PDF《室温生长 ！＂# 底层诱导（$$%）取向 &'（） 薄膜的》

室温生长 !"# 底层诱导 ($$%) 取向 &'() 薄膜的 有序化过程对 &'() 成分的依赖! 张丽娇 蔡建旺 (中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室, 北京 !"""#") ($""% 年&月'日收到;

$""% 年'月!日收到修改稿) 室温下通过磁控溅射在表面热氧化的 () 基片上生长了 *+,-.

/! 01!""

2 ! 双层膜和 ./! 01!""

2 ! 单层膜系列样品, ./! 01!""

2 ! 的原子成分 !

3 &#―'#4研究了热处理前后不同成分 ./01 薄膜的晶体结构和磁性的变化, 尤其是 *+, 底层 的引入对 ./01 的晶体结构和磁性的影响4实验结果显示, 直接生长在基片上的 ./01 薄膜具有较强的 (!!!) 织构, 而 经过 *+, 底层诱导, 所有不同成分的制备态 ./01 薄膜都表现出一定的 (""!) 取向4 热处理后, 单层膜样品的强烈 (!!!) 织构基本不变, 当./ 和01 接近等原子比即 5$6&# 时, 薄膜最容易发生有序化;

对于生长在 *+, 底层的 ./01 薄膜, 所有样品的 (""!) 织构在退火后显著增强, 有序化对 ./01 成分的依赖完全不同于单层膜的情形4当./ 和01 原子 比为 576&! 时, 生长在 *+, 底层上的 ./01 薄膜最容易有序化, 表现出非常好的垂直易磁化特性, 通过 *+, 底层对 ./01 薄膜微结构进而对其有序化的影响, 对此进行了解释4 关键词:./01 (""!) 薄膜,8!" 相(*++:%55",#!&" !国家自然科学基金 (批准号: 5"$%!"#!) 资助的课题4 !9 引言近年来磁记录持续高速发展, 记录密度的不断 提升要求记录介质中的磁性颗粒越来越小, 以保证 其具有足够的信噪比4然而, 当磁性颗粒减小到一定 尺度, 室温的热扰动都可以使它的磁矩发生翻转, 数 据就会被破坏, 此即所谓磁记录介质的超顺磁极限4 实际上, 信息记录的稳定性 (如信息保留至少 !" :) 要求, 磁记录介质材料必须满足 ";

#- ( $< %) "'", 其中 ";

是磁晶各向异性常数, # 是磁性颗粒的体 积, $< 是玻尔兹曼常数, % 是环境温度4 由此可以看 出, 随着 # 的不断减小, 只有具有高 ";

的磁性材料 才能保证未来磁记录发展的需求 [!, $]

4 8!" 有序相 ./01 合金由于具有极高的磁晶各向异性能 ( ";

#% =->?@ ) 、 小的超顺磁极限颗粒尺寸 ( & # $9#―@9@ A?) 和优异的化学稳定性 [@, &] , 是下一代超高密度磁 记录介质的备选材料之一, 所以近年来对 8!" 相./01 薄膜的研究已成为磁记录的一个热点4 需要特 别指出的是, 在同样信噪比要求下, 垂直磁记录比传 统的纵向磁记录对于记录介质的厚度以及相应的磁 性颗粒的尺度要求较为宽松 [5, '] , 因而垂直磁记录即 将成为工业新主流4 对于 ./01 薄膜的研究, 实现其 磁化易轴 ( ' 轴) 垂直膜面, 即(""!) 取向是有序化 ./01 作为未来磁记录介质必须解决的三大难题之 一, 国际上有很多研究小组近年对于 ./01 薄膜的垂 直取向问题进行了探索4 总体而言, 至今大部分研究者采用加热 *+, 单 晶基片的方法外延生长有序化 ./01 (""!) 薄膜 [%―!$] , 通常加热温度在 @5" B以上, 有的甚至高达 #"" B, 这就对实验设备提出了很高的要求4 有研究小组发 现, 在加热至 !$"―$@" B的*+, 单晶基片上, 通过 交替外延生长 ./ 和01 单原子层的方式, 可获得 (""!) 取向的部分有序化 ./01 薄膜 [!@] ;

亦有研究小 组在温度为 !"" B的单晶 *+, (""!) 基片上生长出 (""!) 取向的 ./01-C+ 多层膜, 然后进行高温后退火 获得垂直取向的有序化 ./01-C+ 复合薄膜 [!&]

4 尽管 如此, 由于 *+, 单晶基片非常昂贵, 不可能应用于 大规模工业化生产, 所以通过底层诱导或者别的方 式制备有序化 ./01 (""!) 薄膜更有发展前途4 较为突 出的工作是美国 (/DD?E/F 小组报道的快速退火方式 第5' 卷第!$ 期$""% 年!$ 月!"""G@$7"-$""%-5' (!$) -%$''G"# 物理学报CHIC 0JK(LHC (LMLHC NOD45', MO4!$, P/>/?Q/F, $""% ! $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ $""% HR)A40RES4 (O>4 将非外延的 !"#$% 多层膜直接转变为 (&&') 取向的有 序化薄膜 ['(] ;

此外, 文献 [')―'*] 采用在室温下溅 射+,- 底层的方法制备 !"$% (&&') 薄膜, 然后进行 高温退火得到 (&&') 取向的有序化 !"$% 薄膜. 总结 所有有关有序化 !"$% (&&') 薄膜的工作不难发现, 绝 大多数研究都集中于 !"$% 薄膜的成分在等原子比 附近.这是因为只有等原子比的 !"$% 合金才能实现 有序度 ! / ' 的理想状态, 似乎等原子比更有利于 薄膜的有序化.然而, 受生长条件及各种外界条件的 影响, (&&') 取向 !"$% 薄膜的最大有序化可能与等 原子成分相去甚远. 实际上, 0"12 等['3, 4&] 在加热至 5&& 6的+,- 单晶基片上系统研究过 !"$% 成分的变 化对于 !"$% (&&') 和!"$% (''&) 薄膜有序化、 磁性和 结构的影响, 他们发现用此方法制备的 (&&') 取向的 !"$% 薄膜容易实现有序相的成分完全不在 !", $% 的 等原子比附近, 而是在富 $% 的成分范围, 有序度最 高薄膜的 $% 原子含量为 )47 .对于室温生长的依靠 +,- 底层诱导 (&&') 取向的 !"$% 薄膜, 究竟在什么 成分下最容易实现有序化, 作者尚未见报道. 无论 如何, 文献 ['*,'3] 的结果在这里未必有效, 因为 两者是完全不同的物理过程. 本文研究了室温下溅 射+,- 底层的方法来制备不同成分!"$% (&&') 薄膜在经历 一定退火之后的结构和磁性, 并将它们与对应 成分的单层!"$% 薄膜进行了对比. 我们发现通过后加热处理室温下生长于 +,- 底 层的 !"$% 薄膜, 其最好的垂直磁性及与之对应的 有序化发 生在!" 原子含量为(37 的富!" 薄 膜中, 与单层 膜及基片加热外延膜的情形完全不一样. 4.实验样品的具体结构为 +,- ('& 89) (* 89) #;

, (5 89) 和 ((& 89) , 其中 " / E:* W O,.EFH54@ D,E:* W O,VE:* V,E5>@ I,)E/5HME2E 8,G4:4 V C""L

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