（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)的水平磁記錄技術已經達到了技術上的物理極限，為了提供更 大容量的信息存儲系統(tǒng)來繼續(xù)助推信息化社會的發(fā)展，人們把主要希望寄托 在了垂直磁記錄技術之上。本論文研究了可用于超高密度垂直磁記錄介質的 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納米左右，同時保持足夠的熱穩(wěn)定性，從而 可以獲得更小的記錄信息單元，以實現更高的汜錄密度。 實驗上采用直流磁控對向靶濺射來制各n d f e b 薄膜。研究了不同襯底層 上n d f e b 薄膜的生長過程和濺剩條件、薄膜厚度、成分和熱處理對n d f e b 薄膜結構和磁性的影響以及添加微量元素對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 薄膜的矯頑力機理和反磁化過程，對 n d f e b 薄膜的抗氧化和熱穩(wěn)定性問題也進行應用性研究，主要得到以下結論： 1 n d f e b 薄膜的織構表現出隨襯底材料、濺射溫度疋和薄膜厚度每三者的 關聯變化：t a 襯底上t p 5 2 5 。c 和占 2 0 0n i n 時，m o 襯底上7 5 2 5 。c 和6 s 1 0 0 n m 時，a 1 襯底上3 8 0 。c 瓦 5 2 5o c 和d r l 0 0r l l n 時，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 ) 的介質材料。這就要求寫磁頭必須具有更高的寫入能 力( 高飽和磁化強度) 及高頻穩(wěn)定特性( g h z 下的高磁導率j 。表i21 綜臺 了司以應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 合金的飽和磁化強度( 接近25 t ) 是最高的。關于它的應用| 生研究，業(yè)已比 較成熟。所以在今后一段時間內，寫磁頭極頭材料將以f e c o 基臺金為主， 除非人們開發(fā)出廠更高飽和磁化強度的材料。 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 可以應用于高密度磁記錄的軟磁材料及其物理特性 硬磁盤中信號讀取開始由同一的磁頭承擔，在磁一一6 一一阻磁頭( m r ) 應 用以后才分工。也正是使用了高分辨率的m r 及后來的g m r 磁頭，才有了 近十幾年磁記錄密度的指數式增長。目前硬磁盤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 ) ，它的結構見圖12 3 。與以往感應磁頭用f a r a d y 法感應信號的不同，磁阻磁頭是通過磁場改變電阻的方法來讀取信號，因而 磁盤的轉速對它的信號讀取沒有影響，而且具有更高的讀出靈敏度。目前， 科學家們正在研究具有更大信號放大能力的隧道結磁頭( t m r ) ，以用于未 來超高密度磁記錄磁電子學是一門復雜的科學，涉及到固體電子學與量子力 學的知識，它的理論可以參考相關文獻【1 9 2 3 】。值得一提的是，與磁電子 學相關的自旋電子學( s p i n t r o n i c s ) 被認為是本世紀需要解決的十大科學難題 ? 一一。 圖1 2 3 自旋閥讀磁頭的橫截面示意圖 蘭州大學研究生學位論文 12 3 磁記錄介質 介質是信息的載體，根據記錄方式及技術水平的不同，磁介質也有不同 的類別及結構，主要可分為顆粒介質( p a r t i c u l a rm e d i a ) 和薄膜介質( t 1 1 i 1 1f i i i l l m e d i a ) 。前者應用于磁帶或軟磁盤磁，后者應用于硬磁盤。顆粒介質的特征 是：磁性粒子小，均勻，無粒子間交換耦合作用。代表性的材料有開始的金 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( f e 4 n ，f e n i ，f e c o ) 。很明顯，顆粒介質很難實現高矯頑力和 低噪音的薄膜型介質，因而無法應用于硬磁盤技術中 2 4 】。 圖1 2 4 磁記錄介質的橫界面示意圖 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 到現在應用與硬磁盤的記錄介質已發(fā)展成復雜的多層膜結構，制怍工藝 也非常復雜。圖1 24 顯示了一個目前普遍使用的硬磁盤記錄介質的橫截面， 其各層的作用機理簡介如下：a 1 基片( 或玻璃等) 上電鍍有非晶的n i p 層， 來硬化、平滑和織構化磁盤；其上濺射的“種晶層”( s e e dl a y e r ) 是為了進步 平滑磁盤，并控制襯底層( u n d e r c o a t ) 的生長；襯底層則是為了控制磁性層 的結構，以便能生長出需要的磁化取向；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散，減小磁性層的初始層( i n i t i a ll a y e r ) ，并調控磁 性層中的晶粒形貌；最上面的保護層( o v e r c o a t ) 與潤滑層( 1 u b r i c a n t ) 用來 提高磁頭與磁盤問的摩擦性能，保護磁性層。對于垂直磁記錄介質，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，以提高磁頭的讀寫性能。由此可 見磁記錄介質的技術難度及工藝復雜程度。表12 2 給出了薄膜介質中所使用 的材料( 并不包括很多新發(fā)展起來的材料) 。 表1 2 2 薄膜介質中所使用的材料 潤滑層全氟聚醚 保護層非晶碳、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，縮放存儲器比例是最例行的基本方法。在磁記錄中， 表現為減小磁頭與磁盤的間距，減小記錄介質的厚度，減小磁頭的尺寸和過 渡區(qū)的寬度。在這微型化過程中，它們要受到很多物理和技術上的限制，主 要歸納在以下幾個方面： a 磁馳豫( 即超順磁) 限制。在沒有其它條件的干預時，磁化矢量在熱擾 動的影h i ；i t 會發(fā)生運動，偏離甚至背向原來的取向，在磁記錄中表現為 記錄信息的減滅。這一過程可用馳豫時間t 來表示。理論研究表明，t 由下面的公式決定【8 】： z = 1 0 一e x p ( k 。v k b t ) 其中，k 。為介質的磁晶各項異性能，礦為晶粒體積，腸為波爾滋曼常 數，r 為絕對溫度。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，再假設立方形晶粒v = d 。， 帶入上式計算得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 元中晶粒數目的根號值，它要求磁性晶粒尺寸要盡可能小。這兩個對立 的晶粒需求，迫使研究者們去尋找具有更高磁晶各項異性能的硬磁材 料。 b 磁頭與磁盤的間距。由于讀出信息幅值與過渡區(qū)的距離成指數式衰減， 要求磁頭盡可能接近磁性層，同時也可以獲得更高的信號寫入能力。但 另一方面，又必須避免磁頭與盤面的摩擦，防止損壞磁頭或磁性層。目 前最高密度記錄中，磁頭與磁盤的間距在1 0 n m 左右。如果要進一步減 小該值，磁介質必須有近零的粗糙度，同時能超精確控制磁頭的飛行高 度。 c 寫磁頭的飽和磁化強度。磁頭的寫入能力直接決定了記錄介質的選取。 表1 23 中所列的極具潛力的高密度記錄材料的各項異性場均高出目前 最大軟磁材料的飽和磁化強度，意味著必須適當降低前者的矯頑力以獲 得寫入信號的可能性。這一舉措可能會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，每個記錄單元散發(fā)出來的信息 也在不斷減小，這對磁頭的讀出靈敏度提出了挑戰(zhàn)。幸運的是，聰明的 蘭j , i 、1 大學研究生學位論文 第1 章緒論 研究者們開發(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 ( 隧道結磁頭) 。這讓人們在追求超高密度磁 記錄的道路上看到一絲綠光。然而當信息單7 亡接近原子尺度時可能又 必須去探索更高性能的信息讀出器件。 e 伺服道寬。要實現超高記錄密度，磁道的寬度也在縮小，這就要求發(fā)展 更新的技術來穩(wěn)定控制磁頭在磁道上的飛行，盡量減小磁頭的側寫( s i d e w r i t i n g ) 或側讀( s i d er e a d i n g ) 效應。 由上可見，記錄密度的進步是所有相關技術迭代發(fā)展的過程。它涉及到 磁學、電子學及空氣動力學等諸多物理學科知識，需要不同領域的科學研究 者的共同努力。在磁性上的研究，最關鍵的就是制備出能滿足高密記錄的介 質。下面列出了高密記錄對記錄介質的要求： a 高矯頑力。這是獲得非常窄的過渡區(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決定，也就是說具有高磁晶各向異性的材料是必 需的。但是介質的矯頑力不能超過寫入磁頭的寫入能力。 b 高的剩余磁化強度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、最小的厚度間隙損耗所必需的。對于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。這是窄的過渡區(qū)和合適的重寫比所要求的。 d 非常光滑的表面、足夠的機械耐磨性。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 高密度磁記錄介質的設計和制造中是一個非常重要的要求。 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 材料及其物理參數【2 5 】。本論文選取素有“磁王”之稱的n d 2 f e i 。b 作為研 究對象，探討它們用于高密度磁記錄介質的可行性。從表中可以看出， n d 2 f e l 4 b 的磁晶各項異性能是現在使用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，意味著如果運用n d 2 f e l 4 b 作 為磁- 勝記錄層，記錄密度可能達到1 t b i n 2 ，且保持足夠的熱穩(wěn)定性。所以我 們認為這是一項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|材料。 各向異性場：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：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 信息存儲技術的未來發(fā)展 密度和速度是信息存儲技術的追求，如果拋開成本劇素，最終決定納米 制備和器件微型化的物理極限應該是原子的本質特征。表13 1 給出了可以替 代垂直磁記錄技術的更高級的超高密度記錄系統(tǒng)，這也是未來信息技術發(fā)展 的方向【2 6 。實際上，關于它們的基礎研究已經是進行時。人類社會的科技 發(fā)展史告訴我們，將來什么都是可能的。 表1 3 1 將來可能的高密度信息存儲技術 l技術名稱技術特征 熱輔助記錄允許使用高h c 材料，實現更高密度垂直式記錄 圖紋介質存儲低噪音、超高密度記錄 磁阻半導體存儲快速、抗輻射，且非易失性 m i l l i p e d e 能夠實現原予尺度記錄信息 全息存儲快速信息讀寫，低耗材 參考文獻 【1 】y m j u r a f u j l t s us c it e c h j 3