Co基磁記錄薄膜的制備、結(jié)構(gòu)、取向控制和磁性能的研究.pdf

1、Co-W(Mo)和Co-Pt合金由于具有較高的磁晶各向異性能，有望成為下一代高密度磁記錄介質(zhì)材料，因而得到廣泛的關(guān)注。然而，仍有一些基本問(wèn)題尚未徹底解決，嚴(yán)重限制了它們的應(yīng)用。例如，Co-W(Mo)體系在磁控濺射過(guò)程中容易出現(xiàn)非晶相以及相分離的不充分;Co-Pt合金薄膜垂直取向的有效控制及晶粒間較強(qiáng)的交換耦合作用等。本文通過(guò)磁控濺射技術(shù)沉積了一系列不同成分與厚度的Co-W(Mo)和Co-Pt合金薄膜，并利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（Vibrati

2、ng sample magnetometer，VSM）和X-射線衍射技術(shù)（X-Ray diffraction，XRD）對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)取向及磁性能進(jìn)行了較為深入的研究，探討了晶體結(jié)構(gòu)與磁性能之間的關(guān)系，同時(shí)揭示磁性層生長(zhǎng)取向控制的基本機(jī)理。獲得了如下的主要研究結(jié)果:
　　通過(guò)實(shí)驗(yàn)和熱力學(xué)計(jì)算，研究了Co-W，Co-Mo，Co-Cr合金體系的非晶形成能力。Co-W室溫形成非晶的臨界成分為17.1 at.％W，Co-Mo室溫形成非晶

3、的臨界成分為18.7at.％Mo。三個(gè)體系非晶形成能力的大小關(guān)系為:Co-Mo＞Co-W＞＞Co-Cr，熱力學(xué)計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。提高基板溫度、降低濺射氣壓可以促進(jìn)原子擴(kuò)散，使Co-Mo和Co-W形成HCP結(jié)構(gòu)臨界成分向高M(jìn)o(W)含量偏移。
　　研究了Mo含量對(duì)Co-Mo二元合金薄膜晶體結(jié)構(gòu)和磁性能的影響，Ms隨Mo含量(12～20 at.％Mo)的非線性變化證明Co-Mo合金存在與Co-Cr類似的相分離行為。在Co-Mo中

4、添加Cu、Pb、Pt等元素，Cu和Pb對(duì)薄膜的Ms和Hc沒(méi)有顯著影響，Pt使得磁晶各向異性能提高從而增大Hc。與Co-Cr薄膜大不相同的是摻雜Cu、Pb并沒(méi)有在本質(zhì)上改善Co-Mo相分離的不充分性。
　　在250℃的MgO(110)單晶基片上先后沉積Cr(100nm)下底層和不同厚度(9～80nm)的Co-11 at.％W磁性層，二者取向附生生長(zhǎng)關(guān)系為Cr(112)[111]//Co-W(10.0)[01.0]和Cr(112)[1

5、10]//Co-W(10.0)[00.1]。隨著膜厚的增加，Co-W在薄膜面內(nèi)的壓應(yīng)變（ε＜0）由-0.3884％增大到-0.2711％，Co-W在薄膜法線方向拉應(yīng)變(ε＞0)從0.7813％減小到0.5445％，相應(yīng)地Keff1由3.82×106 erg/cc減小到2.58×106 erg/cc。該結(jié)果表明通過(guò)設(shè)計(jì)磁性層和下底層之間的應(yīng)變狀態(tài)，可以達(dá)到調(diào)節(jié)磁記錄介質(zhì)有效磁晶各向異性能的作用。
　　在沒(méi)有任何下底層引導(dǎo)的情況下，在

6、玻璃基板上沉積了一系列不同Pt含量的Co-Pt薄膜，隨著Pt含量的增加，晶格常數(shù)（a，c）線性增大，c/a先減小而后增大，Hc出現(xiàn)先增大而后減小的變化，Pt含量在20 at.％時(shí)，獲得了較高的Hc和適宜的Ms。
　　引入Ti作為下底層，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出制備Ti引導(dǎo)Co-Pt垂直記錄薄膜的基板溫度(300℃)和Ti層厚度(30 nm)。通過(guò)改變Pt含量得到具有不同晶格常數(shù)的Co-Pt薄膜，比較它們與Ti下底層之間的錯(cuò)配關(guān)系探討了

7、下底層對(duì)磁性層垂直性能影響的根本原因。當(dāng)Pt含量為26 at.％時(shí)Co-Pt形成{00.2}<10.0>強(qiáng)織構(gòu)。Ti在濺射過(guò)程中容易造成晶粒的粗化，通過(guò)在Ti中摻雜SiO2，研究了SiO2含量對(duì)晶粒尺寸的影響。結(jié)果表明隨著SiO2含量的增加，Ti膜的晶粒減小，Co-Pt晶粒隨之相應(yīng)減小并且Co-Pt薄膜獲得良好的垂直磁性能。
　　利用Ru作下底層，首先在Ru之前沉積薄薄的一層金屬Ta，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)低氣壓(0.6Pa)、高功率(90 W

8、)濺射幾個(gè)納米厚的Ta層有利于Ru層取向的控制，從而更好地引導(dǎo)Co-Pt層垂直取向。制備了不同Ru層厚度的Ta(3 nm，90 W，0.6 Pa)/Ru/Co-23at.％Pt(30 nm)薄膜，實(shí)驗(yàn)研究了Ru層厚度對(duì)Co-Pt層取向及磁性能的影響。不同Ru層厚度的薄膜水平和垂直方向的磁滯回線呈現(xiàn)出很大的差異，當(dāng)Ru層厚度為40 nm時(shí)易磁化軸垂直于薄膜表面，該方向矩形比接近于1并且獲得較大的Hc(～4000 Oe)。隨著Ru層厚度的增

9、加，薄膜Hc逐漸增大。
　　實(shí)驗(yàn)研究了磁性層濺射氣壓對(duì)Ta（3nm）/Ru(40 nm)/Co-26at.％Pt(15 nm)薄膜取向及磁性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)1.6 Pa和2.5 Pa沉積薄膜有利于其獲得較好的垂直取向和磁性能。通過(guò)對(duì)垂直磁記錄薄膜形核場(chǎng)建立模型，研究了Co-26at.％Pt層厚度對(duì)形核場(chǎng)位置、大小及易磁化方向磁滯回線在Hc處斜率的影響。隨著薄膜厚度的增加形核場(chǎng)逐漸由負(fù)值過(guò)渡到正值，斜率則隨厚度的增加而減小，該計(jì)算