FePtAg-C纳米颗粒薄膜的制备及表征

欧阳莹雪，章黎，何慧，蒋俊程，刘成英

（台州学院物理与电子工程学院，浙江台州 318000）

FePtAg-C纳米颗粒薄膜的制备及表征

欧阳莹雪，章黎，何慧，蒋俊程，刘成英

（台州学院物理与电子工程学院，浙江台州 318000）

采用磁控溅射法在硅基片上生长FePt纳米颗粒薄膜。在硅片表面生长MgO籽层用来引发FePt合金薄膜的fct织构，加入C来减小其颗粒尺寸，加入Ag来增强其L10有序度。采用X射线衍射仪（XRD）、超导量子干涉仪（SQUID）和高分辨率透射电镜（TEM）对FePt薄膜进行表征。结果表明制备的薄膜样品具有优良的L10相结构，其M-H曲线表明方形度很好，垂直矫顽力HC有2 467 kA/m，颗粒大小为10.4 nm。该薄膜非常适合用做下一代高密度磁存储媒质，可有效提高信息存储密度。

FePt颗粒薄膜；磁控溅射法

0 引言

在当代信息社会，电脑已经在各个领域中广泛使用。众所周知，电脑的存储部件-硬盘主要采取磁性材料作为其存储媒质[1-2]。自从上世纪50年代美国IBM公司推出第一个电脑硬盘RAMA以来，在过去的60多年里，硬盘磁存储技术得到迅猛发展；随着巨磁阻（Giant Magneto-Resistance，GMR）技术在磁头上的应用[3]，硬盘数据存储密度大幅度提高，而且存储模式从传统的平行存储更新为垂直存储[4]。存储模式的更新换代迫使磁存储媒质也要紧跟着进步、提升其性能。现行硬盘磁存储媒质材料为CoCrPt合金，其存储密度为100～500 Gbits/in2[5]。但是，随着硬盘存储密度的进一步提高（近期目标是1 000 Gbits/in2），单个记录单元的尺寸进一步减小，Co系合金将逼近其超顺磁极限[1]、失去磁性，而无法作为存储媒质。所以，相关研发工程师必须开发新型高矫顽力的磁存储材料。

在众多新型磁性材料中，L10相的FePt合金因其在室温下具有极高的磁晶各向异性能Ku（最高可达7.0×106J/m3）和矫顽力HC（最高到7.96×104kA/m），并且在晶粒尺寸小到3 nm的时候仍能保持优良的磁性和热稳定性[6-8]，由此成为超高密度磁存储介质的最佳候选者。但是，在目前阶段，FePt薄膜尚无法取代成熟的CoCrPt作为硬盘磁存储媒质，因为符合高密度磁存储要求的FePt薄膜的生长工艺条件比CoCrPt苛刻太多，成本更高，在将FePt薄膜作为磁存储媒质应用于电脑硬盘领域、实现产业化之前，还必须进一步降低其颗粒大小（到4 nm级别）、降低薄膜的生长温度。研究表明，掺入Ag有助于降低FePt的L10有序转变温度，掺入C将有助于分隔FePt材料、减小其颗粒尺寸[9-11]。但是，工作尚存在一些不足之处，比如FePt薄膜的磁学性能不佳等，需要进一步改进。

将采用磁控溅射方法制备FePtAg-C纳米颗粒薄膜，利用MgO籽层来引发FePt薄膜中的fct织构，在FePt生长过程中同时掺入Ag和C来降低L10有序转变温度和颗粒尺寸。通过XRD、SQUID和TEM的表征，来探讨掺Ag和C对FePt薄膜的磁性和颗粒形貌的影响。结果表明，MgO籽层和掺Ag能够有效提升FePt纳米颗粒薄膜的磁学性能，掺C可降低FePt纳米颗粒薄膜的颗粒大小。

1 实验材料与方法

1.1 薄膜制备

在实验中，将一片表面有热氧化硅层的多晶硅片用丙酮溶液超声清洗干净，置入一多靶磁控溅射仪的腔体中，真空度为2×10-6Pa。利用磁控溅射法在硅片上先后沉积MgO籽层和FePtAg-C膜层。第一步，先生长MgO籽层：把硅片加热到100℃、稳定1 h，然后在MgO靶上加200 W的交流电源，通入0.15 Pa的氩气流，薄膜的生长速率为2 nm/min，溅射时间大约5 min，得到厚度为10 nm的MgO籽层。第二步，生长FePtAg-C膜层：把生长有MgO籽层的硅基片加温到500℃，利用单质Fe、Pt、Ag和C靶把Fe、Pt、Ag和C四种材料同时溅射到硅基片上，氩气流也是0.15 Pa，调控不同的功率，使得Fe、Pt和Ag的配比为45∶45∶10（原子比），这样Fe和Pt的比例为1∶1，而Ag对FePt合金的掺杂浓度为10%，C的体积比为40%，整个FePtAg-C膜层的生长速率是1 nm/min，溅射时间约为380 s，这样获得的膜厚为6.4 nm。图1显示了该样品的膜层结构。薄膜溅射完毕，让样品在真空腔中冷却到80℃以下，然后再取出来，开展下一步表征工作。

图1 FePtAg-C/MgO/Si的膜层结构图（单位：nm）

1.2 薄膜表征

利用X射线衍射仪（XRD，Bruker AXS D8 Ad-vance，Cu Kα射线）表征FePt纳米颗粒薄膜的相结构，利用超导量子干涉仪（SQUID MPMS XL，Quan-tum Design）来测量薄膜的磁滞（M-H）曲线，利用高分辨率的透射电子显微镜（TEM，Technai 30）来表征样品的微观形貌。

2 结果与讨论

图2为FePtAg-C纳米颗粒薄膜的XRD谱图。FePt和MgO峰已分别在图中标志出。由图中可以看出，MgO（200）峰（2θ=43.1°）来自MgO籽层，其主要功能是引发L10相的FePt织构；标志fct结构的FePt（001）峰（23.5°）和FePt（002）峰（49.1°）非常尖锐，标志fcc结构的FePt（200）峰（47.3°）比较弱，几乎被（002）峰掩盖住，而标志晶格各项同性的FePt （111）峰（41.6°位置）几乎没有出现。FePt薄膜的L10相有序度可通过FePt（001）和（002）峰的强度比值来体现[6]，经计算得出该薄膜有序度S=0.92，比较接近于“1”。以上性能显示出该FePtAg-C纳米颗粒薄膜具有很强的L10相和优质各向异性。

FePt纳米颗粒薄膜的优良磁学性能还可以通过其磁滞M-H曲线来体现。实验中所用SQUID的最大磁场范围为±4.38×103kA/m，测量精度高达10-9emu。图3显示了FePtAg-C纳米颗粒薄膜的垂直和平行磁滞曲线图。从图中可以看出，垂直M-H曲线的方形度很好（剩余磁化强度Mr几乎与饱和磁化强度MS相等，均为560 kA/m），垂直矫顽力HC= 2 467 kA/m，要高于现行的电脑硬盘磁存储媒质CoCrPt合金薄膜（398 kA/m）[5]。此外，薄膜的平行M-H曲线表明其M和H大致遵守线性关系，平行矫顽力HC=637 kA/m，这样的性质将增强其磁存储性能[1]。从M-H曲线中还可以计算出该磁性薄膜的各向异性能Ku=4.1×106J/m3，远大于现行CoCrPt合金薄膜（6.0×105J/m3），并且比较接近FePt合金薄膜的理论值（7.0×106J/m3）[5，10]。这些参数表明该薄膜的磁学性能优良，有助于将来应用作硬盘存储媒质。

图2 FePtAg-C纳米颗粒薄膜的XRD谱图

图3 FePtAg-C薄膜的磁滞曲线图

为了研究该样品的微观形貌，采用了高分辨率TEM透射电镜来观察FePtAg-C纳米颗粒薄膜（最小分辨尺度可达1～2 nm）。图4为FePtAg-C薄膜的透射电镜图。图中显示，掺入C材料后，与不掺C情形比较，FePt薄膜很好的被分割成小颗粒[11]。进一步测量这些颗粒的尺寸，然后做平均分布图如图5所示。由图可以得出，该FePtAg-C纳米颗粒薄膜的平均尺寸为10.4 nm±2.4 nm，显示出很好的均匀性。

图4 FePtAg-C纳米颗粒薄膜的TEM电镜图（显示其微观结构，颗粒平均尺寸为10.4 nm）

图5 FePtAg-C纳米颗粒薄膜的颗粒尺寸分布图

通过以上研究表明，溅射在以热氧化硅为衬底的MgO籽层上的Fe0.45Pt0.45Ag0.1-40%C纳米颗粒薄膜的平均颗粒尺寸为10.4 nm。垂直各向异性是由于FePtAg-C纳米颗粒薄膜较强的（001）织构在溅射沉积在热氧化硅衬底上MgO籽层的外延生长。该薄膜具有637 kA/m的平行矫顽力。基于垂直磁记录技术的产业应用要求，该薄膜的平行矫顽力应进一步降低。在合金中掺入Ag的目的是为了在衬底温度在达到500℃时能得到很强的L10相，并且远远低于铝硅酸盐玻璃的软化温度（963℃）。由于FePtAg-C薄膜的单畴尺寸矫顽力HC可高达2 467 kA/m，这是在高开关场内目前可用电极材料的写头在室温下不可使用的主要原因。因为这个条件的制约，目前的存储媒质的基本要求是：矫顽力HC在398～796 kA/m，饱和磁化场强度MS必须小于1 592 kA/m。由于矫顽力可以通过减少L10相的有序度或者降低颗粒间的磁交换耦合作用而得到降低，该制备高垂直各向异性的FePt纳米颗粒薄膜的工艺应适用于有适当的软磁衬底（Soft-underlayer，简称SUL）的垂直磁记录媒质的加工。另一方面，该纳米颗粒薄膜的高矫顽力HC将不会成为提出热辅助磁存储媒质的障碍。自从该颗粒薄膜被证明是生长在以非晶氧化层的硅基片为衬底的MgO籽层上，可能是用来激发生长非晶软磁衬底。来自印度理工大学的Perumal等[12]提出的无序软磁衬底FeTaC是由纳米软磁FeTaC通过退火结晶得到。随着掺杂这些耐热软磁衬底，目前的纳米颗粒薄膜具有成为高品质垂直磁存储媒质的潜力。

3 结论

利用磁控溅射法在热氧化硅基片上成功制成了FePtAg-C颗粒薄膜（其中有MgO籽层），并利用XRD、SQUID和TEM分别表征其织构、磁性和微观形貌。结果表明，掺C后的FePt薄膜颗粒大小明显降低，并达到10.4 nm±2.4 nm。一层10 nm厚的MgO籽层有助于帮助FePt薄膜形成L10相织构，掺Ag后的FePt薄膜的磁学性能得以改善（垂直矫顽力HC高达2 467 kA/m，磁滞曲线的方形度很好；各向异性能高达4.1×106J/m3）。这些性能远远优于现行的硬盘磁存储媒质CoCrPt合金薄膜。由此证明，FePt是一种优异的磁存储材料，在下一代电脑硬盘产品中将有很好的前景用途。

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FABRICATION AND CHARACTERIZATION OF FePtAg-C NANOGRANULAR THIN FILMS

OUYANG Ying-xue，ZHANG Li，HE Hui，JIANG Jun-cheng，LIU Cheng-ying
（College of Physics and Electronic Engineering，Taizhou University，TaizhouZhejiang318000，China）

We fabricated FePtAg-C granular thin film on a bare silicon substrate by magnetron sputtering method.A MgO interlayer was grown on the substrate to induce the L10order in the FePt alloy film.The addition of carbon can reduce the grain size of FePt，and the addition of Ag can help enhance the L10order in the FePt film in a relatively low temperature.Then we applied XRD，SQUID and high-resolution TEM to measure its texture，magnetic properties，and microstructures，respectively.Results show that the FePt film has excellent L10order，and the squareness of M-H loop is close to 1，with a high perpendicular coercivity of 2 467 kA/m.The microstructure shows that it has small grain size of 10.4 nm with uniform distribution.This magnetic FePt film is a promising candidate for perpendicular magnetic recording media with high density.

FePt granular film；magnetron sputtering method

O482.54文献识别码：A

1006-7086（2014）06-0360-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2014.06.013

2014-07-15

台州学院新晋教师科研启动基金

欧阳莹雪（1993-），女，浙江人，本科，从事薄膜技术与物理研究。

E-mail：zhangli_cmu2005@aliyun.com