冯春 不同底层AgTiCuPt对FePt多层膜磁性的影响.pdf

不同底层（!，#$，%&，(）对)*+(!多层膜磁性的影响!冯春,，李宝河,，-，滕蛟,，于广华,（,.北京科技大学材料物理系，北京,/01；-.北京工商大学数理部，北京,/12）摘要：利用磁控溅射的方法，在热玻璃基片上制备了)*+(!多层膜，经不同温度真空热处理后，得到 3,/有序结构的)*(薄膜（3,/4)*(）。实验结果表明：)*+(!多层膜结构可使)*(薄膜的有序化温度由 5/6降到 15/6，15/6退火-/7$8 后其平行膜面矫顽力可达到 9-,.0:!7;,。同时以!，#$，%&和(做底层，利用)*+(!多层膜结构制备了)*(薄膜，磁性和?文献标识码：!文章编号：/-50;2/2（-/5）/5;/25-;/5近,/年来，信息存储技术尤其是磁记录技术得到了飞速的发展，硬盘的面记录密度也大幅度提高。目前实验室的硬盘纵向磁记录面密度已达到-1.-1 A B7;-,，记录密度要进一步提高，必须减小磁记录晶粒的尺寸。当磁记录面密度达到,50.2 A B7;-时，晶粒尺寸应小于 5 87。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。3,/4)*(合金具有高达 2 C,/D 7;1的单轴磁晶各向异性能密度-，同时它还具有矫顽力高、磁能级高和抗腐蚀能力强的特点，能够满足超高密度磁记录对热稳定性的需要，成为下一代磁记录介质的首选材料。直接溅射得到的)*(薄膜为无序的面心立方结构（#），是一种软磁相，必须通过基片加热或较高温度（高于 5/6）1的退火才能形成有序四方结构（#$）的硬磁相，即)*(43,/相。但过高温度退火会形成较大的)*(晶粒和较粗糙的表面，不利于提高磁记录密度。因此降低 3,/4)*(薄膜的有序化温度，改善其磁性是急待解决的问题。EF$7G等9研究发现，利用)*+(!多层膜结构可以降低)*(单层膜的有序化温度，但矫顽力太低。#G:G4FGHF$和 IG*JG 等5，报道了采用)*(和%&共溅射的方法制备)*(%&合金薄膜的有序化温度可降到1/6。KH&等2研究发现，以!底层和(插层可以降低)*(单层膜的有序化温度，%F*8 等0研究发现以#$为底层可以细化)*(晶粒。但到目前为止，以!，#$，%&和(做底层，并利用)*+(!多层膜结构制备薄膜的研究报道还很少见到。本文则以!，#$，%&和(做底层，并利用)*+(!多层膜结构制备薄膜，并发现与)*+(!多层膜相比，四种底层均没有进一步降低)*(薄膜的有序化温度，其中!做底层对)*+(!多层膜退火后的平行膜面矫顽力影响较小，但能够提高其垂直磁各向异性；其他底层均会降低)*+(!多层膜在高温退火时的平行膜面矫顽力，且对其垂直磁各向异性无改善作用。,实验所有薄膜样品均在 LM45/-型磁控溅射仪中制备，其本底真空度为 5 C,/;5G。利用高纯的)*靶（?N?O）、(靶（?.?O）直流沉积制备)*(单层膜 和)*+(,1多 层 膜，然 后 用 高 纯!靶（?N?O）、#$靶（?.?O）和%&靶（?.?O）分别射频溅射沉积以!，#$，%&和(为底层的)*+(,1多层膜。所有薄膜都沉积在清洗干净的玻璃基第-?卷第 5 期MPQ.-?R.5稀有金属%KSTUEU D=VWT!3=)W!WU IU#!3E-/5 年,/月#=B(.-/5!收稿日期：-/5;/;,/；修订日期：-/5;/0;-/基金项目：教育部博士点基金（-/1/0/1）和教育部科学技术研究重要项目（,/9/-1）资助作者简介：冯春（,?0,;），男，安徽安庆人，博士研究生通讯联系人（U47G$Q：FX&Y7G(*Z.&H(A.*J&.B8）万方数据片上，溅射时基片以!#$%&!的速率旋转，基片温度控制在()*+，工作气（,#气）压恒定在*-.)/0。1&23 等4研究表明对于 567/8 多层膜，当/8 层与 56 层厚度相同时，得到的矫顽力最高，故本文选择相同厚度（!-)&$）的 56 和/8 层制备 567/8!多层膜。为了更好地对比，56/8 单层膜的厚度与多层膜的总厚度保持一致（.*&$）。底层的厚度控制在.*&$。直接溅射的薄膜在真空度为 9:!*)/0 的真空退火炉中进行退火处理，退火温度选择 9)*;)*+之间，退火时间为(*$%&。利用%=#3(4*型梯度磁强计（,?，J%和/8做底层的 567/8!多层膜均在 9)*+退火时才能具有较高的 E（9(*;)*,$!），即有序化温度为 9)*+；而以 EK 做底层的薄膜，其 E均小于*,$!，所以与 567/8!多层膜相比，这四种底层均没有进一步降低其有序化温度，且对薄膜的E也没有明显的提高。此外，各底层对退火后薄膜的 E影响也不同，567/8!多层膜退火后的E随退火温度的升高而增大；与无底层的 567/8!多层膜相比，只有以,做底层的多层膜，退火后的E变化不大，并且也是随着退火温度的升高而单调地升高。以 EK 做底层的多层膜在退火后，E均较低，且随退火温度的变化也较小，说明以 EK 做底层会大幅度降低 567/8!多层膜退火后的 E。以/8 做底层的 567/8!多层膜，其 E在 9)*+退火时略高于无底层的 E，并在.*+退火时达到最大值，随着温度的进一步升高，矫顽力大幅度地下降到!L*,$!左右。以 J%为底层的 567/8!多 层 膜，其 E先 随 退 火 温 度 的 升 高 而 逐渐升高，在高于)*+退火时开始出现 E的下图!56/8 单层膜和 567/8!多层膜经不同温度退火(*$%&后，平行膜面方向的矫顽力（E）随退火温度（#0）的关系曲线5%-!D&FMN0&6=36#=%O%8P E26M6&26&=6 3Q 0&60N%&86$M6#0F8K#6#0Q3#56/8 0&2 567/8!$KN8%N0P6#Q%N$R（,&60N%&8%$6(*$%&）9)H)期冯春等不同底层（,，J%，EK，/8）对 567/8!多层膜磁性的影响万方数据图!不同底层的#$%&!多层膜经不同温度退火!()*后，平行膜面方向的矫顽力（+）随退火温度（#,）的关系曲线)-.!/,0),&)1*12)*345,*#61#06)7)&8+9)&:,*#,5)*-&#(4#0,3&;0#,210#%&2)5(9)&:=)22#0#*&;*=#05,8#0*#,5)*-&)(#!()*）降。说明只有-做底层对#$%&!多层膜退火后的+影响较小，其他底层均会不同程度地降低#$%&!多层膜在高温退火后的+。为了研究底层对#%&晶粒取向的影响，选取无底层、-和?)做底层的#$%&!多层膜，在 A退火!()*后测量其平行和垂直膜面方向的磁滞回线，结果如图 B 所示。横轴为外加磁场（），纵轴为磁化强度（$）和饱和磁化强度（$C）之比。比较可得，无底层和?)为底层的薄膜的易磁化轴为平行膜面方向，-做底层的样品的易磁化轴既不沿平行膜面也不沿垂直膜面方向，即易磁化轴偏离平行膜面方向，并转向垂直膜面方向。说明-做底层可以改善#%&薄膜的垂直膜面取向，提高垂直各向异性。为了进一步了解底层对多层膜有序化和磁性影响的原因，本文研究了四种底层的#$%&!多层膜在 DD A退火!()*后的 EFG，结果如图 所示。#$%&!多层膜和-做底层的多层膜经退火后，除了基本峰#%&（HHH）外，还出现了较强的超晶格峰#%&（H），（HH）峰，#%&（!）峰也分裂成（!）和（!）峰，这两峰分别向原衍射峰的小角度和大角度方向移动，表明此时#%&晶格参数%增大，&减小，即形成了有序化程度较高的#%&3IH相。经查找相图，-在#%&中的固溶度较小H，在退火时-扩散到#%&中，应该形成#%&3IH和-的复合双相，所以 EFG 图中出现较强的-单质的衍射峰，由于-底层的（!）取向引导#%&（!）取向生长，这有利于薄膜的易磁化轴偏向垂直膜面方向；同时由于面心立方的-的晶格常数为.J*(，略大于#%&晶格常数（%K.BJ!*(），导致#%&晶格在沿-晶粒外延生长的过程中，%轴拉伸，&轴相应地收缩，这有利于形成有序度较高的#%&3IH结构，故以-为底层的多层膜和#$%&!多层膜相同，#%&薄膜的有序化程度随退火温度的升高而升高，+也持续升高。而?)在#和%&中均有一定的溶解度，并且可以形成#?)，#!?)，%&?)，%&?)B和%&J?)等 金 属 间 化 合物H，在退火过程中，由于扩散和层间界面反应HH，可能形成多种杂相，因而 EFG 图中未出现?)单质的衍射峰。在 DD A时，EFG 图仅出现#%&的基本峰（HHH）和（!），以及强度较低的#%&（H）峰，说明层间界面反应充分，严重破坏了#%&3IH相，导致+下降。+;做底层时，EFG图中（!）和（!）峰均向大角度方向移动；%&做图 B不同底层的#$%&!多层膜在 A退火!()*后的平行、垂直膜面方向的磁滞回线（,）#$%&!；（L）-$#$%&!；（6）?)$#$%&!)-.BM*345,*#,*=4#04#*=)6;5,0:8&#0#)5114,&#,K A 210!()*DN稀有金属!O!卷万方数据图!不同底层的#$%&!多层膜在()退火*(+,-后的./0 图,12!./0 34&#5-6 78#$%&!8,9+6:,&;,88#5#-&=-#56（?-#49,-1&#+3#54&=5#4()）底层时，各衍射峰都发生了明显的移动。由相关合金相图A(，A*可知，B=扩散到#%&晶格中，与#%&形成 B=#%&*相，它与#%&CDA(结构相同，但晶格参数更小，因此其（*(）和（(*）峰均向大角度方向移动；%&也扩散到#%&晶格中，与#%&形成%&E#CDA*相，导致各衍射峰的移动。由于这两种相均为软磁相，必然导致薄膜#B的大幅度下降。E结论利用#$%&!多层膜结构可使#%&膜的有序化温度由(降到 E()，并能提高#%&膜的#B，在 E()退火后其#B可达到!*A2F G?+H A；四种底层均没有进一步降低#%&薄膜的有序化温度，其中?1 做底层对#$%&!多层膜退火后的#B影响较小，但能够提高其垂直磁各向异性；其他底层均会降低#$%&!多层膜在高温退火时的#B，且对其垂直磁各向异性无改善作用。参考文献：A I47 J，D,-K,99#L，M7:4G N，#&492O=-#9,-1+41-#&75#6,6&,K#;#47-A(QP$,-*N 2 RLLL O54-2 I41-2，*(!，!(（A）：E(S2*T#99#5 0，I76#5?，79G6 D，#&492U,1;V=+4&#5,496 433574W;&7A(QP,&$,-*N 2 RLLL O54-2 I41-2，*(，EX：A(2E V=7 B I，V=7%B，T=U B，#&492I41-#&,W;45#-,-1+#W;4C-,6+6&=,-#%&;,-8,9+6 N 2 N2?3392%;62，AYYY，F（F）：!FFX2!J;,+4 O，I75,1=W;,O，I,&4-,J，#&492D7:C&#+3#54&=5#84P5,W4C&,7-78 DA(75#5#P 49&#5-4&#+7-4&7+,W 94#5 62 D#&2，*(*，F(（*）：*FF2 O4G4;46;,Z V，;=+4 I，U7-7 V2L88#W&78 B=7-&;#6&5=W&=5#4-+41-#&,W 3573#5&,#6 78#%&63=&#5#8,9+N 2 N2 I41-2 I41-2I4&#52，*(*，*!X：*Y2X I4#4 O，V4,O，V,G,&6=?，#&492/#=W&,7-78 75#5,-1&#+3#54C&=5#78 4-#%&C75#5#P 462D#&2，*(*，F(（A*）：*A!S2S U6=Z M，N#7-1 J，D4=1;9,-0 L，#&492O;#88#W&6 78?1=-#5 4-%&,-&#5+#56 7-&;#+,W576&5=W&=5#4-+41-#&,W3573#5&,#6 78#3,&4,49#%&;,-8,9+6 N 2 N2 I41-2 I41-2 I4&#52，*(E，*X(：*F*2F B;#-J B，V=7%B，V=7 J O，#&492L88#W&6 78 O,=-#5 7-&;#15#78 75#5 78#(%&(8,9+6N 2 I4&#52 JW,2 L-12，*(E，YF：*!2Y L-7 Z，V,G=W;,M，V,&4G4+,，#&492D7:#5,-1 78 75#56N 2 N2?3392%;62，*(A，FY（AA）：S(X2A(G4+7&7 U，J=P54+4-,4-%/，V4W354G D2,-45?997%;46#0,4154+62?6+R-&#5-4&,7-49I 2 J#W7-L，AYY*2 EXAA 柴春林，滕蛟，于广华，等2退火对#I-钉扎自旋阀性质的影响N 2 物理学报，*(*，A（F）：AF!X2A*_,99456%，%5,-W#?，G4+7&7 U2U4-?997%;46#0,4154+62?6+R-&#5-4&,7-49I 2,56&L，AYY2 Y!(S2!#$%&(，)*，+%,-./0 1-.#23,4#25&-6,(-#%*$+2&7#2%*#5&8#9+%603%*3,4#2 8*3:#-1 B;=-A，D,47;#A，*，O#-1 N,47A，Z=Q=4-1;=4A!（$%&()*+,!+-./)+*0)1 2345065)!7 83,905+*4，:!0;*50+4-.0?0!=，0?0!=$AB，830!)；C%&()*+,!+-./)+39,)+065)!7 2345065，0?0!=63!-1-=4)!7 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