（凝聚態(tài)物理專業(yè)論文）超高密度垂直磁記錄用ndfeb薄膜的研究.pdf

摘要 目前傳統(tǒng)的水平磁記錄技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了技術(shù)上的物理極限，為了提供更 大容量的信息存儲(chǔ)系統(tǒng)來(lái)繼續(xù)助推信息化社會(huì)的發(fā)展，人們把主要希望寄托 在了垂直磁記錄技術(shù)之上。本論文研究了可用于超高密度垂直磁記錄介質(zhì)的 n d f e b 薄膜。由于四方n d 2 f e l 4 b 相的高單軸磁晶各向異性能( 1 0 7 e r g c m 3 1 ， 可以允許把晶粒尺寸降低到幾個(gè)納米左右，同時(shí)保持足夠的熱穩(wěn)定性，從而 可以獲得更小的記錄信息單元，以實(shí)現(xiàn)更高的汜錄密度。 實(shí)驗(yàn)上采用直流磁控對(duì)向靶濺射來(lái)制各n d f e b 薄膜。研究了不同襯底層 上n d f e b 薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程和濺剩條件、薄膜厚度、成分和熱處理對(duì)n d f e b 薄膜結(jié)構(gòu)和磁性的影響以及添加微量元素對(duì)薄膜晶粒形貌和磁性的改善作 用，并深入討論了不同條件下n d f e b 薄膜的矯頑力機(jī)理和反磁化過(guò)程，對(duì) n d f e b 薄膜的抗氧化和熱穩(wěn)定性問(wèn)題也進(jìn)行應(yīng)用性研究，主要得到以下結(jié)論： 1 n d f e b 薄膜的織構(gòu)表現(xiàn)出隨襯底材料、濺射溫度疋和薄膜厚度每三者的 關(guān)聯(lián)變化：t a 襯底上t p 5 2 5 。c 和占 2 0 0n i n 時(shí)，m o 襯底上7 5 2 5 。c 和6 s 1 0 0 n m 時(shí)，a 1 襯底上3 8 0 。c 瓦 5 2 5o c 和d r l 0 0r l l n 時(shí)，w 襯底上 3 8 0 。c i ： 5 2 5 。ca n dd 2 0 0n i n0 nt al a y e r , o ra tg 5 2 5 。ca n d6 1 0 0n r no nm o l a y e r , o ra t 3 8 0 。c t ， 5 2 5 。ca n dj 蘭1 0 0n i no i la il a y e r , o ra t3 8 0 o c 1 0 7 e r g c m 3 ) 的介質(zhì)材料。這就要求寫(xiě)磁頭必須具有更高的寫(xiě)入能 力( 高飽和磁化強(qiáng)度) 及高頻穩(wěn)定特性( g h z 下的高磁導(dǎo)率j 。表i21 綜臺(tái) 了司以應(yīng)用于高密度磁記錄的軟磁材料。在目前所有的軟磁材料中，f e 6 5 c 0 3 j 合金的飽和磁化強(qiáng)度( 接近25 t ) 是最高的。關(guān)于它的應(yīng)用| 生研究，業(yè)已比 較成熟。所以在今后一段時(shí)間內(nèi)，寫(xiě)磁頭極頭材料將以f e c o 基臺(tái)金為主， 除非人們開(kāi)發(fā)出廠更高飽和磁化強(qiáng)度的材料。 涮備 4 代m s h c 又s i l kp 附腐 材瓣種婁 ( 1 0 6 ) ( o e ) f “q c m ) 蝕性 手段( t )( o e ) x i 8 0 f e 2 0 電鍍 1 oo312 5 42 0 ：5 蝻4 5 f e 5 5 電鍵 1604 -2 09 。54 8妊 c o s $ f e l 2 f ；l 鍍 2 o1 0 - i3不好 c o $ 乒e 2 s n i l 二 i 氈鍍 2 o 2ll 。2l 。83 02 1 c o f e v b 電鍍 1 88 j ，氣 3 4不玨 c o z r 纂棼藤l 惑濺尉 l ，4 1l 6 立o1 2 0 不 f e x n 濺射 1 8 20 lc 。24 。l o4 0 f 心i o 濺魑 l3 94 1 0野 表1 21 可以應(yīng)用于高密度磁記錄的軟磁材料及其物理特性 硬磁盤(pán)中信號(hào)讀取開(kāi)始由同一的磁頭承擔(dān)，在磁一一6 一一阻磁頭( m r ) 應(yīng) 用以后才分工。也正是使用了高分辨率的m r 及后來(lái)的g m r 磁頭，才有了 近十幾年磁記錄密度的指數(shù)式增長(zhǎng)。目前硬磁盤(pán)中普遍使用的是自旋閥巨磁 阻磁頭( s p i n v a l v eg m r ) ，它的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖12 3 。與以往感應(yīng)磁頭用f a r a d y 法感應(yīng)信號(hào)的不同，磁阻磁頭是通過(guò)磁場(chǎng)改變電阻的方法來(lái)讀取信號(hào)，因而 磁盤(pán)的轉(zhuǎn)速對(duì)它的信號(hào)讀取沒(méi)有影響，而且具有更高的讀出靈敏度。目前， 科學(xué)家們正在研究具有更大信號(hào)放大能力的隧道結(jié)磁頭( t m r ) ，以用于未 來(lái)超高密度磁記錄磁電子學(xué)是一門(mén)復(fù)雜的科學(xué)，涉及到固體電子學(xué)與量子力 學(xué)的知識(shí)，它的理論可以參考相關(guān)文獻(xiàn)【1 9 2 3 】。值得一提的是，與磁電子 學(xué)相關(guān)的自旋電子學(xué)( s p i n t r o n i c s ) 被認(rèn)為是本世紀(jì)需要解決的十大科學(xué)難題 ? 一一。 圖1 2 3 自旋閥讀磁頭的橫截面示意圖 蘭州大學(xué)研究生學(xué)位論文 12 3 磁記錄介質(zhì) 介質(zhì)是信息的載體，根據(jù)記錄方式及技術(shù)水平的不同，磁介質(zhì)也有不同 的類別及結(jié)構(gòu)，主要可分為顆粒介質(zhì)( p a r t i c u l a rm e d i a ) 和薄膜介質(zhì)( t 1 1 i 1 1f i i i l l m e d i a ) 。前者應(yīng)用于磁帶或軟磁盤(pán)磁，后者應(yīng)用于硬磁盤(pán)。顆粒介質(zhì)的特征 是：磁性粒子小，均勻，無(wú)粒子間交換耦合作用。代表性的材料有開(kāi)始的金 屬氧化物( y f e 2 0 3 ，y - f e 2 0 3 + c o ，c r 0 2 ) ，到鐵氧體( b a f e l 2 - 2 x c o 、t i 。o 】9 ) ，至 金屬顆粒介質(zhì)( f e 4 n ，f e n i ，f e c o ) 。很明顯，顆粒介質(zhì)很難實(shí)現(xiàn)高矯頑力和 低噪音的薄膜型介質(zhì)，因而無(wú)法應(yīng)用于硬磁盤(pán)技術(shù)中 2 4 】。 圖1 2 4 磁記錄介質(zhì)的橫界面示意圖 l u b r i c a n t o v e r l a y e r m a g n e t i cl a y e r i n t e r m e d i a t el a y e r u n d e r l a y e r s e e dl a y e r s u b s t r a t e 到現(xiàn)在應(yīng)用與硬磁盤(pán)的記錄介質(zhì)已發(fā)展成復(fù)雜的多層膜結(jié)構(gòu)，制怍工藝 也非常復(fù)雜。圖1 24 顯示了一個(gè)目前普遍使用的硬磁盤(pán)記錄介質(zhì)的橫截面， 其各層的作用機(jī)理簡(jiǎn)介如下：a 1 基片( 或玻璃等) 上電鍍有非晶的n i p 層， 來(lái)硬化、平滑和織構(gòu)化磁盤(pán)；其上濺射的“種晶層”( s e e dl a y e r ) 是為了進(jìn)步 平滑磁盤(pán)，并控制襯底層( u n d e r c o a t ) 的生長(zhǎng)；襯底層則是為了控制磁性層 的結(jié)構(gòu)，以便能生長(zhǎng)出需要的磁化取向；中間層( s p a c i n gl a y e r ) 是為減小下 底層與磁性層間的相互擴(kuò)散，減小磁性層的初始層( i n i t i a ll a y e r ) ，并調(diào)控磁 性層中的晶粒形貌；最上面的保護(hù)層( o v e r c o a t ) 與潤(rùn)滑層( 1 u b r i c a n t ) 用來(lái) 提高磁頭與磁盤(pán)問(wèn)的摩擦性能，保護(hù)磁性層。對(duì)于垂直磁記錄介質(zhì)，還要在 s e e dl a y e r 與u n d e r l a y e r 之間插入一軟磁層，以提高磁頭的讀寫(xiě)性能。由此可 見(jiàn)磁記錄介質(zhì)的技術(shù)難度及工藝復(fù)雜程度。表12 2 給出了薄膜介質(zhì)中所使用 的材料( 并不包括很多新發(fā)展起來(lái)的材料) 。 表1 2 2 薄膜介質(zhì)中所使用的材料 潤(rùn)滑層全氟聚醚 保護(hù)層非晶碳、s i o 。 奪c o a l l o y s ：c o ，c 0 3 p t ，f e c o n i ，c o c r ，c o c r - p t ， c o c r t a ，c o n i - p , 磁性層 0 x i d et h i nf i l m s ：b a m s r mf e r r i t e 奪r a r e e a r t ht r a n s i t i o nm e t a l s ：n d 2 f e , 4 b ，s m c 0 5 ， 蘭j i 大掌講宄+ 卜學(xué)位玲文笫l 童甜論 奪l10p h a s e s ：f e p d ，c o p t ，m n a i f e p t 襯底層c r ，m o ，wc r t i c r vc r - s i 種晶層 n i p a l n i 基片 a 1 一m g ，玻璃，陶瓷 1 2 4 超高磁記錄密度的要求 為提高記錄密度，縮放存儲(chǔ)器比例是最例行的基本方法。在磁記錄中， 表現(xiàn)為減小磁頭與磁盤(pán)的間距，減小記錄介質(zhì)的厚度，減小磁頭的尺寸和過(guò) 渡區(qū)的寬度。在這微型化過(guò)程中，它們要受到很多物理和技術(shù)上的限制，主 要?dú)w納在以下幾個(gè)方面： a 磁馳豫( 即超順磁) 限制。在沒(méi)有其它條件的干預(yù)時(shí)，磁化矢量在熱擾 動(dòng)的影h i ；i t 會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，偏離甚至背向原來(lái)的取向，在磁記錄中表現(xiàn)為 記錄信息的減滅。這一過(guò)程可用馳豫時(shí)間t 來(lái)表示。理論研究表明，t 由下面的公式?jīng)Q定【8 】： z = 1 0 一e x p ( k 。v k b t ) 其中，k 。為介質(zhì)的磁晶各項(xiàng)異性能，礦為晶粒體積，腸為波爾滋曼常 數(shù)，r 為絕對(duì)溫度。若以r = 1 0 年為信息穩(wěn)定性的基本要求，以c o p t c r 合金為例，五，約2 0 x 1 0 6 e r g c m 3 ，t 為室溫，再假設(shè)立方形晶粒v = d 。， 帶入上式計(jì)算得d = 1 0 4 n m ，即由熱不穩(wěn)定性控制的磁性層晶粒不能小 于1 04 n m 。而高密記錄的信噪比( s i g n a l t on o i s er a t i o ) 正比于記錄單 元中晶粒數(shù)目的根號(hào)值，它要求磁性晶粒尺寸要盡可能小。這兩個(gè)對(duì)立 的晶粒需求，迫使研究者們?nèi)ふ揖哂懈叽啪Ц黜?xiàng)異性能的硬磁材 料。 b 磁頭與磁盤(pán)的間距。由于讀出信息幅值與過(guò)渡區(qū)的距離成指數(shù)式衰減， 要求磁頭盡可能接近磁性層，同時(shí)也可以獲得更高的信號(hào)寫(xiě)入能力。但 另一方面，又必須避免磁頭與盤(pán)面的摩擦，防止損壞磁頭或磁性層。目 前最高密度記錄中，磁頭與磁盤(pán)的間距在1 0 n m 左右。如果要進(jìn)一步減 小該值，磁介質(zhì)必須有近零的粗糙度，同時(shí)能超精確控制磁頭的飛行高 度。 c 寫(xiě)磁頭的飽和磁化強(qiáng)度。磁頭的寫(xiě)入能力直接決定了記錄介質(zhì)的選取。 表1 23 中所列的極具潛力的高密度記錄材料的各項(xiàng)異性場(chǎng)均高出目前 最大軟磁材料的飽和磁化強(qiáng)度，意味著必須適當(dāng)降低前者的矯頑力以獲 得寫(xiě)入信號(hào)的可能性。這一舉措可能會(huì)讓我們失去更高的記錄密度。 d 讀磁頭的敏感度。記錄密度增加的同尉，每個(gè)記錄單元散發(fā)出來(lái)的信息 也在不斷減小，這對(duì)磁頭的讀出靈敏度提出了挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，聰明的 蘭j , i 、1 大學(xué)研究生學(xué)位論文 第1 章緒論 研究者們開(kāi)發(fā)出了一代又一代的高性能讀出器件，從m r ，( 3 m r 到c m r ( 龐磁阻磁頭) ，再到t m r ( 隧道結(jié)磁頭) 。這讓人們?cè)谧非蟪呙芏却?記錄的道路上看到一絲綠光。然而當(dāng)信息單7 亡接近原子尺度時(shí)可能又 必須去探索更高性能的信息讀出器件。 e 伺服道寬。要實(shí)現(xiàn)超高記錄密度，磁道的寬度也在縮小，這就要求發(fā)展 更新的技術(shù)來(lái)穩(wěn)定控制磁頭在磁道上的飛行，盡量減小磁頭的側(cè)寫(xiě)( s i d e w r i t i n g ) 或側(cè)讀( s i d er e a d i n g ) 效應(yīng)。 由上可見(jiàn)，記錄密度的進(jìn)步是所有相關(guān)技術(shù)迭代發(fā)展的過(guò)程。它涉及到 磁學(xué)、電子學(xué)及空氣動(dòng)力學(xué)等諸多物理學(xué)科知識(shí)，需要不同領(lǐng)域的科學(xué)研究 者的共同努力。在磁性上的研究，最關(guān)鍵的就是制備出能滿足高密記錄的介 質(zhì)。下面列出了高密記錄對(duì)記錄介質(zhì)的要求： a 高矯頑力。這是獲得非常窄的過(guò)渡區(qū)寬度所必需的。硬磁材料的矯頑力 通常由磁晶各向異性場(chǎng)決定，也就是說(shuō)具有高磁晶各向異性的材料是必 需的。但是介質(zhì)的矯頑力不能超過(guò)寫(xiě)入磁頭的寫(xiě)入能力。 b 高的剩余磁化強(qiáng)度m r 、低的磁性層厚度抗這些是為了得到足夠大的讀 出信號(hào)、最小的厚度間隙損耗所必需的。對(duì)于m r 磁頭，尬躪必須要與 m r 元件( 或自旋閥自由層) 相匹配。 c 近似為矩形的磁滯回線。這是窄的過(guò)渡區(qū)和合適的重寫(xiě)比所要求的。 d 非常光滑的表面、足夠的機(jī)械耐磨性。這是為了滿足非常低的飛行高度 的要求。 e 分布均勻的、小的磁性粒子，以及弱的粒子間的磁性相互作用。這在超 高密度磁記錄介質(zhì)的設(shè)計(jì)和制造中是一個(gè)非常重要的要求。 基于以上的考慮，表1 2 3 列出了一些很有潛力的超高密度磁記錄介質(zhì) 材料及其物理參數(shù)【2 5 】。本論文選取素有“磁王”之稱的n d 2 f e i 。b 作為研 究對(duì)象，探討它們用于高密度磁記錄介質(zhì)的可行性。從表中可以看出， n d 2 f e l 4 b 的磁晶各項(xiàng)異性能是現(xiàn)在使用c o 基合金的2 0 倍，它允許的最小晶 粒尺寸為3 7 n m 左右，比c o 基合金約小三倍，意味著如果運(yùn)用n d 2 f e l 4 b 作 為磁- 勝記錄層，記錄密度可能達(dá)到1 t b i n 2 ，且保持足夠的熱穩(wěn)定性。所以我 們認(rèn)為這是一項(xiàng)很有意義的研究工作。 表1 2 3 一些很有發(fā)展?jié)摿Φ某呙芏却庞涗浗橘|(zhì)材料。 各向異性場(chǎng)：凰= 2 k j m s ；疇壁能：腳= 4 叫島) ” 奪 單疇粒子尺寸：d c ；i 4 r j m ? 奪交換作用常數(shù)：a = 1 0 。e r v d c m 奪 最小的穩(wěn)定尺寸( f = 1 0 年) ：d d = ( 6 0 k b t k a ) 1 7 3 凰( 1 0 壇鳳咒d cd p m a t e r i a l e r r & c )( e m u c c )( k o e )( k )( b t m ) f n m l b a f e l 2 0 1 9 0 3 33 8 01 77 3 00 78 8 s r f e l 2 0 1 9 0 3 54 1 0 1 7o 68 6 蘭型奎蘭塑塑生蘭竺堡奎 簍1 翌籩= ：! 三 c o p t c r0 2 0 2 9 81 3 70 - 8 9 1 0 4 c o04 51 4 0 0 641 4 0 400 680 c 0 3 p t 201 1 0 03 6 o 2 l4 8 f e p d1 81 1 0 07 6 0 0 2 05 0 f e p t6 6 一i o1 1 4 0j 1 67 5 00 3 433 _ 2 8 c o p t4 98 0 01 2 38 4 0o 6 】36 m n a l 1 75 6 06 96 5 0o7 15 1 n d 2f e l 4 b4 61 2 7 07 35 8 50 2 33 7 s m c o 1 1 2 09 i o2 4 0 4 0 01 0 0 00 ，7 1 0 9 627 1 2 2 13 信息存儲(chǔ)技術(shù)的未來(lái)發(fā)展 密度和速度是信息存儲(chǔ)技術(shù)的追求，如果拋開(kāi)成本劇素，最終決定納米 制備和器件微型化的物理極限應(yīng)該是原子的本質(zhì)特征。表13 1 給出了可以替 代垂直磁記錄技術(shù)的更高級(jí)的超高密度記錄系統(tǒng)，這也是未來(lái)信息技術(shù)發(fā)展 的方向【2 6 。實(shí)際上，關(guān)于它們的基礎(chǔ)研究已經(jīng)是進(jìn)行時(shí)。人類社會(huì)的科技 發(fā)展史告訴我們，將來(lái)什么都是可能的。 表1 3 1 將來(lái)可能的高密度信息存儲(chǔ)技術(shù) l技術(shù)名稱技術(shù)特征 熱輔助記錄允許使用高h(yuǎn) c 材料，實(shí)現(xiàn)更高密度垂直式記錄 圖紋介質(zhì)存儲(chǔ)低噪音、超高密度記錄 磁阻半導(dǎo)體存儲(chǔ)快速、抗輻射，且非易失性 m i l l i p e d e 能夠?qū)崿F(xiàn)原予尺度記錄信息 全息存儲(chǔ)快速信息讀寫(xiě)，低耗材 參考文獻(xiàn) 【1 】y m j u r a f u j l t s us c it e c h j 3