磁場(如一般硬碟裝置之讀寫頭)來達到對本發明之磁性儲存單元可進行讀入與取出之動作，用以作磁性儲存與讀取用。

1‧‧‧暫時基材

11‧‧‧表面

2‧‧‧碳溶劑層

3‧‧‧石墨烯層

31‧‧‧第一表面

311‧‧‧孔洞

32‧‧‧第二表面

4‧‧‧基板

5‧‧‧黏著層

6‧‧‧類鑽碳層

圖1A至1F係本發明一實施例磁性儲存單元之製備流程結構示意圖。