FeTaPt多層膜的磁粘滯研究

徐靜

（河北工程大學 理學院,河北 邯鄲 056038）

隨著信息時代的發展,對信息記錄的密度要求越來越高,而記錄介質的尺寸也在不斷減小,從而導致介質的熱穩定性較差。材料的磁粘滯行為即在外磁場下磁化強度隨時間的變化規律,研究磁粘滯行為可以得到磁記錄介質的熱穩定性。

從粒子的磁特性和結構考慮,熱穩定性決定于因子KuV/kBT,其中Ku是磁各向異性常數,V為顆粒體積,減小顆粒體積可以通過增加各向異性來提高熱穩定性。具有大的磁各向異性的FePt薄膜吸引了人們的廣泛興趣[1-2],而許多研究者又通過在FePt薄膜的基礎上添加SiO2、B2O3和Ta2O5等物質來增加磁各向異性[3-5],但其熱穩定性不是很好。元素Ta是一種黑灰色金屬,有延展性,耐酸堿和耐氧化,化學性質又特別穩定。在FePt薄膜中加入Ta,可增加薄膜的穩定性,減小晶粒尺寸,提高介質矯頑力,增加磁各向異性。目前國內外在FePt薄膜中加入元素Ta的熱穩定性研究還處于起步階段。

本文用Preisach磁滯模型對FeTaPt多層膜的雙場磁粘滯行為進行了研究,并與實驗結果進行了比較。通過模擬得到材料的擬和參數,并分析結果,得到樣品在雙磁場下的磁化強度與時間的關系以及與時間對數的關系,這為研究熱穩定性好的高密度記錄材料提供理論依據。

1 模型

Preisach模型[6]提出體系磁化狀態的變化是由一系列的巴克豪森子系統的跳躍描述確定磁粘滯現象的動態描述,Preisach分布給出跳躍的順序。磁化過程由一個合適的能量勢壘分布描述,磁化翻轉時需要克服勢壘 Δ ε,翻轉時間 τ由Arrhenius法則給出 τ=τ0exp（Δ ε/kT）。Preisach模型給出體系的磁化強度表示方法:

式中p（hc,hu）—Preisach函數分布,b（hc）—描述體系的磁化強度M所必須的內部狀態參量。

p（hc,hu）的形式為[7-8]:

其中 prev（hu）δ（hc）代表可逆過程,pirr（hc,hu）代表不可逆部分。矯頑場分布和相互作用場分布函數采用高斯分布

式中 σi—相互作用場分布;σc—矯頑場分布;hci—有效場的剩磁矯頑力。

2 實驗與討論

用磁控濺射法制備了FeTaPt多層膜。實驗所用基底為單晶硅,基底溫度為800℃。Fe、Pt靶位和Ta靶位的濺射功率分別為為11 W和35 W,本底真空為1.3×10-5Pa,濺射氣體為高純氬氣,濺射氣壓為2 Pa。在多層膜的制備過程中,Ta層的濺射時間為30 s。

X射線衍射（X-ray difffraction measurement,XRD）表征了樣品的結構,如圖1所示,樣品為單相。利用Lakeshore振動樣品磁強計（VSM）測量了FePtTa多層膜的磁學性質。包括磁滯回線和不同磁場下雙場過程曲線,所加磁場平行于膜面,雙場過程就是先把磁場加到正向飽和,然后降至某負值H1,然后增加到H2保持不變,記錄磁化強度隨時間變化的函數。樣品的矯頑力較高（Hc=75.65 A/m）。用Preisach磁滯模型對其磁化行為進行了模擬。

圖2給出FeTaPt多層膜雙場過程的磁化強度與時間關系曲線,圖3為磁化強度與時間的對數的關系曲線。圖中有實驗曲線和模擬結果,Preisach model很好的再現了多層膜的雙場磁粘滯行為。圖2-a中H1=-75 A/m,H2=-13.5 m磁化強度隨時間對數逐漸增加,隨著外磁場的改變,這種對數線性變化不再明顯（圖3-a）;圖2-b給出了不同外場H1和 H2（H1=-99 A/m,H2=-48.7 A/m）下的磁化強度隨時間的變化,出現先增加后減小的非單調變化,而圖2-c中外磁場又接近矯頑力（H1=-80 A/m,H2=-72.6 A/m）,其磁化強度隨時間減小,但與時間對數也幾乎滿足線性衰減（圖3-c）。可見,磁粘滯曲線的形狀不僅與H1、H2的取值有關,更與 H1、H2的差值有關,H1、H2差值越小,非線性衰減越明顯。這種非單調的行為曾在硬磁材料和納米材料中觀察到[9-10]。由于FeTaPt多層膜的矯頑力比較大,實驗上容易測量磁化強度的非單調變化,并與模擬結果相符合。非單調變化是雙場過程的一個普遍特性,由于條件的局限性在實驗上一般觀察不到。擬和得到一系列參數見表1,由這些參數可以得到在實驗中很難觀測到的磁粘滯行為,比如多場過程的磁化強度隨時間的變化關系。這為研究更實用的高密度記錄材料提供理論依據。

表1 FeTaPt多層膜的擬合參數Tab.1 Preisach parameters for FeTaPt film

3 結論

1）模型再現了樣品在雙磁場下的磁化強度與時間的關系以及與時間對數的關系,并且通過模擬得到材料的擬和參數。

2）在樣品矯頑力附近出現了磁化強度隨時間對數的線性變化,當磁場偏離矯頑力時,磁粘滯行為將偏離線性變化,這不僅與 H1和H2有關,而且與H1、H2的差值有關,H1、H2差值越小,非線性衰減越明顯。

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