稀有金属 2012,36(03),419-422
利用Bi原子的调控作用制备快速有序的L10 -FePt薄膜
冯春 于广华 李宁 龚奎 李宝河
北京科技大学材料物理与化学系
北京工商大学理学院物理系
摘 要:
利用磁控溅射的方法,在玻璃基片上制备了以不同厚度Bi作底层的FePt薄膜,然后经不同温度真空热处理,得到L10有序结构的FePt薄膜;同时,系统地研究了退火时间以及Bi底层的厚度对FePt薄膜的磁性能和微结构的影响。实验结果表明:利用Bi作底层,通过Bi原子在薄膜中的扩散作用可以有效地调控FePt薄膜的有序化程度,从而对薄膜的矫顽力进行控制;更重要的是,利用上述Bi原子对FePt原子有序化的调控作用,可以实现FePt原子的快速有序化,制备出能够快速有序的L10-FePt薄膜。
关键词:
磁记录薄膜材料 ;原子快速有序 ;表面活化剂 ;性能调控 ;
中图分类号: TB383.2
作者简介: 冯春(1981-),男,安徽铜陵人,博士,讲师;研究方向:磁性薄膜材料及器件(E-mail:fengchun@ustb.edu.cn);
收稿日期: 2011-11-07
基金: 国家自然科学基金项目(50901007,11174020); 北京市自然科学基金(2102014); 清华大学先进成形制造教育部重点基金资助项目(2010001); 博士后特别资助基金项目(201003049)资助; 中央高校基本科研业务费专项基金资助(FRF-TP-12-033A);
Construction of L10 -FePt Films with Fast Ordering Process Based on Manipulation of Bi Atoms
Abstract:
A series of Bi/FePt films with different Bi thickness were prepared by magnetron sputtering.The L10-FePt films were obtained after the as-deposited samples were subjected to vacuum annealing at various time.Effects of the Bi thickness and the annealing time on magnetic properties and crystal microstructure of FePt films were systematically studied.Experimental results showed that the ordering degree of the FePt film could be manipulated by adjusting diffusion of Bi atoms.FePt films with fast atomic ordering were constructed by using the manipulation of Bi atoms.
Keyword:
magnetic recording film;fast atomic ordering;surfactant;property manipulation;
Received: 2011-11-07
近十年来, 磁记录的面记录密度大幅度提高。 面密度的不断提高伴随着每个记录位尺寸的不断减小。 此时由于热稳定性的需要, 磁记录材料必须具有较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
[1 ]
。 L10 - FePt有序合金具有高达7×106 J·m-3 的单轴磁晶各向异性能密度
[2 ]
, 成为下一代磁记录介质的首选材料。 然而, 直接溅射得到的FePt薄膜必须通过基片加热或较高温度(高于500 ℃)的后退火才能形成L10 - FePt相
[3 ]
。 但过高温度退火会形成较大的FePt晶粒和较粗糙的表面, 不利于实现超高密度磁记录。 针对这个问题, 国际上有两种比较有效的解决方法。 一种是降低L10 - FePt薄膜的有序化温度; 另一种是利用快速热退火方法(RTA)。 目前国际上降低FePt薄膜有序化温度的方法主要有利用多层膜结构
[4 ,5 ]
、 掺杂第三种元素
[6 ,7 ]
和利用不同的底层
[8 ,9 ,10 ]
等等。 但是, 由于这些方法通常会引入其他杂质原子, 可能会影响FePt薄膜的其他性能。 而对于快速热退火方法, 目前国际上大多数是利用激光照射
[11 ]
或离子辐照
[12 ]
等方法, 在很短的时间内使薄膜的温度升高至FePt有序化温度之上, 从而实现FePt薄膜的快速有序化。 但是, 这些方法均需要昂贵的设备, 而且薄膜性能的均匀性难以控制。 所以, 如何通过控制微结构, 直接制备出能够实现原子快速有序的FePt薄膜具有十分重要的意义。
过去的工作表明
[13 ]
, 表面活化剂Bi元素的表面能较低(382 mJ·m-2 ), 将Bi插入磁性薄膜中能够改善薄膜结构, 导致磁性提高。 因此, 在制备FePt薄膜时, 尝试以Bi做底层, 期望在退火时Bi能够优化L10 - FePt合金结构, 并改善其磁性。 本文主要研究了利用Bi做底层, 通过Bi原子在薄膜中的扩散作用有效地调控FePt薄膜的有序化程度, 从而对薄膜的矫顽力进行控制, 最终实现FePt原子的快速有序化, 制备出能够快速有序的L10 - FePt薄膜。
1 实 验
所有薄膜均在DV- 502型磁控溅射仪中制备, 本底真空度为5×10-5 Pa。 利用高纯Bi靶(99.99%)射频溅射制备Bi底层, 然后用高纯的Fe靶(99.99%)、 Pt靶(99.99%)直流共溅射制备FePt层, FePt层厚度为20 nm, Bi层厚度为0~30 nm, Bi和FePt的沉积速率分别为0.01和0.14 nm·s-1 。 所有薄膜都沉积在清洗干净的玻璃基片上, 溅射时基片以18 r·min-1 的速率旋转, 基片未加热, 溅射时工作气(Ar气)压恒定在0.45 Pa。 直接溅射的薄膜在真空度为3×10-5 Pa的真空退火炉中进行退火处理, 退火温度为500 ℃, 退火时间为50~600 s。
样品成分由等离子体感应原子发射光谱(ICP- AES)测定, 经测定薄膜中Fe, Pt原子比均为0.97∶1。 利用MicroMag2900型梯度磁强计(AGM)测量样品的磁性, 外加磁场方向平行于膜面, 最大磁场强度为1440 kA·m-1 。 采用X射线衍射(XRD)分析样品的晶体结构。
2 结果与讨论
图1是Bi(20 nm)/FePt(20 nm)薄膜和FePt(20 nm)的矫顽力(H C )随退火时间(t )的变化情况。 从图中可以很明显的看出:无论有无Bi做底层, FePt薄膜的H C 均随着t 的增加而迅速升高。对于无Bi做底层的FePt薄膜, 当t 达到600 s时, 薄膜的H C 仍然处于增大趋势, 没有达到最大值。 而对于Bi/ FePt薄膜而言, 50 s退火后薄膜的H C 就迅速提高到225 kA·m-1 , 接近纯FePt薄膜退火300 s后的H C 值; 而当t 达到300 s时, Bi/FePt薄膜的H C 趋近饱和。 这充分说明了, 利用Bi做底层可以大大缩短FePt薄膜达到相同H C 所需的退火时间; 换句话说, 利用Bi做底层, 可以在很短的退火时间内实现FePt原子的快速有序。
图1 Bi (20 nm)/FePt(20 nm)薄膜和FePt(20 nm)的矫顽力(HC)随退火时间(t)的变化
Fig.1 Variation of the coercivity (H C ) of Bi (20 nm)/FePt(20 nm) and FePt(20 nm) films with the annealing time (t )
为了研究薄膜的晶体学结构的变化, 对上述样品进行了X射线衍射的研究, 图2是部分样品的XRD图。 可以看到:无Bi做底层的FePt薄膜经过600 s退火后, 仅出现很弱的FePt (001)超晶格衍射峰, 同时FePt(200)和(002)峰合并为一个(200)衍射峰, 说明此时薄膜的有序化较差。 而Bi/FePt薄膜在100 s退火后就已经出现较强的FePt (001)超晶格衍射峰, 同时FePt(200)和(002)峰明显分开, 这正是薄膜由面心立方结构转变为面心四方结构的重要证据。 可以引用有序度参数S 来定量描述薄膜中的有序化程度, 其定义为
[14 ]
:
图2 Bi(20 nm)/FePt(20 nm)薄膜和FePt(20 nm)的XRD图
Fig.2 XRD patterns of Bi (20 nm)/FePt(20 nm) and FePt(20 nm) films (The curves being offset vertically for clarity)
S 2 = 1 - ( c / a ) 1 - ( c / a ) s f ? ? ? ( 1 ) ( c / a ) s f
S 2 = 1 ? ( c / a ) 1 ? ( c / a ) s f ? ? ? ( 1 ) ( c / a ) s f
为完全有序的fct结构的晶格参数之比, 为0.961, (c /a )可由XRD图中的超晶格衍射峰和基本衍射峰确定, 图3是根据薄膜的XRD数据, 计算得到的薄膜有序度(S )随t 的变化曲线。 对于两种薄膜, 有序度均随着退火时间的增加而逐渐增大。 Bi/FePt薄膜在很短的退火时间(50 s)时, S 就能够达到0.3, 说明FePt晶格已经发生了有序化转变; 但此时的纯FePt薄膜的S 非常低, 还没有发生明显的有序化转变。 随着温度的升高, Bi/FePt薄膜的S 值均明显高于同温度退火后的纯FePt薄膜, 说明以Bi为底层可以促进FePt薄膜的有序化, 导致S 升高。 由于FePt薄膜的H C 的大小主要受其有序化程度的影响
[14 ]
, 所以导致了以Bi做底层的FePt薄膜的矫顽力均比同等退火条件下的FePt薄膜的矫顽力大。 以上现象也说明: 利用Bi做底层, 可以直接制备出能够实现快速有序的FePt薄膜, 这是有利于FePt薄膜的工业化生产的。
图3 Bi (20 nm)/FePt(20 nm)薄膜和FePt(20 nm)的有序度(S)随退火时间(t)的变化
Fig.3 Dependence of ordering degree (S ) of Bi (20 nm)/FePt(20 nm) and FePt(20 nm) films on annealing time (t )
通过之前的详细微结构研究表明
[15 ]
:与FePt原子相比, Bi原子具有较大的原子半径和较小的表面能, 所以Bi原子在FePt晶格中的溶解度较小, 并且很容易在退火过程中扩散到FePt薄膜的表面。 Bi原子的扩散会给FePt薄膜带来大量的缺陷, 从而带动Fe, Pt原子的重新有序化排列, 使得以Bi为底层的FePt薄膜比纯FePt薄膜更有利于实现由fcc结构向L10 结构的转变, 即有序度比纯FePt薄膜高, 提高FePt薄膜的H C 。 换句话说, 利用Bi原子在FePt薄膜中的调控作用, 可以有效地控制薄膜的有序化程度, 从而实现对薄膜矫顽力的控制。 而且, 由于Bi原子在较低的温度下就能够很快地扩散到样品的表面
[16 ]
, 其扩散过程伴随着促进FePt薄膜有序的过程, 因此有利于实现FePt薄膜的快速有序化, 即直接制备出能够实现快速有序的FePt薄膜。 由于Bi原子具有较低的饱和蒸汽压
[17 ]
, 所以扩散到样品表面的Bi原子会逐渐升华离开薄膜, 因此, 600 s退火后的Bi/FePt薄膜中的Bi原子会比退火100 s后的薄膜中的Bi原子减少, XRD谱线中的对应的Bi衍射峰强度也会随之降低。
除此之外, 还研究了Bi底层的厚度对FePt磁性能的影响。 图4是Bi(d nm)/FePt(20 nm)薄膜的矫顽力(H C )随Bi底层厚度(d )的变化情况, 退火时间300 s。 从图中可知:在没有Bi做底层时, 纯FePt薄膜的H C 只有760 kA·m-1 ; 当Bi底层的厚度逐渐增加时, 薄膜的矫顽力值也随之增加; 当Bi底层厚度达到20 nm时, 薄膜的矫顽力基本达到饱和(约1200 kA·m-1 )。 这是因为, 底层中的Bi原子在退火过程中扩散到样品表面, 这个过程会促进FePt层的原子有序化排列。 Bi底层较薄时, Bi原子较少, 其扩散对FePt薄膜的有序化的促进作用也就越小; 随着Bi底层厚度的增加, Bi原子的扩散也就逐渐增多, 其扩散对FePt薄膜的有序化的促进作用也就增大, 导致薄膜的矫顽力随底层厚度增加而增加。 以上结果说明:利用Bi原子的调控作用, 可以有效地控制薄膜的矫顽力, 制备出能够快速有序的FePt薄膜。
图4 Bi (d nm)/FePt(20 nm)薄膜的矫顽力(HC)随Bi底层的厚度(d)的变化
Fig.4 Variation of coercivity (H C ) of Bi (d nm)/FePt(20 nm) films with thickness of Bi underlayer (d )
3 结 论
采用磁控溅射方法制备磁性薄膜, 并系统地研究了以Bi做底层对FePt薄膜的有序化、 矫顽力以及晶体学结构的影响, 研究发现:通过Bi原子在薄膜中的扩散作用可以有效地调控FePt薄膜的有序化程度, 从而对薄膜的矫顽力进行控制, 最终制备出能够实现FePt原子快速有序的L10 - FePt薄膜, 这有利于FePt磁记录介质的应用。
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