L10-FePt-A1-FePt雙層薄膜中交換彈簧的形成及其性質(zhì).pdf

1、L10相FePt(面心四方結(jié)構(gòu))合金具有高達(dá)Ku=～7×107 erg/cc的單軸磁晶各向異性能密度，并且飽和磁化強(qiáng)度大、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，做成均勻的小顆粒，可以用于制作磁記錄介質(zhì)，磁性隧道結(jié)或者自旋閥。但是矯頑力過大給磁化反轉(zhuǎn)帶來困難。將L10-FePt與軟磁材料結(jié)合，利用層間交換耦合作用，可以有效地降低L10-FePt的開關(guān)場(chǎng)。Fe、 Co、 Ni及其合金等軟磁材料，要么容易氧化，要么晶體結(jié)構(gòu)與L10-FePt不匹配，形成雙層膜時(shí)外延生

2、長質(zhì)量不佳，難以形成優(yōu)質(zhì)的交換彈簧。A1相FePt(面心立方結(jié)構(gòu))表現(xiàn)出很好的軟磁性，晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)又都與L10-FePt接近，在L10-FePt上容易形成具有異質(zhì)結(jié)特征的L10/A1交換彈簧。本文采用磁控濺射法，用MgO(110)基片，誘導(dǎo)FePt形成(110)織構(gòu)，并經(jīng)過熱處理使其轉(zhuǎn)變?yōu)長10相。[001]方向（易軸）和[110]方向（難軸）都平行于膜面，退磁因子接近于0，可以避免形狀各向異性的影響。進(jìn)而生長A1-FePt層，得

3、到L10-FePt/A1-FePt雙層薄膜，通過改變A1→L10的轉(zhuǎn)變程度和軟磁層的厚度，調(diào)控矯頑力。根據(jù)硬磁層的有效交換作用長度，對(duì)雙層薄膜的交換彈性進(jìn)行討論，得到的主要結(jié)果如下:
　　1.在加熱到400℃的MgO(110)基片上制備10nm厚的FePt薄膜，在Ta=[400℃-700℃]溫度范圍進(jìn)行6h的熱處理，對(duì)形貌、結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在400℃生長的FePt薄膜確實(shí)形成了(110)織構(gòu)，但是處于無序的A1相。T

4、a=500℃，薄膜中同時(shí)存在A1相和L10相，兩相之間有很強(qiáng)的交換耦合作用。基片的一條直角邊與L10-FePt的[001]方向（易軸）平行，而基片的另一條直角邊與L10相FePt的[110]方向（兩條難軸的對(duì)角線，在難磁化面內(nèi)）平行。磁化曲線顯示硬磁性特征。沿[001]方向磁化，矯頑力約12 kOe。當(dāng)Ta≥600℃，L10相的含量持續(xù)增加，但是薄膜與基片間嚴(yán)重的晶格失配會(huì)薄膜收縮，形成相互分離的島狀結(jié)構(gòu)，連續(xù)性遭到破壞。FePt(11

5、0)超晶格峰還會(huì)在Ta=700℃時(shí)消失，表明取向也開始發(fā)生變化。
　　2.在400℃生長10nm厚的FePt并進(jìn)行熱處理后，再在100℃生長一層20 nm厚的FePt，得到FePt(10 nm，Ta)/A1-FePt(20 nm)雙層薄膜。Ta=400℃（第一層未經(jīng)過熱處理），雙層薄膜表現(xiàn)為軟磁性。Ta=500℃，沿L10-FePt的[001]方向磁化，磁化曲線出現(xiàn)兩次跳躍，表明雙層膜之間存在交換彈性作用，但軟磁相內(nèi)可以單獨(dú)形成反

6、向磁疇，硬磁層的有效交換作用長度小于10 nm。反向磁疇形成后，疇壁被外磁場(chǎng)壓向硬磁/軟磁界面，外磁場(chǎng)達(dá)到-7 kOe后，疇壁突破界面，導(dǎo)致硬磁相發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)。Ta=600℃，磁化曲線的兩次跳躍現(xiàn)象消失，最大磁化強(qiáng)度低于飽和磁化強(qiáng)度，并且回線向最先施加的負(fù)向磁場(chǎng)方向偏移，表明硬磁相的反轉(zhuǎn)磁場(chǎng)增大，這應(yīng)該是硬磁相的顆粒開始分散，明顯減弱了顆粒之間的交換耦合作用所致。磁場(chǎng)首次達(dá)到負(fù)向最大值，也只有部分硬磁相的磁矩轉(zhuǎn)向負(fù)向。即使正向磁場(chǎng)達(dá)到最

7、大，這些硬磁相的磁矩也基本不再反轉(zhuǎn)。Ta=700℃，硬磁層的連續(xù)性被破壞得更徹底，沿L10-FePt的[001]方向磁化，回線向最先施加的正向磁場(chǎng)方向偏移。
　　3.將硬磁層厚度增加為30 nm，Ta限定為500℃和600℃，并在ts=0-40 nm范圍改變軟磁層的厚度，進(jìn)一步分析交換彈性作用，結(jié)果表明:
　　(1)Ta=500℃，硬磁單層(ts=0）沿L10-FePt[001]方向磁化的磁化曲線呈現(xiàn)很好的方形，矯頑力達(dá)到1

8、1 kOe。磁化曲線的形狀和矯頑力在t=20 nm時(shí)都沒有明顯改變，磁化曲線沒有出現(xiàn)兩次跳躍現(xiàn)象。與FePt(10 nm，Ta=500℃)/A1-FePt(20 nm)相比，只有硬磁層的厚度不同，但磁化曲線的差異顯著，說明兩者的硬磁層有效交換作用長度不一樣。在同一條件進(jìn)行熱處理，F(xiàn)ePt薄膜中A1相和L10相的比例不應(yīng)該有差別，但是膜厚增加會(huì)增大兩相區(qū)的尺寸，使得相鄰L10區(qū)對(duì)中間A1區(qū)的約束變?nèi)酰ㄒ彩且揽拷粨Q彈性作用），導(dǎo)致硬磁層的有

9、效磁晶各向異性變?nèi)?，與軟磁層作用的有效換作用長度變長，因此磁化曲線不再出現(xiàn)兩次跳躍。將ts增加到30nm，磁化曲線又出現(xiàn)兩次跳躍，由此可知硬磁層的有效交換作用長度大于10nm而小于15nm。
　　(2)Ta=600℃，硬磁單層內(nèi)雖然有更多的A1相轉(zhuǎn)變?yōu)長10相，但是矯頑力卻下降到不足7kOe，應(yīng)該是尺寸變大所致。磁化曲線在ts=20 nm時(shí)就出現(xiàn)兩次跳躍，說明有效交換作用長度又小于10nm，明顯是硬磁層的有效磁晶各向異性變強(qiáng)所致。