FeTaPt多層膜的磁粘滯研究

徐靜

（河北工程大學(xué) 理學(xué)院,河北 邯鄲 056038）

隨著信息時(shí)代的發(fā)展,對(duì)信息記錄的密度要求越來越高,而記錄介質(zhì)的尺寸也在不斷減小,從而導(dǎo)致介質(zhì)的熱穩(wěn)定性較差。材料的磁粘滯行為即在外磁場(chǎng)下磁化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律,研究磁粘滯行為可以得到磁記錄介質(zhì)的熱穩(wěn)定性。

從粒子的磁特性和結(jié)構(gòu)考慮,熱穩(wěn)定性決定于因子KuV/kBT,其中Ku是磁各向異性常數(shù),V為顆粒體積,減小顆粒體積可以通過增加各向異性來提高熱穩(wěn)定性。具有大的磁各向異性的FePt薄膜吸引了人們的廣泛興趣[1-2],而許多研究者又通過在FePt薄膜的基礎(chǔ)上添加SiO2、B2O3和Ta2O5等物質(zhì)來增加磁各向異性[3-5],但其熱穩(wěn)定性不是很好。元素Ta是一種黑灰色金屬,有延展性,耐酸堿和耐氧化,化學(xué)性質(zhì)又特別穩(wěn)定。在FePt薄膜中加入Ta,可增加薄膜的穩(wěn)定性,減小晶粒尺寸,提高介質(zhì)矯頑力,增加磁各向異性。目前國內(nèi)外在FePt薄膜中加入元素Ta的熱穩(wěn)定性研究還處于起步階段。

本文用Preisach磁滯模型對(duì)FeTaPt多層膜的雙場(chǎng)磁粘滯行為進(jìn)行了研究,并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。通過模擬得到材料的擬和參數(shù),并分析結(jié)果,得到樣品在雙磁場(chǎng)下的磁化強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系以及與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系,這為研究熱穩(wěn)定性好的高密度記錄材料提供理論依據(jù)。

1 模型

Preisach模型[6]提出體系磁化狀態(tài)的變化是由一系列的巴克豪森子系統(tǒng)的跳躍描述確定磁粘滯現(xiàn)象的動(dòng)態(tài)描述,Preisach分布給出跳躍的順序。磁化過程由一個(gè)合適的能量勢(shì)壘分布描述,磁化翻轉(zhuǎn)時(shí)需要克服勢(shì)壘 Δ ε,翻轉(zhuǎn)時(shí)間 τ由Arrhenius法則給出 τ=τ0exp（Δ ε/kT）。Preisach模型給出體系的磁化強(qiáng)度表示方法:

式中p（hc,hu）—Preisach函數(shù)分布,b（hc）—描述體系的磁化強(qiáng)度M所必須的內(nèi)部狀態(tài)參量。

p（hc,hu）的形式為[7-8]:

其中 prev（hu）δ（hc）代表可逆過程,pirr（hc,hu）代表不可逆部分。矯頑場(chǎng)分布和相互作用場(chǎng)分布函數(shù)采用高斯分布

式中 σi—相互作用場(chǎng)分布;σc—矯頑場(chǎng)分布;hci—有效場(chǎng)的剩磁矯頑力。

2 實(shí)驗(yàn)與討論

用磁控濺射法制備了FeTaPt多層膜。實(shí)驗(yàn)所用基底為單晶硅,基底溫度為800℃。Fe、Pt靶位和Ta靶位的濺射功率分別為為11 W和35 W,本底真空為1.3×10-5Pa,濺射氣體為高純氬氣,濺射氣壓為2 Pa。在多層膜的制備過程中,Ta層的濺射時(shí)間為30 s。

X射線衍射（X-ray difffraction measurement,XRD）表征了樣品的結(jié)構(gòu),如圖1所示,樣品為單相。利用Lakeshore振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）測(cè)量了FePtTa多層膜的磁學(xué)性質(zhì)。包括磁滯回線和不同磁場(chǎng)下雙場(chǎng)過程曲線,所加磁場(chǎng)平行于膜面,雙場(chǎng)過程就是先把磁場(chǎng)加到正向飽和,然后降至某負(fù)值H1,然后增加到H2保持不變,記錄磁化強(qiáng)度隨時(shí)間變化的函數(shù)。樣品的矯頑力較高（Hc=75.65 A/m）。用Preisach磁滯模型對(duì)其磁化行為進(jìn)行了模擬。

圖2給出FeTaPt多層膜雙場(chǎng)過程的磁化強(qiáng)度與時(shí)間關(guān)系曲線,圖3為磁化強(qiáng)度與時(shí)間的對(duì)數(shù)的關(guān)系曲線。圖中有實(shí)驗(yàn)曲線和模擬結(jié)果,Preisach model很好的再現(xiàn)了多層膜的雙場(chǎng)磁粘滯行為。圖2-a中H1=-75 A/m,H2=-13.5 m磁化強(qiáng)度隨時(shí)間對(duì)數(shù)逐漸增加,隨著外磁場(chǎng)的改變,這種對(duì)數(shù)線性變化不再明顯（圖3-a）;圖2-b給出了不同外場(chǎng)H1和 H2（H1=-99 A/m,H2=-48.7 A/m）下的磁化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化,出現(xiàn)先增加后減小的非單調(diào)變化,而圖2-c中外磁場(chǎng)又接近矯頑力（H1=-80 A/m,H2=-72.6 A/m）,其磁化強(qiáng)度隨時(shí)間減小,但與時(shí)間對(duì)數(shù)也幾乎滿足線性衰減（圖3-c）?？梢?磁粘滯曲線的形狀不僅與H1、H2的取值有關(guān),更與 H1、H2的差值有關(guān),H1、H2差值越小,非線性衰減越明顯。這種非單調(diào)的行為曾在硬磁材料和納米材料中觀察到[9-10]。由于FeTaPt多層膜的矯頑力比較大,實(shí)驗(yàn)上容易測(cè)量磁化強(qiáng)度的非單調(diào)變化,并與模擬結(jié)果相符合。非單調(diào)變化是雙場(chǎng)過程的一個(gè)普遍特性,由于條件的局限性在實(shí)驗(yàn)上一般觀察不到。擬和得到一系列參數(shù)見表1,由這些參數(shù)可以得到在實(shí)驗(yàn)中很難觀測(cè)到的磁粘滯行為,比如多場(chǎng)過程的磁化強(qiáng)度隨時(shí)間的變化關(guān)系。這為研究更實(shí)用的高密度記錄材料提供理論依據(jù)。

表1 FeTaPt多層膜的擬合參數(shù)Tab.1 Preisach parameters for FeTaPt film

3 結(jié)論

1）模型再現(xiàn)了樣品在雙磁場(chǎng)下的磁化強(qiáng)度與時(shí)間的關(guān)系以及與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系,并且通過模擬得到材料的擬和參數(shù)。

2）在樣品矯頑力附近出現(xiàn)了磁化強(qiáng)度隨時(shí)間對(duì)數(shù)的線性變化,當(dāng)磁場(chǎng)偏離矯頑力時(shí),磁粘滯行為將偏離線性變化,這不僅與 H1和H2有關(guān),而且與H1、H2的差值有關(guān),H1、H2差值越小,非線性衰減越明顯。

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