L10—FePt為基底的納米薄膜的磁性

姚雅芹++李國慶

摘 要：用L10相FePt作下底層，分別研究FePt（30nm，Ta）單層、L10-FePt（30nm，Ta）/A1-FePt（30nm）雙層及L10-FePt（30nm，Ta）/MgO（10nm）/A1-FePt（30nm）三層薄膜的磁性，Ta=500℃。結果表明，經500℃熱處理后的單層FePt磁化易軸沿垂直膜面方向，曲線矩形度較好；雙層薄膜磁化曲線出現雙肩現象，說明軟硬磁層界面處產生強烈的交換耦合作用，軟磁帶動硬磁轉，降低了硬磁層的矯頑力。三層膜的磁矩反轉機理同雙層膜一致，但中間層MgO的加入使得交換耦合作用減弱，矯頑力明顯增大，軟硬磁間接接觸，減弱了記錄噪音。

關鍵詞：FePt薄膜；矯頑力；交換耦合作用

中圖分類號：O484.4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0005-02

Abstract： Using L10 phase FePt as the bottom layer， we studied the magnetic properties of FePt（30nm，Ta） mono-layer film， L10-FePt（30nm，Ta）/A1-FePt（30nm） double-layer film and L10-FePt（30nm，Ta）/MgO（10nm）/A1-FePt（30nm） three-leyer thin film， Ta=500℃. The results show that after heat treatment at 500℃， the easy axis of single layer FePt magnetization is better in the direction of perpendicular film surface. The phenomenon of double shoulders in the magnetization curve of the double layer film shows that there is strong exchange coupling at the interface of the soft and hard magnetic layer， and the hard magnetic rotation is driven by the soft magnetic field， which reduces the coercivity of the hard magnetosphere. The magnetic moment reversal mechanism of the three-layer film is the same as that of the bilayer film， but the exchange coupling is weakened with the addition of MgO in the middle layer， the coercivity is obviously increased， and the soft and hard magnetic indirect contact weakens the recording noise.

Keywords： FePt thin film； coercive force； exchange coupling interaction

磁記錄介質在記錄過程中為了克服熱擾動，要使用有大“單軸磁晶各向異性能”（Ku）的材料來降低“超順磁極限”。于是L10相的CoPt基、FePt基合金膜[1][2]受到了高度重視。FePt合金的化學性質非常穩定，形成L10相后，它的Ku接近7×107erg/cc，最小熱穩晶粒尺寸可下降到3nm，理論上可實現10Tb/in2的超高記錄密度。

Kneller等在1911年提出交換彈簧，將硬磁和軟磁結合，利用層間強烈的交換耦合作用，使硬磁在軟磁的帶動下反轉，有效地降低硬磁顆粒的反轉磁場，此想法可以兼得硬磁材料大的矯頑力和軟磁材料高的飽和磁化強度，但它是軟磁層與硬磁層直接接觸，強交換耦合會使記錄過程產生很大的噪音。為改善記錄介質，2005年摻入中間層的交換耦合復合磁記錄介質（Exchange coupled composite media，ECC）由Victoral提出。ECC介質在保證硬磁層熱穩定性的前提下，通過中間層的加入來減弱兩相間的交換耦合作用，使介質的反轉場最大化的降低，調制其矯頑力，解決信息的寫入問題。

1 實驗

采用磁控濺射法在加熱到400℃的MgO（001）基片上生長30nm的FePt薄膜，隨后，對薄膜進行500℃的真空熱處理（時長為1h）。濺射前腔體內的背景真空度優于2.0×105Pa，濺射時氬氣氣壓為2.8Pa，FePt采用直流濺射，Fe靶和Pt靶的純度都優于99.99%，兩靶同時濺射，Fe靶的電流0.47A，Pt靶的電流0.09A（此電流可以保證Fe，Pt成分比接近1：1）。

室溫下在經熱處理的薄膜上再沉積30nm的軟磁相FePt，從而形成同材異質的FePt交換彈簧。但軟硬磁層界面處的強交換耦合作用會使記錄噪聲大。而ECC介質中間層的作用是隔離軟磁層與記錄層，降低記錄噪音。MgO晶格常數為0.42nm，A1相FePt晶格常數為0.384nm，二者晶格常數比較接近，所以采用非磁性10nm厚的MgO作為中間層形成三層薄膜。MgO采用射頻濺射獲得，發射功率和反射功率分別為110W，2W，成膜厚度通過濺射時間來控制。用振動樣品磁強計（VSM）測量磁化曲線。

2 結果與討論

圖1為L10-FePt（30nm，Ta=500℃）/MgO（xnm）/A1-FePt（ynm）薄膜的M-H曲線，圖a為單層薄膜的M-H曲線，[001]方向曲線具有良好的方形，矯頑力為3.81kOe，FePt的磁化易軸為垂直膜面方向，說明此時薄膜發生相變呈L10相；沿面內方向磁化，回線有一定的面積，可知薄膜沒有完全有序化，仍有軟磁相存在。圖b為L10-FePt（30nm）/A1-FePt（30nm）雙層薄膜的磁化反轉曲線，在垂直膜面方向出現了兩個跳躍的點（雙肩現象），H1（軟磁層的形核場）和H2（硬磁層的開關反轉場），薄膜磁矩分兩次完成反轉，意味著兩層界面處存在很強的交換耦合作用。與圖a相比，500℃退火后的雙層薄膜，面內方向曲線面積明顯減小，零場附近出現了很明顯的臺階；[001]方向曲線的矯頑力減小為2.05kOe，主要是由于軟/硬磁交換耦合使得界面處的鄰近納米顆粒形成一個更大的磁性體，這將產生更大的磁化反轉體積，從而具有更穩定的磁性。圖c為三層薄膜的磁化曲線，[001]方向軟磁層的形核場H1與圖b相比所對應的磁感應強度降低，反轉需要施加的外磁場減小，主要是由于MgO插入后，薄膜厚度增加，上層的A1相FePt到外磁場的距離減小，在弱磁場作用下便開始反轉，同樣硬磁層的開關場H2對應的磁感應強度也降低，軟磁帶動硬磁反轉的外磁場增大，應該是中間層MgO一方面使軟磁層與硬磁層隔開，降低記錄時的噪聲，另一方面使軟硬磁層間接接觸，交換耦合作用減弱，被釘扎的軟磁少，軟磁帶動硬磁反轉所需的外磁場增大，矯頑力增大為3.29kOe。

3 結束語

采用磁控濺射法在加熱到400℃的MgO（001）基片上生長30nm厚的FePt薄膜，進行Ta=500℃時長1h的真空熱處理。薄膜會發生相變（A1→L10），磁化易軸為垂直膜面方向。在退火后的薄膜上生長30nm厚的軟磁FePt，得到L10-FePt（001）/A1-FePt交換彈簧，磁化曲線上出現雙肩現象，軟硬磁層磁矩非一致反轉，軟硬磁間強的交換耦合作用降低了硬磁的矯頑力。

為優化記錄介質，繼續研究L10-FePt（30nm）/MgO（10nm）/A1-FePt（30nm）的磁性，發現中間層MgO能夠降低軟硬磁層間的交換耦合作用，矯頑力增大，記錄噪聲減弱。

參考文獻：

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