L10—FePt单层膜磁性参数Ku的微磁学模拟

张浩然

摘要：用微磁学模拟FePt（30 nm）磁晶各向异性Ku的变化分析矫顽力的变化，与曾实验得到生长温度为700℃用磁控溅射法在MgO（001）基片上生长FePt薄膜对比，得到磁晶各向异性参数Ku。

关键词：L10-FePt；矫顽力；磁晶各向异性参数Ku；微磁学模拟

FePt[1]，CoPt[2]和FePd[3]等有序相（面心四方，L10相）合金材料，在交换耦合纳米磁体中，具有高单轴磁晶各向异性（Ku），并且对于高密度数据存储有潜在的应用。这些合金有大的磁晶各向异性（Ku ～1.77×107-6.70×107 erg/cm3，1erg = 10-7 J），以致于呈現出特殊的性质：即超小纳米粒子的阻断温度（TB）高于室温[4]。在这几种材料中，L10-FePt和L10-FePd合金是化学有序的，并且显示出高的磁晶各向异性（Ku）和大的矫顽力（HC）。而L10-FePt合金的磁能积（BH）max达到了13 MGOe，成为高密度磁存储应用的良好候选材料[5]。

1 微磁学仿真方法

微磁学模拟（OOMMF）就基于Gilbert提出了LLG方程为理论依据进行模拟的。模拟样品的尺寸分别为300 nm×300 nm×（5，30）nm；300 nm×300 nm×（3 nm/27 nm，网格尺寸为5 nm×5 nm×1 nm。硬磁的磁晶各向异性轴和饱和磁化强度的方向都垂直膜面。L10-FePt模拟参数：磁化强度M：ML10-FePt约为105 A/m；交换耦合常数A：AA1-FePt，Aex约为10-11 J/m[6]；磁晶各向异性参数Ku：K L10-FePt=1～5×106 J/m3。

3 结果与讨论

图1是FePt（30 nm，Ku）经微磁学模拟不同Ku值的磁滞回线。L10-FePt的易轴为[001]方向，模拟只考虑[001]方向的磁化曲线。Ku = 1.0×106J/m3、1.5×106 J/m3和2.0×106 J/m3时，矫顽力分别为Hc =15.18 kOe、25.51 kOe和35. 84 kOe。磁晶各向异性能Ku的增加，矫顽力增大。实验得到FePt（001）（30 nm）薄膜在不同温度进行热处理后的磁滞回线[7]。热处理温度Ta = 500℃，磁化曲线近似呈方形，其主要原因是因为退磁场不一样造成的。沿面内方向磁化，退磁因子N ≈ 0。而沿垂直方向磁化，N ≈ 1，= -NM。沿面内方向磁化，磁化曲线也有面积，可能原因是薄膜内还存在软磁相造成的（两相晶格常数有差异，使得膜内存在畸变）。Ta = 600℃，沿面内方向磁化曲线的面积明显减少，这就说明残存的A1相可能已经不多了。虽然垂直方向磁化曲线的矩形度更好，但是矫顽力却降低了（只有不到1 kOe）。这主要是因为薄膜虽然在一些区域出现了孔洞，但整体是连通的。有序化转变使得颗粒相互吸收或者合并，形成大片单晶，使得畴壁可以在很大范围内比较自由地移动，所以尽管L10相更多，但矫顽力反而变小的原因。Ta=700℃[7]薄膜不连续和小片单晶的出现，从而造成矫顽力更小（0.47 kOe），与模拟结果相差较大。生长温度为700℃用磁控溅射法在MgO（001）基片上生长FePt薄膜。20nm厚的FePt薄膜，矫顽力Hc =30 kOe；当膜厚增加为45nm时，矫顽力Hc = 25 kOe。表明膜厚为30nm时，矫顽力Hc =25～30 kOe[8]。微磁学模拟结果显示，当Ku = 1.5×106 J/m3时，矫顽力大小在此范围内。说明FePt（30 nm）薄膜的磁晶各向异性能Ku大约为1.5×106 J/m3。但是，由于薄膜实际的饱和磁化强度比理想的较小，所以Ta = 700℃的FePt（30 nm）薄膜实际磁晶各向异性能较小。

4 结论

生长温度为700℃用磁控溅射法在MgO（001）基片上生长FePt薄膜。FePt（30 nm）薄膜的磁晶各向异性能Ku大约为1.5×106 J/m3。但是，由于薄膜实际的饱和磁化强度比理想的较小，所以Ta = 700℃的FePt（30 nm）薄膜实际磁晶各向异性能较小。

参考文献：

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