磁记录薄膜材料微观结构与织构演变机理的研究

发布时间：2020-08-13 02:40

【摘要】：随着信息存储的爆炸式增长,磁记录逐渐向高密度/超高密度记录方向发展。为了提高磁记录存储密度可以从两个方面进行改进和提高:一方面是,巨磁电阻(GMR)读出磁头,即巨磁电阻薄膜应满足在室温下具有较大的磁电阻、磁场灵敏度高、饱和磁场低和热稳定性高等条件;另一方面是记录介质,即具有高磁晶各向异性的硬磁薄膜,如L10-FePt薄膜应满足晶粒尺寸小、具有{001}择尤取向和较低的有序化转变温度等条件。由于薄膜制备方法的多样性以及不同的制备工艺参数、缓冲层材料等均对薄膜生长模式、微观结构和织构演变机理的影响较大。薄膜中粗糙度、层间结构的改变均会引起GMR薄膜层间耦合现象和自旋相关散射的变化,而织构的演变会造成薄膜材料中各类性能的各向异性,进而影响GMR效应。在L10-FePt薄膜中,降低薄膜的有序化温度、提高{001}择尤织构的占有率并有效的控制晶粒尺寸也是一直以来的研究热点和难点。此外,为了研究多层膜生长机制,对单层膜的生长机制研究是必要的。因此,本文对缓冲层、溅射沉积功率、薄膜厚度和退火温度等变化对Cu薄膜、Cu/Co多层膜及FePt薄膜微观结构和织构演变的影响进行了研究,获得的主要结论包括以下几个方面:首先,研究了缓冲层对Cu薄膜微观结构和织构的影响。通过对比无缓冲层的SiO2/Cu薄膜和分别引入金属缓冲层Fe、Ti和Ta及高熵合金缓冲层TiVCrZrHf的五组Cu薄膜,研究发现无缓冲层的SiO2/Cu薄膜中的平均晶粒尺寸较大,具有大量孪晶,表面较为粗糙,且薄膜的织构呈现为随机取向。引入金属缓冲层Fe、Ti和Ta及高熵合金缓冲层TiVCrZrHf后,平衡了Cu薄膜与基底Si02之间较大的表面能差异,使薄膜界面间的润湿性显著提高,沉积时的形核率大幅度提高,平均晶粒尺寸减小,且孪晶数量减少,表面能最低的{111}取向晶粒具有择尤长大优势,Cu薄膜的织构呈现为强{111}纤维织构。其中,引入的高熵合金缓冲层TiVCrZrHf为非晶态结构,不提供晶界等快速扩散通道,在较高温度时仍能保持优异的扩散阻挡作用,具有良好的热稳定性。其次,以Fe/Cu薄膜为例,研究了溅射功率和薄膜厚度的变化对Cu薄膜微观结构和织构演变的影响。溅射功率为100W时,薄膜的织构呈现为强{111}纤维织构,平均晶粒尺寸为1.6 μm。溅射功率为200 W时,孪晶的数量急剧增加,薄膜的织构呈现为随机取向,平均晶粒尺寸为1.2 μm。当溅射功率为300 W时,弹性应变能最低的{100}取向晶粒择尤生长,平均晶粒尺寸为0.7 μm。进一步提高薄膜的沉积厚度,Fe50 nm/Cu1000 nm薄膜中的应变状态发生改变,Cu薄膜中的织构由{100}纤维织构演变为{110}纤维织构,平均晶粒尺寸为1.1 μm。随着溅射功率的不断提高,薄膜的沉积速率大幅增加,使得成核密度随之增大,平均晶粒尺寸不断减小。当进一步增加薄膜的沉积厚度时,基底材料的温度也不断升高,薄膜中的晶粒在沉积状态时已随着基底材料温度的上升开始长大。另外,讨论并计算了薄膜材料中各个晶面的表面能、弹性应变能和塑性应变能对薄膜在晶粒长大过程中微观结构变化和织构演变的影响。根据第一性原理构建周期性边界的超晶胞模型模拟表面,计算材料各表面的表面能。结果表明,Cu、Fe、Ta和Ti表面能最低的晶面分别为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。当Cu薄膜在弹性应变状态下时,几种典型的低指数晶面{111}、{110}和{100}的弹性应变能系数M分别为261.0、233.0和114.8。因此,在弹性应变状态下,弹性应变能系数最小的{100}取向晶粒将发生择尤长大。当薄膜中的应变状态发生改变时,取向晶粒的择尤长大取决于其平均取向因子μhkl。{100}、{110}和{111}取向晶粒的平均取向因子分别为0.408、0.408和0.272,但其等效滑移系数量不同,分别为8、4和6。如果只考虑取向因子的影响而忽略弹性各向异性的影响,{110}取向晶粒的取向因子平均值较大,且等效滑移系数量较少,不易发生交互作用,具有择尤长大优势。最后,研究了缓冲层Ta和Ti的引入对Cu-Co系巨磁电阻多层膜微观结构和织构演变的影响,以及溅射沉积功率和Cu插层薄膜的引入对L10-FePt薄膜有序无序转变及{001}纤维织构形成的影响。结果表明,无缓冲层的GMR薄膜中基底SiO2与Cu-Co系多层膜的润湿性较差,不易形成强织构,缓冲层Ta和Ti可有效的提高Cu-Co系多层膜与基底材料间的润湿性,降低薄膜表/界面的粗糙度,并形成较强的{111}纤维织构,且薄膜粗糙度减小,使界面间自旋电子相关散射减弱,多层膜GMR效应显著提高。溅射功率为25 W时,FePt薄膜在400℃退火时即发生了有序化转变,而随着溅射沉积功率的提高,薄膜中有序化转变温度提高。当引入插层材料Cu薄膜时,L1o-FePt薄膜有序化程度显著提高,并形成了较强的{001}纤维织构,薄膜表面粗糙度降低。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

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从而成为了当今信息化社会必不可少的一种信息记录材料【５％。逡逑目前主流的磁记录硬盘结构上由磁头、记录介质、机械装置、电子电路逡逑四大主要模块构成，其中磁头和记录介质是最为核心的组件，如图２－１所示。逡逑屖雇磁头／愚挂装置‘逡逑（ＶＣＭ邋＆邋磁头愚桂装？逦）逦＼逡逑剩\lW逡逑１—逡逑路板Ｅ邋５昏层逡逑图２－１硬盘主Ｍ构示意图问逡逑受益于半导体光刻工艺的发展，现代硬盘采用薄膜式读写分离磁头，其逡逑中写头产生反磁场信号实现对介质的信号擦写。读头为对弱磁信号高灵敏的逡逑巨磁电阻（ＧＭＲ）或隧道磁电阻（ＴＭＲ）器件，如图２－２邋（ａ）所示，其输出电平信逡逑号会随着记录位磁场方向不同而起伏变化。记录介质通常由多层膜结构构成，逡逑由上而下依次为支撑基片、软磁衬底层、生长控制层、硬磁记录层、保护层逡逑和润滑层，其中硬磁记录层的工作原理如图２－２邋（ｂ）所示。逡逑－３－逡逑

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为了改善超顺次效应对存储密度的限制，１９７５年日本东北大学的岩崎俊逡逑一教授提出了垂直磁记录的方法。垂直磁记录采用垂直磁头与具有垂直磁各逡逑向异性的磁性介质，介质中的磁化方向与介质表面垂直，如图２－３邋（ｂ）所示。逡逑与传统的纵向磁记录技术不同，垂直磁记录的记录单元只有一个磁极暴露在逡逑磁盘表面上，磁头采用单极写入元件，在磁记录层的下面加入软磁底层，磁逡逑场通过磁记录层与下面的软磁层形成完整的回路。在这样的磁记录方式下，逡逑退磁场随着记录波长的缩短而逐渐减弱，有助于提高磁化过渡区相邻记录位逡逑的磁化强度，实现高的信噪比［１１］。逡逑２．３超高密度磁记录对材料性能的要求逡逑？邋？逡逑在提高磁记录介质性能的过程中遇到了材料在物理性能和制备技术上的逡逑限制，主要包括以下几个方面：逡逑－６－逡逑

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