铋原子对FePt_Au纳米复合薄膜的有序化温度的影响.pdf

4 2 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 I 期 d o i 1 0 。3 9 6 9 ／j 。i s s n 。1 0 0 7 - 7 5 4 5 。2 0 1 3 。11 ．0 1 4 铋原子对F e P t ／A u 纳米复合薄膜的 有序化温度的影响 梅雪珍1 ，冯春2 ，李宝河3 1 ．北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 ；2 ．北京科技大学材料物理与化学系，北京1 0 0 0 8 3 ； 3 ．北京工商大学数理部，北京1 0 0 0 3 7 摘要采用在F e P t ／A u 多层膜结构中掺杂铋原子的方法，通过界面调控作用，对薄膜的微结构进行改 善，有效降低了复合薄膜的有序化温度，同时保持垂直磁各向异性。结果表明，在退火过程中，铋原子在 薄膜中的扩散作用可能会增加薄膜的缺陷浓度，促进薄膜的有序化进程，将其有序化温度从5 0 0 ℃降低 到4 5 0 ℃。 关键词F e P t ／A u 复合材料；表面活化剂；有序化温度 中图分类号T B 3 4文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 1 1 0 0 4 2 0 4 E f f e c to fD o p e dB i s m u t hA t o m so nO r d e r i n gT e m p e r a t u r eo f F e P t ／A uN a n o c o m p o s i t e s M E IX u e z h e n l ，F E N GC h u n 2 ，L IB a o h e 3 1 ．B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a ； 2 ．D e p a r t m e n to fM a t e r i a l sP h y s i c sa n dC h e m i s t r y ，U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yB e i j i n g ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 3 ．S c h o o lo fS c i e n c e s 。B e i j i n gT e c h n o l o g ya n dB u s i n e s sU n i v e r s i t y ，B e i j i n g1 0 0 0 4 8 ，C h i n a A b s t r a c t B i s m u t ha t o m sw e r ed o p e di n t oF e P t ／A uc o m p o s i t ef i l m st oi m p r o v ef i l mm i c r o s t r u c t u r ev i ai n t e r r a c er e g u l a t i o na n dr e d u c eo r d e r i n gt e m p e r a t u r eo fF e P t ／A uc o m p o s i t ef i l m sw h i l ep r e p e n d i c u l a rm a g n e t i ca n i s o t r o p yw a sp r e s e r v e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tB ia t o m i cd i f f u s i o n si nf i l mt e n dt oi n c r e a s ef i l md e f e c td e n s i t y ，w h i c hf a c i l i t a t e so r d e r i n go fc o m p o s i t ef i l m s ．T h eo r d e r i n gt e m p e r a t u r eo ff i l m si sr e d u c e d f r o m5 0 0 ℃t o4 5 0 ℃． K e yw o r d s F e P t ／A uc o m p o s i t e s ；s u r f a c t a n t ；o r d e r i n gt e m p e r a t u r e L 1 。一F e P t 合金薄膜具有非常高的磁晶各向异 性能 7 1 0 6J ／m 3 ，可以在其颗粒尺寸小到3n m 时仍然保持良好的热稳定性，成为未来超高密度磁 记录介质的首选材料之一[ 1 ] 。然而，为满足超高密 度磁记录的要求，L 1 。- F e P t 合金薄膜应用于磁记录 介质需解决以下问题[ 2 ‘4 j 1 为避免薄膜具有过大的 晶粒尺寸和较粗糙的界面，必须尽量降低由面心立 方f c c - F e P t 相向面心四方L 10 - F e P t 相转变的有序 化温度；2 为满足垂直磁记录的要求，必须实现 F e P t 薄膜的垂直磁各向异性；3 为提高介质材料的 信噪比，必须尽可能降低磁性颗粒之间的磁耦合作 用。 近年来，针对上述实用化中遇到的问题，科研人 员进行了很多研究。如采用多层膜结构或在薄膜中 掺杂少量表面能较低的原子改善薄膜的微结构，从 而降低F e P t 薄膜的有序化温度口。7 ] ，提高其磁性能； 收稿日期2 0 1 3 0 8 1 5 基金项目国家自然科学基金资助项目 1 1 1 7 4 0 2 0 ，5 1 2 7 1 2 1 1 ；北京市自然科学基金项目 2 1 3 2 0 2 1 作者简介梅雪珍 1 9 8 1 一 。女，江苏人，硕士，工程师。 万方数据 2 0 1 3 年第i l 期 有色金属 冶炼部分 h t t p [ ／y s y | ．b g r i m m ．c n 4 3 利用某些与F e P t 晶格匹配的底层或缓冲层可以引 导F e P t 的垂直膜面外延生长[ 8 - 9 ] ，使薄膜具有良好 的垂直磁各向异性。但是以上方法制备的薄膜仍然 具有较强的颗粒间磁耦合作用，这不利于降低介质 的信噪比。将F e P t 颗粒埋入一些稳定的非磁性母 体中形成颗粒膜[ 10 ‘1 2 3 可以有效减小F e P t 颗粒间的 磁耦合作用。但由于纳米颗粒膜的有序化过程较困 难，所以通常也会导致薄膜有序化温度的升高，同时 也难以控制薄膜的垂直磁各向异性。然而，F e n g 等L 1 3 3 研究表明，在M g O 0 0 1 单晶基片上，利用 F e P t ／A u 多层膜中金原子以及多层膜结构对薄膜 微结构的改善，可以制备出具有优良综合磁学性能 的L 1 。一F e P t 薄膜 包括高矫顽力、良好的垂直磁各 向异性、晶粒细小且无颗粒间磁耦合作用 。虽然多 层膜结构的界面能及金原子的扩散对薄膜的有序化 起到一定的促进作用，使薄膜的有序化温度从6 0 0 ℃降低到5 0 0 ℃，但仍然过高，不利于工业生产。所 以，从应用角度出发，在保证F e P t ／A u 多层膜优良 的磁性能、垂直磁各向异性及较低的磁耦合作用的 前提下，迸一步降低其有序化温度具有重要的意义。 本文通过材料综合设计，利用F e P t ／A u 多层膜 结构以及表面活化剂原子对薄膜微结构的综合作 用，在F e P t ／A u 多层膜中掺杂铋原子，通过铋原子 的扩散促进F e P t 原子的有序化运动，从而有效地降 低薄膜的有序化温度，同时保持垂直磁各向异性。 1 试验 本试验中涉及的薄膜均利用磁控溅射方法制 备，本底真空度优于5 1 0 - 5P a 。将M g O 0 0 1 单 晶基片加热到1 0 0 ℃后，在其表面制备样品结构为 [ F e 。。P t 。。 。一B i ，／A u ] ，。的薄膜，直流共溅射铁、铂 靶 纯度9 9 ．9 9 ％ 和铋靶 纯度9 9 ．5 ％ 沉积F e P t B i 层，射频溅射金靶 纯度9 9 ．9 9 ％ 沉积A u 层， F e P t B i 层和A u 层的厚度均为0 ．5n m 或1n m 。薄 膜中F e P t B i 的相对原子百分比含量采用I C P A E S 测定，铋的原子百分含量z 为9 ．1 ％～2 8 ．6 ％。溅 射时氩气压力恒定在0 ．4 5P a 。待薄膜溅射完毕 后，将其放入真空退火炉中于4 0 0 ～6 0 0 ℃退火1h 真空度3 1 0 一P a 。样品的磁滞回线利用梯度磁 强计 M i c r o M a 9 2 9 0 0 型 测量，最大磁场强度 14 3 2 ．5k A ／m ，外加磁场平行或垂直于膜面。最后 对样品进行X R D 分析。 2 结果与讨论 图1 a ～1 e 是[ - F e 5 2P t 4 8 1 一B i 1n m ／A u 1 n m ] 。。薄膜的磁滞回线，图1 f 为薄膜的垂直矫顽力 H c 上随铋含量z 的变化曲线，所有样品均在5 0 0 ℃ 退火1h 。 由图1 可知，随着铋含量的增加，平行膜面和垂 直膜面方向的磁滞均逐渐增大，薄膜的垂直磁各向 异性逐渐变差。此外，从图1 f 可知，薄膜的H 。J 随 z 的增加而显著增大。当z 达到2 8 ．6 ％时，薄膜的 H 。l 为9 4 7 ．5k A ／m ，比未掺杂铋的F e P t ／A u 多层 膜增大了4 倍。由此说明，在F e P t ／A u 多层膜中掺 杂表面活化剂铋有利于提高薄膜的矫顽力，但在一 定程度上也会破坏薄膜的垂直磁各向异性。 为了弄清铋原子对F e P t ／A u 多层膜磁性能影 响的原因，我们利用X R D 研究了上述薄膜的晶体 学结构，其X R D 谱如图2 所示。 从图2 可知，随着铋含量的增加，F e P t 0 0 1 衍 射峰逐渐增强，F e P t 0 0 2 和F e P t 2 0 0 峰逐渐分 开，说明F e P t 晶格的a 轴逐渐增大、c 轴逐渐缩短， 薄膜的有序化程度S 逐渐增高[ 5 ] ，即铋原子的掺杂 可以促进薄膜的有序化过程。另外，从图2 还可以 发现，未掺杂铋原子的F e P t ／A u 多层膜出现了 F e P t 0 0 2 和 2 0 0 的合峰；随着z 的增加，F e P t 2 0 0 峰的强度逐渐增强，即薄膜的 2 0 0 取向增强， 薄膜的垂直取向变差，这一结果与磁性测量的结果 一致。掺杂铋原子导致薄膜垂直磁各向异性变差的 原因是铋原子的晶格类型以及晶格常数均与F e P t 相差较大，在F e P t 中掺人过多的铋原子会破坏 M g O 、F e P t 以及A u 之间的晶格匹配外延生长，因 此导致薄膜的垂直磁各向异性变差。 根据谢乐公式可以计算出F e P t 平均晶粒尺寸 D 随铋含量z 的变化情况，z 一0 ％时，D 一4n m ；z 一1 6 ．7 ％时，D 一9 ．4n m ；z 一2 8 ．6 ％时，D 1 3 ．6 n m 。结果表明，随着铋含量的增加，F e P t 平均晶 粒尺寸也有一定程度的增大，说明铋原子的掺杂 会促进F e P t 晶粒长大，而F e P t 晶粒过分长大会导 致记录单元尺寸的增加和磁记录介质记录密度的 降低。所以，必须选择合适的铋原子掺杂量，才能 保证薄膜具有较小的晶粒尺寸，同时又有较好的 磁性能。 如前所述，掺入铋原子会导致薄膜的垂直磁各 向异性变差，对于F e P t 薄膜而言，薄膜越薄，形成垂 直磁各向异性所需要的能量就会越低，因此我们尝 试通过降低薄膜的厚度来获得更好的垂直磁各向异 性。图3 是4 5 0 ℃退火后，[ F e 。2 P t 4 8 8 B i l 6 ， 0 ．5 r i m ／A u O ．5r i m ] 。。薄膜的磁滞回线。 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 1 期 S f x l 【H X l 5 W l - 5 I H l H 一1 型} 剐 I 【W M S H - 5 0 [ 1 一l H H 一1 剐H 5 { H I H W 5 0 { 5 H 【H H 5 I X 一] a 上 f 一广一 l n { ．j ．√． 一XJ l { X X } 一．5 4 X ll l曩W ll X ll 曩X H ／ k A m 一。 c 厂’ 上 一 ／ 矿／厢 ／／ ．于 ’／ 5 X I 一1 X X l 一s IJ0嗣X H ／ k A m 1 f e l 上 一 7 ，一一 一 ／ ／ 一 ∥，／咱 t ／／ ．彳 ／ 一。7 甜X l I X X l 一嗣X l 1曩H H ／ k A m “ 5 0 H t 洲 u 三 1 墨一洲 一l X H 5 5 I H 【H H 墓 萎一5 M I l X H ， C 一 ‘￡ ≮ o 一1 ⅫX l b 上 f ’一／‘ ■ r L ／ ／l 一7 ／ ．_ ．， 一 j X 一l X X 一曩M 1f l 习X H ／ k A m 一1 ． d 夕荔，J ／∥ 乡1 ／ 5 I X 一I { X X l 一曩H l l ls { l 1 l X X I 曩 H ／ k A m ’1 铋原子百分数』／％ a 丁一0 ％； b 丁一9 ．1 ％； c T 13 ．0 ％； d 丁 16 ．7 ％； e T 一2 8 ．6 ％； f H c ～丁 图1 [ F e 。P t 。8 。一，B i ， 1n m ／A u 1a m ] 。。薄膜的磁滞回线 a ～e 及薄膜的H 。j ～工曲线 f F i g ．1H y s t e r e s i sl o o p so fa n n e a l e d [ F e 5 2 P t 4 8 I 一，B i ， 1n m ／A u 1a m ] 1 0f i l m s a ～e a n dv a r i a t i o no fH c 上～X f 2 I { 1出l角6 1 2 0 ／ 。 图2[ F e 5 2 P t 4 8 l 一，B i ， 1a m ／A u 1a m ] I 。 薄膜的X R D 谱 F i g ．2 X R Ds p e c t r ao f [ F e 5 2 P t 。8 I 一，B i ， 1a m ／A u 1a m ] l of i l m s o E U ● 3 E U 土 H X i M 5 H lO i X 一l 一 上 ㈡ ／ ／H 厂一￡ 一／ ／可， r j ／ 。／ 5 l X l 一l X X 一曩H 1 l剐X l f X lI 糸X I I l k A m 一1 图3 [ F 岛2 P t 8 3 ．3 B i l 67 0 ．5n m ／A u 0 ．5n n l ] 。。 薄膜的磁滞回线 F i g ．3H y s t e r e s i sl o o p so fa n n e a l e d E F e 5 2 P t 4 8 8 3 ．3 B i l 67 0 ．5n m ／A u 0 ．5n m ] l of i l m s 由图3 可知，H 。一和M s 上分别为3 6 0 ．5k A ／m 万方数据 2 0 1 3 年第1 1 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 4 5 和7 3 0e r n u ／c m 3 ，垂直方向曲线的矩形度为1 ，说明 薄膜具有良好的垂直磁各向异性和优良的磁性能。 与图1 d 相比，厚度0 ．5n m 的薄膜比厚度1n m 薄 膜的垂直磁各向异性明显提高，说明薄膜越薄，其垂 直磁各向异性明显改善。在此基础上，我们对 [ F e 5 2 P t 。8 8 3 ．3 B i l 67 0 ．5n m ／A u O ．5n m ] l 。薄膜 样品进行了有序化温度的研究。图4 是[ F e 。z P t 4 8 8 33B i l 67 0 ．5l l m ／A u 0 ．5n m ] 1 0 薄膜和 [ F e P t 0 ．5n m ／A u 0 ．5n m ] 1 。的H c 随退火温度 T 的变化曲线。 8 0 0 f i 6 0 0 墨 ≤4 0 0 2 0 0 0 图4 4 0 0 4 , 5 0S 0 0 5 5 0 6 0 0 “ ℃ [ F e 5 2 P t 柏 8 3 ．3 B i l 6 ．7 0 ．S n m } ／ A u O ．5 n m ] l D 和 E F e P t { O ．S n m ／A u O ．s m 3 。o 薄膜的H c 上～T 曲线 F i g ．4H c 上～Tc u r v e so f [ F e s z P t n 8 3 ．3 B i l 6 ， 0 ．5 n m ／A u { 0 ．5 n m ] l oa n d [ F e P t O ．S n m ／A u 0 ．5 n m ] l of i l m s 由图4 可知，F e P t ／A u 多层膜只有经过5 0 0 ℃ 退火后才有明显的硬磁性能，也就是说，纯F e P t ／ A u 多层膜在5 0 0 ℃开始有序化。而F e P t B i ／A u 多 层膜在4 5 0 ℃退火后就具有较高的矫顽力H 。上 3 6 0 ．5k A ／m ，即掺人铋原子后，可以将F e P t ／A u 多层膜的有序化温度从5 0 0 ℃降低到4 5 0 ℃。另外。 在相同的退火温度下，F e P t B i ／A u 多层膜的矫顽力 H 。I 均明显高于F e P t ／A u 多层膜。表明，掺入铋原 子可以有效降低F e P t ／A u 多层膜的有序化温度，提 高其H 。，这对提高F e P t 合金材料的实用化具有重 要的意义。 3结论 在F e P t ／A u 多层膜结构中掺杂少量铋原子，可 以促进薄膜有序化进程，将其有序化温度降低到 4 5 0 ℃；但在一定程度上也破坏了薄膜的垂直磁各 向异性，增大了F e P t 晶粒尺寸。 参考文献 E l lS u nSH ，M u r r a yCB ，W e l l e rD ，e ta 1 ．M o n o d i s p e r s e F e P tN a n o p a r t i c l e sa n dF e r r o m a g n e t i cF e P tN a n o c r y s t a l s u p e r l a t t i c e s [ J ] ．S c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 8 7 1 9 8 9 1 9 9 2 ． E z JW o o dR ．T h ef e a s i b i l i t yo fm a g n e t i cr e c o r d i n ga t1t e r a b i tp e rs q u a r ei n c h E J ] ．I E E ET r a n s a c t i o n so nM a g n e t i c s ，2 0 0 0 ，3 6 1 3 6 - 4 2 ， [ 3 ] S h i m a d aY ，S a k u r a iT ，M i y a z a k iT ，e ta 1 ．F a b r i c a t i o no f t w o - d i m e n s i o n a la s s e m b l yo fL 1 0 F e P tp a r t i c l e s [ J ] ． J o u r n a lo fM a g n e t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s ．2 0 0 3 ，2 6 2 2 3 2 9 - 3 3 8 ． E 4 3Y a n gT ，A h m a dE ，S u z u k iT ．F e P t A gn a n o c o m p o s i t e f i l mw i t hp e r p e n d i c u l a rm a g n e t i ca n i s o t r o p y [ J ] ．J o u r n a l o fA p p l i e dP h y s i c s ．2 0 0 2 ，9 1 1 0 6 8 6 0 6 8 6 2 ， I - 5 ] E n d oY ，K i k u c h iN ，K i t a k a m iO ，e ta 1 ．L o w e r i n go fo r d e r i n gt e m p e r a t u r ef o rf c tF e - P ti nF e - P tm u l t i l a y e r s [ J ] ． J o u r n a lo fA p p l i e dP h y s i c s ，2 0 0 1 ，8 9 1 1 7 0 6 5 7 0 6 7 ． E 6 3Y a nQY ，K i mTY ，P u r k a y a s t h aA ，e ta 1 ．E n h a n c e d c h e m i c a lo r d e r i n ga n dc o e r c i v i t yi nF e P ta l l o yn a n o p a r t i c l e sb ys b - d o p i n g [ J ] ．A d v a n c e dM a t e r i a l s ，2 0 0 5 ，1 7 1 8 2 2 3 3 2 2 3 7 ． E 7 3F e n gC ，L iBH ，H a nG ，e ta 1 ．L o w t e m p e r a t u r eo r d e r i n g a n de n h a n c e dc o e r c i v i t yo fL 1 0 F e P tt h i n f i l mp r o m o t e d b yaB iu n d e r l a y e r [ J ] ．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s ，2 0 0 6 ，8 8 2 3 ；2 3 2 1 0 9 - 1 - 2 3 2 1 0 9 3 ． [ 8 ] K a n gK ，Z h a n gZG ，P a p u s o iC ，e ta 1 ．C o m p o s i t e n a n o g r a n u l a rf i l m so fF e P t - M g Ow i t h 0 01 o r i e n t a t i o n o n t og l a s ss u b s t r a t e s [ J ] ．A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s ， 2 0 0 4 ，8 4 3 4 0 4 4 0 6 ． [ 9 ] X uYF ，C h e nJS ，W a n gJP ．I ns i t uo r d e r i n go fF e P t t h i nf i l m sw i t hf a e e - e e n t e r e d - t e t r a g o n a l 0 0 1 t e x t u r eo n C r l o o 一。R u 。u n d e r l a y e ra tl o ws u b s t r a t et e m p e r a t u r e [ J3 ． A p p l i e dP h y s i c sL e t t e r s ，2 0 0 2 ，8 0 1 8 3 3 2 5 3 3 2 7 ． rl O ] S u nSH ．R e c e n tA d v a n c e si nC h e m i e a lS y n t h e s i s 。S e l f - A s s e m b l y ，a n dA p p l i c a t i o n so fF e P tN a n o p a r t i c l e s [ J ] ． A d v a n c e dM a t e r i a l s ，2 0 0 6 ，1 8 4 3 9 3 4 0 3 ． [ 1 1 ] L iBH ，F e n gC ，Y a n gT ，e ta 1 ．A p p r o a c ht oe n h a n c eo f c o e r c i v i t yi np e r p e n d i c u l a rF e P t ／A gn a n o p a r t i c l ef i l m 口] ．J o u r n a lo fA p p l i e dP h y s i c s ，2 0 0 6 ，9 9 1 0 1 6 1 0 2 1 0 1 6 1 0 2 3 ． [ 1 2 3H u a n gY ，O k u m u r aH ，H a d j i p a n a y i sGC ，e la 1 ．P e r p e n d i e u l a r l yo r i e n t e dF e P tn a n o p a r t i c l e ss p u t t e r e do n h e a t e ds u b s t r a t e s [ J - ] ．J o u r n a lo fM a g n e t i s ma n dM a g n e t i cM a t e r i a l s ，2 0 0 2 ，2 4 2 2 4 5 3 1 7 3 2 0 ． [ 1 3 ] F e n gC ，L iBH ，L i uY ，e ta 1 ．I m p r o v e m e n to fm a g n e t i c p r o p e r t yo fL 1 0 F e P tf i l mb yF e P t ／A um u t i l a y e rs t r u c t u r e E J ] ．J o u r n a lo fA p p l i e dP h y s i c s ，2 0 0 8 ，1 0 3 2 0 2 3 9 1 6 一卜0 2 3 9 1 6 4 ． 万方数据