【摘要】：隨著信息存儲(chǔ)的爆炸式增長(zhǎng),磁記錄逐漸向高密度/超高密度記錄方向發(fā)展。為了提高磁記錄存儲(chǔ)密度可以從兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和提高:一方面是,巨磁電阻(GMR)讀出磁頭,即巨磁電阻薄膜應(yīng)滿足在室溫下具有較大的磁電阻、磁場(chǎng)靈敏度高、飽和磁場(chǎng)低和熱穩(wěn)定性高等條件;另一方面是記錄介質(zhì),即具有高磁晶各向異性的硬磁薄膜,如L10-FePt薄膜應(yīng)滿足晶粒尺寸小、具有{001}擇尤取向和較低的有序化轉(zhuǎn)變溫度等條件。由于薄膜制備方法的多樣性以及不同的制備工藝參數(shù)、緩沖層材料等均對(duì)薄膜生長(zhǎng)模式、微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變機(jī)理的影響較大。薄膜中粗糙度、層間結(jié)構(gòu)的改變均會(huì)引起GMR薄膜層間耦合現(xiàn)象和自旋相關(guān)散射的變化,而織構(gòu)的演變會(huì)造成薄膜材料中各類性能的各向異性,進(jìn)而影響GMR效應(yīng)。在L10-FePt薄膜中,降低薄膜的有序化溫度、提高{001}擇尤織構(gòu)的占有率并有效的控制晶粒尺寸也是一直以來(lái)的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。此外,為了研究多層膜生長(zhǎng)機(jī)制,對(duì)單層膜的生長(zhǎng)機(jī)制研究是必要的。因此,本文對(duì)緩沖層、濺射沉積功率、薄膜厚度和退火溫度等變化對(duì)Cu薄膜、Cu/Co多層膜及FePt薄膜微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變的影響進(jìn)行了研究,獲得的主要結(jié)論包括以下幾個(gè)方面:首先,研究了緩沖層對(duì)Cu薄膜微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)的影響。通過(guò)對(duì)比無(wú)緩沖層的SiO2/Cu薄膜和分別引入金屬緩沖層Fe、Ti和Ta及高熵合金緩沖層TiVCrZrHf的五組Cu薄膜,研究發(fā)現(xiàn)無(wú)緩沖層的SiO2/Cu薄膜中的平均晶粒尺寸較大,具有大量孿晶,表面較為粗糙,且薄膜的織構(gòu)呈現(xiàn)為隨機(jī)取向。引入金屬緩沖層Fe、Ti和Ta及高熵合金緩沖層TiVCrZrHf后,平衡了Cu薄膜與基底Si02之間較大的表面能差異,使薄膜界面間的潤(rùn)濕性顯著提高,沉積時(shí)的形核率大幅度提高,平均晶粒尺寸減小,且孿晶數(shù)量減少,表面能最低的{111}取向晶粒具有擇尤長(zhǎng)大優(yōu)勢(shì),Cu薄膜的織構(gòu)呈現(xiàn)為強(qiáng){111}纖維織構(gòu)。其中,引入的高熵合金緩沖層TiVCrZrHf為非晶態(tài)結(jié)構(gòu),不提供晶界等快速擴(kuò)散通道,在較高溫度時(shí)仍能保持優(yōu)異的擴(kuò)散阻擋作用,具有良好的熱穩(wěn)定性。其次,以Fe/Cu薄膜為例,研究了濺射功率和薄膜厚度的變化對(duì)Cu薄膜微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變的影響。濺射功率為100W時(shí),薄膜的織構(gòu)呈現(xiàn)為強(qiáng){111}纖維織構(gòu),平均晶粒尺寸為1.6 μm。濺射功率為200 W時(shí),孿晶的數(shù)量急劇增加,薄膜的織構(gòu)呈現(xiàn)為隨機(jī)取向,平均晶粒尺寸為1.2 μm。當(dāng)濺射功率為300 W時(shí),彈性應(yīng)變能最低的{100}取向晶粒擇尤生長(zhǎng),平均晶粒尺寸為0.7 μm。進(jìn)一步提高薄膜的沉積厚度,Fe50 nm/Cu1000 nm薄膜中的應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變,Cu薄膜中的織構(gòu)由{100}纖維織構(gòu)演變?yōu)閧110}纖維織構(gòu),平均晶粒尺寸為1.1 μm。隨著濺射功率的不斷提高,薄膜的沉積速率大幅增加,使得成核密度隨之增大,平均晶粒尺寸不斷減小。當(dāng)進(jìn)一步增加薄膜的沉積厚度時(shí),基底材料的溫度也不斷升高,薄膜中的晶粒在沉積狀態(tài)時(shí)已隨著基底材料溫度的上升開(kāi)始長(zhǎng)大。另外,討論并計(jì)算了薄膜材料中各個(gè)晶面的表面能、彈性應(yīng)變能和塑性應(yīng)變能對(duì)薄膜在晶粒長(zhǎng)大過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)變化和織構(gòu)演變的影響。根據(jù)第一性原理構(gòu)建周期性邊界的超晶胞模型模擬表面,計(jì)算材料各表面的表面能。結(jié)果表明,Cu、Fe、Ta和Ti表面能最低的晶面分別為Es-Cu{111}=1.269 J/m2、ES-Fe{110}=2.561 J/m2、Es-Ta{110}=2.601 J/m2和Es--Ti{100}=1.322 J/m2。當(dāng)Cu薄膜在彈性應(yīng)變狀態(tài)下時(shí),幾種典型的低指數(shù)晶面{111}、{110}和{100}的彈性應(yīng)變能系數(shù)M分別為261.0、233.0和114.8。因此,在彈性應(yīng)變狀態(tài)下,彈性應(yīng)變能系數(shù)最小的{100}取向晶粒將發(fā)生擇尤長(zhǎng)大。當(dāng)薄膜中的應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),取向晶粒的擇尤長(zhǎng)大取決于其平均取向因子μhkl。{100}、{110}和{111}取向晶粒的平均取向因子分別為0.408、0.408和0.272,但其等效滑移系數(shù)量不同,分別為8、4和6。如果只考慮取向因子的影響而忽略彈性各向異性的影響,{110}取向晶粒的取向因子平均值較大,且等效滑移系數(shù)量較少,不易發(fā)生交互作用,具有擇尤長(zhǎng)大優(yōu)勢(shì)。最后,研究了緩沖層Ta和Ti的引入對(duì)Cu-Co系巨磁電阻多層膜微觀結(jié)構(gòu)和織構(gòu)演變的影響,以及濺射沉積功率和Cu插層薄膜的引入對(duì)L10-FePt薄膜有序無(wú)序轉(zhuǎn)變及{001}纖維織構(gòu)形成的影響。結(jié)果表明,無(wú)緩沖層的GMR薄膜中基底SiO2與Cu-Co系多層膜的潤(rùn)濕性較差,不易形成強(qiáng)織構(gòu),緩沖層Ta和Ti可有效的提高Cu-Co系多層膜與基底材料間的潤(rùn)濕性,降低薄膜表/界面的粗糙度,并形成較強(qiáng)的{111}纖維織構(gòu),且薄膜粗糙度減小,使界面間自旋電子相關(guān)散射減弱,多層膜GMR效應(yīng)顯著提高。濺射功率為25 W時(shí),FePt薄膜在400℃退火時(shí)即發(fā)生了有序化轉(zhuǎn)變,而隨著濺射沉積功率的提高,薄膜中有序化轉(zhuǎn)變溫度提高。當(dāng)引入插層材料Cu薄膜時(shí),L1o-FePt薄膜有序化程度顯著提高,并形成了較強(qiáng)的{001}纖維織構(gòu),薄膜表面粗糙度降低。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.2
【圖文】：

從而成為了當(dāng)今信息化社會(huì)必不可少的一種信息記錄材料【５％。逡逑目前主流的磁記錄硬盤結(jié)構(gòu)上由磁頭、記錄介質(zhì)、機(jī)械裝置、電子電路逡逑四大主要模塊構(gòu)成，其中磁頭和記錄介質(zhì)是最為核心的組件，如圖２－１所示。逡逑屖雇磁頭／愚掛裝置‘逡逑（ＶＣＭ邋＆邋磁頭愚桂裝？邐）邐＼逡逑剩\lW逡逑１—逡逑路板Ｅ邋５昏層逡逑圖２－１硬盤主Ｍ構(gòu)示意圖問(wèn)逡逑受益于半導(dǎo)體光刻工藝的發(fā)展，現(xiàn)代硬盤采用薄膜式讀寫(xiě)分離磁頭，其逡逑中寫(xiě)頭產(chǎn)生反磁場(chǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的信號(hào)擦寫(xiě)。讀頭為對(duì)弱磁信號(hào)高靈敏的逡逑巨磁電阻（ＧＭＲ）或隧道磁電阻（ＴＭＲ）器件，如圖２－２邋（ａ）所示，其輸出電平信逡逑號(hào)會(huì)隨著記錄位磁場(chǎng)方向不同而起伏變化。記錄介質(zhì)通常由多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成，逡逑由上而下依次為支撐基片、軟磁襯底層、生長(zhǎng)控制層、硬磁記錄層、保護(hù)層逡逑和潤(rùn)滑層，其中硬磁記錄層的工作原理如圖２－２邋（ｂ）所示。逡逑－３－逡逑

從而成為了當(dāng)今信息化社會(huì)必不可少的一種信息記錄材料【５％。逡逑目前主流的磁記錄硬盤結(jié)構(gòu)上由磁頭、記錄介質(zhì)、機(jī)械裝置、電子電路逡逑四大主要模塊構(gòu)成，其中磁頭和記錄介質(zhì)是最為核心的組件，如圖２－１所示。逡逑屖雇磁頭／愚掛裝置‘逡逑（ＶＣＭ邋＆邋磁頭愚桂裝？邐）邐＼逡逑剩\lW逡逑１—逡逑路板Ｅ邋５昏層逡逑圖２－１硬盤主Ｍ構(gòu)示意圖問(wèn)逡逑受益于半導(dǎo)體光刻工藝的發(fā)展，現(xiàn)代硬盤采用薄膜式讀寫(xiě)分離磁頭，其逡逑中寫(xiě)頭產(chǎn)生反磁場(chǎng)信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)的信號(hào)擦寫(xiě)。讀頭為對(duì)弱磁信號(hào)高靈敏的逡逑巨磁電阻（ＧＭＲ）或隧道磁電阻（ＴＭＲ）器件，如圖２－２邋（ａ）所示，其輸出電平信逡逑號(hào)會(huì)隨著記錄位磁場(chǎng)方向不同而起伏變化。記錄介質(zhì)通常由多層膜結(jié)構(gòu)構(gòu)成，逡逑由上而下依次為支撐基片、軟磁襯底層、生長(zhǎng)控制層、硬磁記錄層、保護(hù)層逡逑和潤(rùn)滑層，其中硬磁記錄層的工作原理如圖２－２邋（ｂ）所示。逡逑－３－逡逑

為了改善超順次效應(yīng)對(duì)存儲(chǔ)密度的限制，１９７５年日本東北大學(xué)的巖崎俊逡逑一教授提出了垂直磁記錄的方法。垂直磁記錄采用垂直磁頭與具有垂直磁各逡逑向異性的磁性介質(zhì)，介質(zhì)中的磁化方向與介質(zhì)表面垂直，如圖２－３邋（ｂ）所示。逡逑與傳統(tǒng)的縱向磁記錄技術(shù)不同，垂直磁記錄的記錄單元只有一個(gè)磁極暴露在逡逑磁盤表面上，磁頭采用單極寫(xiě)入元件，在磁記錄層的下面加入軟磁底層，磁逡逑場(chǎng)通過(guò)磁記錄層與下面的軟磁層形成完整的回路。在這樣的磁記錄方式下，逡逑退磁場(chǎng)隨著記錄波長(zhǎng)的縮短而逐漸減弱，有助于提高磁化過(guò)渡區(qū)相鄰記錄位逡逑的磁化強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高的信噪比［１１］。逡逑２．３超高密度磁記錄對(duì)材料性能的要求逡逑？邋？逡逑在提高磁記錄介質(zhì)性能的過(guò)程中遇到了材料在物理性能和制備技術(shù)上的逡逑限制，主要包括以下幾個(gè)方面：逡逑－６－逡逑

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