CoPt-TiO2/Co-TiO2交換耦合磁記錄薄膜的研究

謝海龍，王 穎，魏福林，鄭立允，劉宏基

(1.河北工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.蘭州大學(xué) 磁學(xué)與磁性材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000)

CoPt-TiO2/Co-TiO2交換耦合磁記錄薄膜的研究

謝海龍1，王 穎2，魏福林2，鄭立允1，劉宏基1

(1.河北工程大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北 邯鄲 056038；2.蘭州大學(xué) 磁學(xué)與磁性材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州 730000)

建立包含微結(jié)構(gòu)的微磁學(xué)模型，研究軟磁層的磁晶各向異性場(chǎng)、軟磁層的飽和磁化強(qiáng)度等本征磁性參數(shù)對(duì)CoPt-TiO2(16 nm)/Co-TiO2(4 nm) 交換耦合磁記錄薄膜磁性的影響。計(jì)算得到的CoPt-TiO2(16 nm)的硬磁薄膜易磁化軸的磁滯回線的矯頑力為6.1 kOe，矩形度為0.98。在交換耦合介質(zhì)中，當(dāng)軟磁層的厚度δ從0 nm增加到4 nm時(shí)，易磁化軸的矯頑力從6.1 kOe減小到4.9 kOe。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，軟磁層越軟（軟磁層的磁晶各向異性場(chǎng)越小，飽和磁化強(qiáng)度越大）時(shí)，整個(gè)薄膜的矯頑力也越小。

交換耦合介質(zhì)；磁記錄；微磁學(xué)；磁性材料

為了滿足超高密度磁記錄的需要，磁性顆粒的尺寸需要顯著的減小。然而由于超順磁極限的限制，當(dāng)顆粒的尺寸小于某個(gè)臨界值的時(shí)候，磁隔絕的顆粒會(huì)變得不穩(wěn)定。為了克服超順磁極限，作為記錄層的磁性薄膜需要具有很大的磁晶各向異性，不過(guò)由于現(xiàn)在的寫(xiě)磁頭所能提供的寫(xiě)入場(chǎng)有限，過(guò)大的磁晶各向異性會(huì)引發(fā)寫(xiě)入困難的問(wèn)題。交換耦合復(fù)合介質(zhì)由耦合在一起的軟磁層和硬磁層構(gòu)成，當(dāng)軟/硬磁層間的交換相互作用大小適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，介質(zhì)可以在保持足夠的熱穩(wěn)定性的同時(shí)使翻轉(zhuǎn)場(chǎng)降低到最小。關(guān)于交換耦合復(fù)合介質(zhì)的理論和實(shí)驗(yàn)工作很多[1-5]，然而微磁學(xué)模型中包含多晶微結(jié)構(gòu)的工作很少，因此很難通過(guò)測(cè)量磁滯回線得到軟/硬磁層間的準(zhǔn)確的交換相互作用。

本文在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將微結(jié)構(gòu)引入到微磁學(xué)模型中，研究了CoPt-TiO2/Co-TiO2交換耦合磁記錄薄膜的磁性隨軟磁層的磁晶各向異性場(chǎng)、軟磁層的飽和磁化強(qiáng)度等本征磁性參數(shù)的變化規(guī)律。

1 微磁學(xué)模型

我們?cè)谑覝貢r(shí)采用磁控濺射系統(tǒng)在2.5英寸的玻璃基片上首先濺射了150 nm厚的CoZrNb軟磁襯底層（SUL）；接著沉積了5 nm厚的Pt Preseed層和10 nm厚的Ru種子層(Seed layer)；然后是16 nm厚的CoPt-TiO2硬磁層(靶材的成分為Co80Pt20)，之后沉積了 δ =0～4 nm厚的Co-TiO2軟磁層，最后沉積了一層C保護(hù)層以防止氧化，濺射用的保護(hù)氣體是Ar氣。

本文中，硬磁層的微磁學(xué)單元尺寸D為2 nm×2 nm×2 nm，軟磁層的微磁學(xué)單元尺寸是2 nm×1 nm×2 nm，薄膜平面內(nèi)微磁學(xué)單元的數(shù)目是6 464。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的薄膜往往具有毫米尺度，所以我們?cè)谀っ妫▁-z plane）內(nèi)采用了周期性邊界條件。圖1是我們模擬的類(lèi)似Voronoi格子的多晶微結(jié)構(gòu)示意圖，圖中黑色部分為具有磁性的晶粒，白色部分為無(wú)磁性的晶界。我們首先在薄膜平面內(nèi)均勻選定一些格點(diǎn)作為晶粒生長(zhǎng)時(shí)的晶核位置，然后使形核中心在一定范圍內(nèi)無(wú)規(guī)則行走，之后是晶粒的長(zhǎng)大。當(dāng)不同的晶粒邊界接觸時(shí)，晶粒生長(zhǎng)停止，最終得到的晶粒是具有一定尺寸分布的柱狀晶，其尺寸的分布可以通過(guò)控制形核中心的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，平均的晶粒尺寸Dg是7 nm，晶界的寬度是2 nm。

圖1 模擬的薄膜三維微結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Simulated 3D microstructure of the thin fi lms

我們把軟/硬磁層的磁性參數(shù)作了區(qū)別處理：硬磁層的飽和磁化強(qiáng)度選為619 emu/cc，垂直單軸各向異性場(chǎng)的大小設(shè)定為1.8 T（相應(yīng)的磁晶各向異性常數(shù)是5.6×106erg/cm3）；軟磁層的飽和磁化強(qiáng)度設(shè)定為651 emu/cc，垂直單軸各向異性場(chǎng)的大小選為1.4 T。磁晶各向異性場(chǎng)的大小滿足分布P(Hk)=exp(-ln2(Hk/)/β2)exp(-(Hk/)2)，其中大小分布參數(shù)β取0.1。同時(shí)磁晶各向異性場(chǎng)的方向滿足取向分布f(θ)=exp(-αθsin2θ)，式中取向分布參數(shù)αθ=1.0。晶粒內(nèi)部的交換相互作用常數(shù)A*1設(shè)定為0.2×10-6erg/cm，晶粒之間的交換相互作用常數(shù)A*2設(shè)定為0.1×10-7erg/cm，軟/硬磁層間的交換相互作用常數(shù)A*3設(shè)定為0.2×10-6erg/cm。

微磁學(xué)的模擬基于求解L-L-G方程，薄膜總的能量包含五項(xiàng)：

式中Eext、Ek、Eex、Em和 Ems分別為黎曼能、磁晶各向異性能、交換相互作用能、退磁能和磁彈性能。退磁場(chǎng)的計(jì)算是微磁學(xué)中最耗時(shí)的部分，我們采用二維快速傅立葉變換[6-7]（2D-FFT）方法來(lái)求解退磁場(chǎng)。

2 結(jié)果與討論

2.1 CoPt-TiO2(16 nm) 單層硬磁薄膜

我們首先計(jì)算了CoPt-TiO2(16 nm)硬磁層的磁滯回線，其中CoZrNb(150 nm)軟磁襯底層起到了一個(gè)鏡像的作用，即：硬磁層的磁矩M=(Mx，My，Mz)在軟磁層中產(chǎn)生了一個(gè)鏡像M=(-Mx，My，-Mz)，y軸為垂直膜面方向。圖2展示的是我們計(jì)算的16 nm厚的CoPt-TiO2單層薄膜的易磁化軸的磁滯回線，矯頑力為6.1 kOe，方形度為0.98。顆粒內(nèi)部的交換場(chǎng)常數(shù)He1=2A*1/(D2)=1.6 T，顆粒之間的交換場(chǎng)常數(shù)He2=2A*2/(D2)=807 Oe。模擬的結(jié)果跟實(shí)驗(yàn)的結(jié)果符合得很好，從中我們可以看出磁性顆粒被顆粒間的氧化物很好地隔離開(kāi)。

圖2 CoPt-TiO2(16 nm)硬磁層的易磁化軸的磁滯回線Fig.2 Easy magnetization axis M-H Loops of the CoPt-TiO2(16 nm) hard layer

2.2 軟磁層厚度的影響

為了研究軟磁層的厚度對(duì)薄膜的矯頑力的影響，我們保持其他參數(shù)不變，計(jì)算了軟磁層的厚度變化時(shí)薄膜易磁化軸的磁滯回線。易軸的矯頑力Hc隨軟磁層厚度的變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 軟磁層厚度對(duì)薄膜的矯頑力Hc的影響Fig.3 The effect of the thickness on the coercivity of the fi lms

由圖3可知，當(dāng)軟磁層的厚度從0增加到4 nm時(shí)，易磁化軸的矯頑力從6.1 kOe減小到4.9 kOe（實(shí)驗(yàn)數(shù)值為5.0 kOe），回線的矩形度基本沒(méi)有變化。這可能是因?yàn)楫?dāng)軟磁層厚度增加時(shí)，距離軟/硬磁層界面較遠(yuǎn)的軟磁層顆粒感受到的來(lái)自硬磁層的交換相互作用減弱，所以在較小的外場(chǎng)下便可成核翻轉(zhuǎn)。模擬的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合得很好。

2.3 軟磁層的磁晶各向異性場(chǎng)的影響

圖4 軟磁層的磁晶各向異性場(chǎng)的對(duì)薄膜的易磁化軸矯頑力的影響Fig.4 The effect of the anisotropy fi eld of the soft layer on the easy coercivity

其中Hn為軟磁層的成核場(chǎng)，Js為軟磁層的自旋極化強(qiáng)度，為軟磁層的磁晶各向異性常數(shù)，A為晶粒間的交換耦合常數(shù)，ts為軟磁層的厚度。所以成核場(chǎng)也隨軟磁層的磁晶各向異性場(chǎng)的減小而減小。這兩方面的因素共同導(dǎo)致薄膜的矯頑力也相應(yīng)的減小。

2.4 軟磁層的飽和磁化強(qiáng)度的影響

圖5 軟磁層的飽和磁化強(qiáng)度對(duì)薄膜易磁化軸矯頑力的影響Fig.5 The effect of the saturation magnetization of the soft layer on the easy coercivity

3 結(jié)論

1）CoPt-TiO2(16 nm)的硬磁薄膜的易磁化軸矯頑力為6.1 kOe，矩形度為0.98。

2）當(dāng)軟磁層的厚度從0增加到4 nm時(shí)，易磁化軸的矯頑力從6.1 kOe減小到4.9 kOe。

3）軟磁層的磁晶各向異性場(chǎng)Mks減小，矯頑力Hc相應(yīng)地隨之減小。

4）當(dāng)軟磁層的飽和磁化強(qiáng)度Mss從651 emu/cc增加到1 400 emu/cc時(shí)，易軸的矯頑力單調(diào)地從5.8 kOe減小到4.4 kOe。

media for perpendicular magnetic recording[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2005，41(2)：537-542.

[2] KAPOOR M，SHEN X，VICTORA R H. Effect of intragranular exchange on exchange-coupled composite media[J]. Journal of Applied Physics，2006，99(8)：1886.

[3] WANG J P，SHEN W K，BA J M，et al. Composite media (dynamic tilted media) for magnetic recording[J].Applied Physics Letters，2005，86(14)：4423.

[4] WANG Y，ARIAKE J，WANG T，et al. The effect of Co-TiO2 soft layer and Pt interlayer on the magnetic properties of exchange-coupled composite recording media[J]. Journal of Applied Physics，2010，107(10)：103925.

[5] TAKAHASHI Y K，HONO K，OKAMOTO S，et al. Magnetization reversal of FePt hard/soft stacked nanocomposite particle assembly[J]. Journal of Applied Physics，2006，100(7)：074305.

[6] MANSURIPUR M，GILES R. Demagnetizing field computation for dynamic simulation of the magnetization reversal process[J]. IEEE Transactions on Magnetics，1988，24(6)：2326-2328.

[7] YUAN S W，BERTRAM H N. Fast adaptive algorithms for micromagnetics[J]. IEEE Transactions on Magnetics，1992，28(5)：2031-2036.

Investigation of the CoPt-TiO2/Co-TiO2exchange coupled magnetic recording media

XIE Hailong1，WANG Ying2，WEI Fulin2，ZHENG Liyun1，LIU Hongji1
(1. College of Materials and Engineering，Hebei University of Engineering，Hebei Handan，056038，China；2. Key laboratory for Magnetism and Magnetic Materials of the Ministry of Education，Lanzhou University，Gansu Lanzhou，730000，China)

In this paper，an accurate micromagnetic model is built for CoPt-TiO2(16 nm) / Co-TiO2(4 nm) exchange coupled magnetic recording media. Based on the microstructure，the effect of the magnetic parameters such as the anisotropy，the saturation magnetization of the soft layers on the magnetic properties of the media is investigated. In the M-H loop of CoPt-TiO2(16 nm) hard layer，the easy magnetization axis coercivity is 6.1 kOe and the squareness is 0.98. In the exchange coupled media，the coercivity decreases from 6.1 kOe to 4.9 kOe when the thickness δ of the soft layer increases from 0 nm to 4 nm. Meanwhile，we also found that the coercivity decreases when the anisotropy is lower and the saturation magnetization is larger in the soft layer.

exchange coupled media；magnetic recording；micromagnetics；magnetic materials.

O484.4

A

1673-9469（2017）04-0109-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.024

2017-10-29 特約專(zhuān)稿

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51701059)；河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E2015402111)

謝海龍(1984-)，男，河北磁縣人，博士，講師，從事磁性金屬材料方面的研究。

[1] VICTORA R H，SHEN X. Exchange coupled composite