專利名稱：一種交換耦合介質(zhì)L1₀-FePt/[Co/Ni]_N及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬信息存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及交換耦合復(fù)合介質(zhì)^‘呼沖^！化/附^及其制備方法。
背景技術(shù)：
磁存儲技術(shù)以其非易失性、化學(xué)穩(wěn)定性和高擦寫次數(shù)等優(yōu)點(diǎn)在信息存儲中占據(jù)主導(dǎo)地位。為了更多、更長久地保存信息，以及應(yīng)對來自半導(dǎo)體閃存等技術(shù)的挑戰(zhàn)，磁存儲技術(shù)不斷創(chuàng)新。除了新的記錄方式(熱輔助磁記錄、模式記錄，和新近提出的微波輔助磁記錄)，記錄介質(zhì)方面的創(chuàng)新一一交換耦合復(fù)合磁記錄介質(zhì)(Exchange Coupled Composite Media)也受到更加深入的關(guān)注。耦合介質(zhì)不僅能滿足現(xiàn)有垂直磁記錄技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展需求，還能應(yīng)用于前述三種新的記錄方式中[1-3]。交換耦合復(fù)合薄膜由硬磁層和單個(gè)或多個(gè)軟磁層構(gòu)成。硬磁層具有很高的磁晶各向異性能，能夠克服熱擾動的影響而在很小的顆粒尺寸下保持穩(wěn)定。小的晶粒尺寸能保證信息讀出的信噪比，對提高記錄密度是至關(guān)重要的。軟磁層的磁矩能夠在很小的反向磁場下轉(zhuǎn)動，形成反磁化核，促進(jìn)硬磁層的翻轉(zhuǎn)，可獲得遠(yuǎn)小于硬磁層矯頑力的翻轉(zhuǎn)場以滿足有限寫入磁頭場的限制W-6]。一般認(rèn)為，在一定反向外場(成核場)下，反磁化核在軟磁層內(nèi)形成。隨之產(chǎn)生的疇壁隨外加反向場的增加被釘扎在軟、硬磁層間的界面，厚度逐漸壓縮。到某一臨界磁場，獲得足夠能量的疇壁將進(jìn)入硬磁層，完成磁化翻轉(zhuǎn)。該臨界場通常被稱為釘扎場，取決于軟、硬層各向異性能之差。如果薄膜的成核場很大，而一旦反磁化核形成，耦合薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)立即完成W，7]。此時(shí)，成核場就是薄膜的翻轉(zhuǎn)場。Zl0 FePt具有極高的磁晶各向異性能，且具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性，是未來超高密度磁記錄介質(zhì)的首選，也是研究者重點(diǎn)關(guān)注的材料[1，3，8-10]。由于狗具有高飽和磁化強(qiáng)度和低的矯頑力，通常被選作軟磁層[8-10]，并且也觀察到由于!^e層厚度增加導(dǎo)致的矯頑力降低。然而，狗具有高飽和磁化強(qiáng)度，導(dǎo)致很大的退磁能存在。當(dāng)軟磁層略厚(仍小于內(nèi)稟疇壁厚度)，遠(yuǎn)離軟、硬界面的狗磁矩將偏離豎直方向(也是硬磁層!^ePt的易軸方向)。同時(shí)，在!^ePt表面外延生長的!^e的磁化易軸也不沿薄膜法線方向[10]。因此，可以認(rèn)為!^e 層的易軸傾向于面內(nèi)。不同取向的軟、硬磁耦合會降低記錄介質(zhì)的熱穩(wěn)定性，不利于記錄密度的提高[6]。最近，國外的研究組開始了垂直交換耦合薄膜的地研究。歐洲的一個(gè)研究組開始嘗試FePt/ [Co/Pt]N薄膜，盡管微磁學(xué)模擬顯示了這種垂直型交換耦合薄膜的優(yōu)越性，但樣品制備和試驗(yàn)結(jié)果都不能令人信服[11]。首先，I^ePt薄膜被沉積后，即從真空腔體取出進(jìn)行熱處理。然后再送入真空腔里，在其上沉積Co/Pt多層膜。這一過程會在!^ePt表面引入至少1 nm的非晶氧化層，導(dǎo)致!^ePt薄膜和Co/Pt多層膜之間的非直接接觸，影響磁性能的改善。其次，實(shí)驗(yàn)得到的矯頑力隨Co/Pt多層膜厚度的變化并不明顯，并且出現(xiàn)雙臺階的回線，部分源自非晶氧化層的影響。最后，Co/Pt多層膜的飽和磁化強(qiáng)度不高，對!^ePt層的磁化翻轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)較小，也會影響交換耦合結(jié)構(gòu)的效果。
Co/Ni多層膜的各向異性常數(shù)約2 3X106 erg/cc，飽和磁化強(qiáng)度約800 emu/cc, 有效磁各向異性較小，是很好的垂直取向軟磁層材料[12]。因此，本發(fā)明提出了采用濺射沉積的方法，制備垂直型Zk ？沖^?、?附^交換耦合復(fù)合介質(zhì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了我們的設(shè)想。參考文獻(xiàn)J. U. Thiele, S. Maat, E. E. Fullerton, Appl. Phys. Lett. , 82，2859 (2003)Τ. Hauet, Ε. Dobisz, S. Florez, J. Park, B. Lengfield, B. D. Terris, and 0. Hellwig, Appl. Phys. Lett. , 95，262504 (2009)S. J. Li, B. Livshitz, H. N. Bertram, M. Schabes, T. Schref 1, Ε. E. Fullerton, and V. Lomakin, Appl. Phys. Lett. , 94，202509 (2009)R. H. Victora, X. Shen, IEEE Trans. Magn. , 41 (2), 537 (2005).J. P. Wang, W. K. Shen, J. M. Bai, R. H. Victora, J. H. Victora, J. H. Judy, and W. L. Song, Appl. Phys. Lett. , 86，142504 (2005).D. Suess, J. Lee, J. Fidler, T. Schrefl, Exchange-coupled perpendicular media, J. Magn. Magn. Mater.，321，545 (2009)A. Y. Dobin, H. J. Richter, Appl. Phys. Lett. , 89，062512 (2006).F. Casoli, F. Albertini, L. Nasi, S. Fabbrici, R. Cabassi, F. Bolzoni, and C. Bocchi, Appl. Phys. Lett. , 92，142506 (2008).D. Goll and A. Breitling, Appl. Phys. Lett. , 94，052502 (2009).B. Ma, H. Wang, H. B. Zhao, C. J. Sun, R. Acharya, J. Appl. Phys., 109， 083907 (2011).D. Makarov, J. Lee, C. Brombacher, C. Schubert, M. Fuger, D. Suess, J. Fidler, and M. Albrecht, Perpendicular FePt—based exchange-coupled composite media, Appl. Phys. Lett.，96，062501 (2010)G. H. 0. Daalderop, P. J. Kelly, and F. J. A. Den Broeder, Phys. Rev. Lett.，68，682 (1992)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種能夠很好地改善!^ePt薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)，獲得能匹配現(xiàn)有磁頭的矯頑力的新的交換耦合復(fù)合介質(zhì)及其制備方法。本發(fā)明提出的交換耦合復(fù)合介質(zhì)，是一種復(fù)合薄膜，是在(001)取向的、高矯頑力 Ll0 FePt薄膜的表面，沉積Co/Ni多層膜以及一非磁性Pt薄層而組成，記為Zlci-FePt/[Co/ Ni]N，N為復(fù)合膜Co/Ni的周期數(shù)。該復(fù)合簿膜可以降低!^ePt薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)場，滿足超高密度記錄介質(zhì)的應(yīng)用。上述垂直型Zltl FePt/[Co/Ni]N交換耦合復(fù)合薄膜可以采用直流磁控濺射的方法制備，具體步驟如下
(1)制備Zltl !^ePt薄膜?？刹捎猛ǔ５姆椒ㄖ苽?，即通過磁控濺射的方式在基板上沉積一層具有高矯頑力的(001)取向的Z Itl相!^ePt薄膜。如在超高真空本底下通入適量氬氣作為工作氣體，在基板加熱(450-550 °C左右)的條件下濺射!^ePt薄膜，或者在常溫下制備i^ePt薄膜，然后進(jìn)行熱處理(500-600 °C左右)等方式，獲得高有序度的近等原子比的Zltl !^ePt薄膜。(2)抽真空使濺射腔室的本底氣壓降到小于3X10_8Torr。在Zltl !^ePt薄膜冷卻至室溫后，在其上沉積Co/M多層膜。具體以氬氣作為工作氣體，通入濺射腔室，使濺射氣壓保持在5. 0-8.0 mTorr，然后交替打開擋板，交替濺射Co和Ni層。其中，Co層的厚度在 0.16 nm至0. 41 nm之間，Ni層的厚度在0. 47 nm至0. 89 nm之間。以一層Co和一層Ni 為一周期，周期數(shù)N由所需要的矯頑力決定。(3 )在不改變?yōu)R射條件的情況下，再濺射一層和步驟(2 )中Co層厚度相同的Co層。(4)之后，在5. 0-8.0 mTorr條件下濺射一層Pt層。這一層可以進(jìn)一步提高Co/ Ni多層膜的垂直各向異性。Pt層的厚度在0.3 nm至3.0 nm之間。較厚的Pt層可以起到防止氧化的作用。本發(fā)明中，選擇的制備條件(Co層的厚度在0.16 nm至0.41 nm之間，Ni層的厚度在0.47 nm至0.89 nm之間)，可使Co/Ni具有垂直磁各向異性。通過增加多層膜的周期 (相應(yīng)地改變多層膜的厚度)，可以大幅降低耦合薄膜的矯頑力至4. 4 kOe (Zl0-FePt/[Co/ Ni] 1(1，軟磁層厚度為8. 0 nm)，滿足超高密度垂直磁記錄介質(zhì)的要求。對本發(fā)明制備的垂直型Zk FePt/[Co/Ni]N交換耦合復(fù)合薄膜，采用X射線衍射法測量復(fù)合薄膜以及單層薄膜的結(jié)構(gòu)，并且通過磁光克爾效應(yīng)回線儀(MOKE)和振動樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測量了復(fù)合薄膜以及單層薄膜的磁性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，垂直取向的Co/M薄膜很好地改善了 I^ePt薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)，獲得了能匹配現(xiàn)有磁頭的矯頑力。這種薄膜能夠用于制備超高密度磁存儲介質(zhì)，有很好的應(yīng)用前景。


圖1 [Co/Ni]N (N=5，10，15)多層膜的衍射圖譜。其中基板是Corning Glass，之后有一 3 nm Pt襯底層；Co/Ni多層膜沉積后，再覆蓋一層Pt層防止氧化。其中，(a) [Co/ Ni]5薄膜，(b)[Co/Ni]1Q薄膜，和(c) [Co/Ni]15薄膜。Co層的厚度是0.2 nm，Ni層的厚度是 0. 6 nm0圖2 :[Co/Ni]5薄膜的磁滯回線。分別用(a) MOKE和(b) VSM測量的回線。OP ,IP 分別為沿垂直于和平行于薄膜方向測的磁滯回線。MOKE裝置通過極向克爾效應(yīng)測量的是垂直于膜面方向的回線。圖3 :[Co/Ni]N#層膜的MOKE磁滯回線圖。左邊是固定Ni厚度(0. 59 nm)的Co/ Ni 多層膜，其中，(a) 。=0.16 nm, (b) 0. 25 nm, (c) 0. 33 nm, (d) 0. 41 nm ；右邊是固定 Co 厚度(0.25 nm)的 Co/Ni 多層膜，其中，(e) i#i=0. 35 nm，(b)0. 47 nm，(c)0. 59 nm, (d) 0. 89 nm。圖4: Zl0 FePt/[Co/Ni]N 交換耦合薄膜的磁滯回線。其中，(a) !^ePt/[Co/Ni]3， (b) FePt/[Co/Ni]5, (c) FePt/[Co/Ni] 10, (d) FePt/[Co/Ni] 15D OP 為垂直于膜面方向的回線，IP為平行于膜面的回線。圖5 =Zl0 FePt/[Co/Ni]N交換耦合薄膜的矯頑力峪和矩形度S隨Co/Ni多層膜厚度的變化。
具體實(shí)施例方式
下面通過實(shí)施例進(jìn)一步具體描述本發(fā)明。實(shí)施例1. [Co/Ni]N多層膜的制備
用微機(jī)控制的磁控濺射設(shè)備制備[Co/Ni]N#層膜。采用Corning Glass(康寧玻璃)作為襯底，先濺射一層3 nm Pt，濺射功率分別為40W，濺射氣壓分別為5mT0rr。然后在其上交替沉積Co和M層。每一層的濺射時(shí)間由微控制，周期數(shù)預(yù)先設(shè)定。最后在覆蓋一層Pt 保護(hù)層。如圖1所示，可以看到Pt(Ill)和Co(Ni) (111)峰。Co(Ni) (111)峰強(qiáng)度隨周期數(shù)的增加而增加，位置逐漸隨周期數(shù)的增加逐漸向高角方向移動，并最終位于Co、Ni多晶塊體衍射峰、靠Co—側(cè)。表明上、下Pt層對Co/M多層膜結(jié)構(gòu)的影響隨周期數(shù)的增加而減弱。沒有觀察到Co/M多層膜的衛(wèi)星峰，這是由于周期層的厚度太薄的緣故(Co層的厚度是0.2 nm，Ni層的厚度是0.6 nm)。然而，Pt(Ill)的衛(wèi)星峰顯示整個(gè)薄膜的平整度很好， 有利于形成好的多層結(jié)構(gòu)。如圖2所示，MOKE和VSM測量的磁滯回線均顯示Co/Ni多層膜具有好的垂直磁各向異性，矯頑力0. 7 kOe。通過垂直和水平回線相交得到的Co/M多層膜的磁各向異性常數(shù)為2. 5X106 erg/cc。Co/Ni多層膜的飽和磁化強(qiáng)度約850 emu/cc。圖3給出了在Cu襯底層上制備的Co/Ni多層膜的磁滯回線。在固定Ni厚度(左邊)，改變Co厚度；以及固定Co厚度(右邊)，改變Ni厚度的條件下都可以獲得具有垂直磁各向異性的Co/Ni多層膜。實(shí)施例2. Zltl FePt/[Co/Ni]N交換耦合薄膜的制備
在已獲得的(001)取向的Zltl !^ePt薄膜的基礎(chǔ)上，用微機(jī)控制的磁控濺射設(shè)備沉積了 Co/Ni多層膜(Co、Ni層的厚度分別為0.2 nm和0.6 nm)。由于(001)取向的!^ePt薄膜的磁化易軸垂直于薄膜，并且Co/Ni多層膜具有很好的垂直磁各向異性，因此，我們制備了垂直型Zltl ？沖丨八⑶/附^交換耦合薄膜。通過改變[Co/Ni]N#層膜的周期數(shù)相應(yīng)地改變了軟磁層的厚度，可以獲得具有不同矯頑力的復(fù)合薄膜。本發(fā)明中制備的i^ePt薄膜的矯頑力為25 kOe。如圖4所示，比較垂直方向(OP)和面內(nèi)(IP)的磁滯回線，可以知道，我們制備的Zk FePt/[Co/Ni]N交換耦合薄膜保持了很好的垂直磁各向異性。隨著所覆蓋Co/ Ni多層膜的周期數(shù)的增加，復(fù)合薄膜沿垂直方向的矯頑力逐漸下降，F(xiàn)ePt/[Co/Ni]3 (Co/Ni 的厚度擬=2.4 nm)的矯頑力為 11. 5 kOe (圖 4(a) )，F(xiàn)ePt/[Co/Ni]5 itCo/m =4.0 nm) 的矯頑力為 7.0 kOe (圖 4(b))，F(xiàn)ePt/[Co/Ni] 1Q itCo/m =8.0 nm)的矯頑力為 4· 4 kOe (圖 4(c)), FePt/[Co/Ni] 15 itCo/Ni =12 nm)的矯頑力為 4· 8 kOe (圖 4(d))。同時(shí)，F(xiàn)ePt/[Co/ Ni]3復(fù)合薄膜表現(xiàn)出很好的垂直各向異性，矩形度接近1。隨著Co/Ni多層膜厚度的增加， 復(fù)合薄膜的矩形度緩慢下降， ^Ρν[&)/·]1(ι薄膜的矩形度仍然超過0.8。但是軟磁層厚度的進(jìn)一步增加(大于15個(gè)周期)導(dǎo)致磁滯回線的矩形度變壞。圖5給出了 ！^ePt/[Co/Ni] N交換耦合薄膜的矯頑力和矩形度= Mr/Ms, Mr為薄膜的剩余磁化強(qiáng)度，Ms為飽和磁化強(qiáng)度)?？梢钥吹?，F(xiàn)ePt/[Co/Ni]M薄膜的矩形度只有0.5。并且，加上軟磁層后，耦合薄膜的矯頑力迅速下降，但軟磁層厚度的進(jìn)一步增加，并沒有帶來矯頑力的繼續(xù)下降，F(xiàn)ePt/[Co/ Ni]15的矯頑力為4.8 kOe，略有增加。綜合矯頑力和矩形度，F(xiàn)ePt/[Co/Ni] 1Q薄膜具有最佳的磁性能，矯頑力為4. 4 kOe，矩形度為0. 81。
權(quán)利要求
1.一種交換耦合復(fù)合介質(zhì)，其特征在于為一種復(fù)合薄膜，是在(001)取向的Zltl !^ePt薄膜的表面，沉積Co/Ni多層膜以及一非磁性Pt薄層而組成，記為ZlfFePt/TCo/NiLA為復(fù)合膜Co/Ni的周期數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的交換耦合復(fù)合介質(zhì)，其特征在于所述Co層的厚度在0.16 nm 至0.41 nm之間，Ni層的厚度在0.47 nm至0. 89 nm之間。
3.一種交換耦合復(fù)合介質(zhì)ZlcrFePt/[C0/Ni]N的制備方法，其特征在于具體步驟為(1)通過磁控濺射的方式在基板上沉積一層(001)取向的Zltl相!^ePt薄膜；(2)抽真空，使濺射腔室的本底氣壓降到小于3Χ10_8Τοπ·；在Zltl!^ePt薄膜冷卻至室溫后，在其上沉積Co/M多層膜，具體過程為以氬氣作為工作氣體，通入濺射腔室，使濺射氣壓保持在5. 0-8. 0 mTorr,然后交替打開擋板，交替濺射Co和Ni層；控制Co層的厚度在 0. 16 nm至0.41 nm之間，Ni層的厚度在0. 47 nm至0.89 nm之間；以一層Co和一層Ni為一周期，周期數(shù)N由所需要的矯頑力決定；(3)在不改變?yōu)R射條件的情況下，再濺射一層和步驟(2)中Co層厚度相同的Co層；(4)之后，在5.0-8.0 mTorr條件下濺射一層Pt層，該P(yáng)t層的厚度為0. 3 nm至3. 0nm。
全文摘要
本發(fā)明屬信息存儲技術(shù)領(lǐng)域，具體為交換耦合復(fù)合介質(zhì)L10-FePt/[Co/Ni]N及其制備方法。所述交換耦合復(fù)合介質(zhì)是在(001)取向的L10FePt薄膜的表面，沉積Co/Ni多層膜以及一非磁性Pt薄層而組成，記為L10-FePt/[Co/Ni]N，N為復(fù)合膜Co/Ni的周期數(shù)。本發(fā)明通過在高矯頑力的(001)取向的L10FePt薄膜表面沉積一層具有垂直磁易軸的Co/Ni多層膜，能夠?qū)ePt薄膜的磁化翻轉(zhuǎn)場下降到適合現(xiàn)有磁頭記錄的大小，從而滿足超高密度記錄介質(zhì)的應(yīng)用。
文檔編號G11B5/84GK102280113SQ20111012124
公開日2011年12月14日 申請日期2011年5月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月11日
發(fā)明者廖嘉霖, 張宗芝, 郭紅華, 金慶原, 馬斌 申請人:復(fù)旦大學(xué)