Температурно-зависимый рост и магнитная характеристика тонких пленок FePt для передовых приложений хранения данных

Это содержание взято из стипендии колледжа Stanford Advanced Materials 2025 года, предоставленной Фрэнком Эфе.

Аннотация

Искусственный интеллект (ИИ) продолжает формировать современные технологии, предъявляя высокие требования к возможностям обработки и хранения данных. Повышение скорости и емкости электронных систем хранения данных, в частности жестких дисков (HDD), необходимо для удовлетворения этих требований. Тонкие пленки железо-платина (FePt) стали перспективными материалами благодаря своим исключительным свойствам, таким как высокая магнитная анизотропия, сильная намагниченность, большая коэрцитивная сила, а также высокая термическая и химическая стабильность. Эти качества делают тонкие пленки FePt идеальными кандидатами для передовых технологий хранения данных, включая тепловую магнитную запись (Heat-Assisted Magnetic Recording, HAMR), которая призвана значительно повысить плотность записи данных на жестких дисках. Несмотря на то, что FePt был широко изучен, остается заметный пробел в понимании механизма, лежащего в основе двойного магнитного переключения, наблюдаемого при осаждении этих пленок на кремниевые подложки. В данном исследовании изучаются синтез и характеристики тонких пленок FePt, выращенных на стеклянных, кремниевых и окисленных кремниевых подложках при комнатной температуре, 250 °C и 450 °C с помощью магнетронного распыления постоянного тока. Морфология поверхности и кристаллическая структура исследовались с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) и рентгеновской дифракции (РФД), а магнитные характеристики оценивались с помощью магнитно-силовой микроскопии (МСМ) и магнитометрии вибрирующих образцов (ВСМ). Изучение влияния температуры роста на структурные и магнитные свойства пленок FePt дает ценную информацию для адаптации их характеристик в системах хранения данных нового поколения и промышленных приложениях.

Введение

Пленки сплавовнеодима были широко изучены и широко использовались в системах хранения данных на протяжении многих лет (Emmelius et al., 1989; He et al., 2022). Однако, поскольку они являются редкоземельными элементами, они дороги и легко размагничиваются при очень высоких температурах, а информации об их электрических и магнитных свойствах для изготовления устройств мало (Baloni et al., 2023; Shkir et al., 2022; Yumnam et al., 2020). Пленки из ферромагнитных сплавов железа значительно расширили сферу применения накопителей памяти благодаря своей четко определенной структуре и интригующим магнитным свойствам. В ряде исследований изучались интересные особенности тонких пленок бинарных сплавов железа для применения в таких устройствах, как спинтроника, постоянные магниты и носители магнитной записи (Appel et al., 2019; Krupinski et al., 2019; Preller et al., 2020).

Среди бинарных сплавов железа пленки железо-платина (FePt) обладают исключительными магнитными свойствами, такими как высокая магнитная анизотропия, особенности обменной связи, явления двойного переключения, термическая и химическая стабильность и многое другое. На них существенно влияют условия роста, такие как температура, время роста и скорость потока газа. Таким образом, выбор правильных условий роста имеет решающее значение для достижения подходящих магнитных характеристик тонких пленок FePt (Suzuki et al., 2021). Чтобы увеличить емкость запоминающих устройств, необходимо изменить выравнивание битов при магнитной записи с продольного на перпендикулярное, как это происходит при тепловой магнитной записи. Однако в настоящее время ведутся исследования по выращиванию тонких пленок FePt с высокой текстурой и связанной с ней перпендикулярной магнитной анизотропией (Liu et al., 2022; Shen et al., 2018; Yang et al., 2019).

Обменная связь смещения между твердой и мягкой фазами тонких пленок FePt возникает из-за взаимодиффузии контактов переноса на границе зерен и магнитостатической связи, вызванной блуждающими полями, присутствующими в твердой фазе (Singh et al., 2018). В зависимости от условий роста пленки FePt могут иметь две фазы: кубическую и упорядоченную фазу _L10 со случайно ориентированной зернистой структурой. В отличие от зернистых пленок _L10 FePt, при высоких температурах наблюдается увеличение ферромагнитного резонанса пленки. Было показано, что термическая обработка увеличивает перпендикулярную магнитную анизотропию пленок FePt, что приводит к повышению коэрцитивной силы и увеличению плотности площади для применения в системах хранения данных (Li & Wang, 2022; Liu et al., 2022). Кроме того, повышение температуры выше определенного значения может привести к нежелательному образованию зерен из-за слипания наночастиц (Goyal et al., 2019). Кроме того, Вашишт и др. (2021) совместно осаждали многослойные пленки FeCo/FePt на подложки Si, демонстрируя увеличение размера кристаллических зерен FePt после отжига, а также подтверждая магнитное поведение мягкой фазы. За увеличение коэрцитивной силы во внеплоскостном направлении отвечает пиннинг, в котором доминируют доменные стенки.

Подготовка образцов и детали эксперимента

Тонкие пленки FePt осаждались с помощью магнетронного распыления постоянного тока на стеклянные подложки размером 5 × 5 мм при температурах подложки: комнатная температура (23 °C), 250 °C и 450 °C. Для удаления поверхностных загрязнений стеклянные подложки подвергались ультразвуковой очистке в ацетоне в течение 90 минут при 25 °C, после чего высушивались на воздухе. Перед осаждением подложки предварительно нагревались при 100 °C в течение 5 минут для повышения адгезии. Нагреватель был установлен в камере напыления, которая была вакуумирована до базового давления 10-7 Торр. Осаждение проводилось при давлении аргона 5 мТорр и мощности пистолета 50 Вт в течение 15 минут при постоянном расстоянии от мишени до подложки 40 см. После каждого осаждения система охлаждалась до комнатной температуры. Эти параметры роста соответствовали тем, о которых сообщалось в других исследованиях (Alqhtany, 2017; Efe, 2023; Lisfi et al., 2017).

Результаты и обсуждения

Морфология и топография поверхности размагниченных пленок были проанализированы с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ), а магнитные доменные структуры - с помощью магнитно-силовой микроскопии (МСМ). Для исследования кристаллографической структуры и фазового состава использовалась рентгеновская дифракция (XRD), а для оценки магнитных свойств в плоскостных полях от -20 до 20 кОэ - магнитометрия на вибрирующих образцах (VSM).

АСМ показала, что при 23 °C в пленках наблюдается кластеризация зерен с некоторыми трещинами и пустотами, что свидетельствует о слабой поверхностной диффузии. При 250 °C зерна распределялись более однородно, образуя сферические фигуры без видимых трещин. При 450 °C была достигнута однородная поверхность без трещин со средней шероховатостью 10 нм. Полученные результаты свидетельствуют о том, что повышение температуры подложки улучшает микроструктурное качество пленок FePt, делая их перспективными для применения в устройствах, в частности в технологиях магнитных накопителей. Наблюдаемые тенденции согласуются с данными, полученными ранее (Skok et al., 2022; Weisheit et al., 2004). Как видно из рис. 2a, между пленкой и острием кантилевера не было обнаружено магнитной силы. Это объясняется низкой температурой осаждения - 23 ℃, которая недостаточна для выравнивания магнитного момента. В результате при комнатной температуре пленка представляет собой мягкую фазу с неупорядоченными свойствами кубической фазовой структуры FCC. При повышении температуры до 250 ℃ была обнаружена островная структура магнитных доменов, которые случайным образом ориентированы вне плоскости, как показано на рис. 2b. Кроме того, при увеличении температуры подложки до 450 ℃ наблюдалось увеличение контраста магнитных доменов на магнитном изображении пленки, которое состоит из черно-белого контраста, представляющего магнитные структуры с сильным взаимодействием положительного или отрицательного отклика с наконечником кантилевера, как показано на рисунке 2c. Было обнаружено, что эти домены обычно указывают на внеплоскостную компоненту намагниченности.

Рисунок 1(a-c): АСМ-изображение синтезированных пленок FePt, показывающее топографию зерен при увеличении температуры подложки от (а) до (б).
температура подложки увеличивалась от (a) 23 ℃, (b) 250 ℃, до (c) 450 ℃.

Кроме того, коричневатая часть магнитного домена отражает слабые домены, которые могут быть обусловлены магнитными элементами с легкой осью намагниченности почти в плоскости, которые слабо взаимодействуют с наконечником кантилевера. В результате изменяется вся структура намагниченности пленки. Это связано с высокой перпендикулярной магнитной анизотропией осажденной пленки, когда направление намагниченности выравнивается вверх и вниз в пределах доменной стенки. Упорядоченная _L10 гранецентрированная тетрагональная (FCT) структура выращенных пленок может объяснить значительную перпендикулярную анизотропию пленок при более высоких температурах подложки (Lisfi et al., 2017).

Рисунок 2 (a-c): МФМ-изображение синтезированной тонкой пленки FePt, на котором видны магнитные домены при
(a) 23 ℃ (b) 250 ℃ (c) 450 ℃

Заключение

Тонкие пленки FePt были успешно осаждены на стеклянную подложку при трех различных температурах: комнатной, 250°C и 450°C. Повышение температуры осаждения приводит к увеличению роста зерен без пустот и отверстий, что наблюдается с помощью АСМ и СЭМ. Магнитно-силовая микроскопия показала, что магнитные моменты ориентированы перпендикулярно плоскости пленки. При повышении температуры подложки в замкнутой системе, содержащей инертный газ, магнитные фазы пленки мягкой фазы fcc-FePt, атомы которой ориентированы случайным образом, переходят к образованию упорядоченной пленки L10 fct-FePt на стеклянной подложке.

Рекомендации

Данное исследование посвящено синтезу и определению характеристик тонких пленок FePt, перспективного редкометалльного сплава, предназначенного для использования в промышленности.
сплава редких металлов, предназначенных для промышленного применения в магнитных накопителях данных, в частности для магнитной записи с тепловым усилением (HAMR). Оптимизируя условия роста с помощью изменения температуры подложки
Мы улучшаем структурные и магнитные свойства пленок (работа продолжается),
что делает их пригодными для использования в устройствах хранения данных высокой плотности. Работа соответствует современным тенденциям развития
тенденциями в области использования редких металлов, удовлетворяя глобальный спрос на долговечные и высокоэффективные материалы
в электронике. Продвижение технологий на основе FePt способствует стратегическому переходу к эффективным,
миниатюрных и энергосберегающих устройств в развивающемся промышленном ландшафте, основанном на данных.

Ссылки

Аппель, П., Шилдс, Б. Дж., Косуб, Т., Хедрих, Н., Хюбнер, Р., Фассбендер, Й., Макаров, Д., и Малетинский, П. (2019). Наномагнетизм магнитоэлектрических гранулированных тонкопленочных антиферромагнетиков. Nano Letters, 19(3), 1682-1687. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b04681

Балони, М., Шарма, Р. К., Сингх, Х., Хан, Б., Сингх, М. К., Сати, П. К., Тхакур, В. Н., Котнала, Р. К., и Кумар, А. (2023). Накопление энергии и магнитоэлектрическая связь в твердом растворе BiFeO3-PbTiO3, легированном неодимом (Nd). Journal of Alloys and Compounds, 946, 169333. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169333

Emmelius, M., Pawlowski, G., & Vollmann, H. W. (1989). Материалы для оптического хранения данных. Международное издание Angewandte Chemie на английском языке, 28(11), 1445-1471. https://doi.org/10.1002/anie.198914453

Goyal, R., Lamba, S., & Annapoorni, S. (2019). Моделирование деформационно-индуцированной магнитной анизотропии в тонких пленках FePt с добавкой Au. Прогресс в естественных науках: Materials International, 29(5), 517-524. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2019.09.001

He, Y., Helm, T., Soldatov, I., Schneider, S., Pohl, D., Srivastava, A. K., Sharma, A. K., Kroder, J., Schnelle, W., Schaefer, R., Rellinghaus, B., Fecher, G. H., Parkin, S. S. P., & Felser, C. (2022). Наноразмерные магнитные пузыри в Nd 2 Fe 14 B при комнатной температуре. Physical Review B, 105(6), 064426. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.064426

Крупински, М., Бали, Р., Митин, Д., Собещик, П., Грегор-Павловски, Й., Заржицкий, А., Бёттгер, Р., Альбрехт, М., Потцгер, К., и Маршалек, М. (2019). Ионно-индуцированный ферромагнетизм в сочетании с самосборкой для магнитной модуляции тонких пленок на большой площади. Nanoscale, 11(18), 8930-8939. https://doi.org/10.1039/C8NR10011J

Li, W., & Wang, X. (2022). Влияние нанотвинов на {001} текстуру тонких пленок L10-FePt. Прикладная физика A, 128(11), 1024. https://doi.org/10.1007/s00339-022-06173-w

Лисфи, А., Похарел, С., Акиоя, О., Альхтани, Н. Х., и Вуттиг, М. (2017). Процесс необратимой намагниченности и механизм переключения в тонких пленках L1 0 FePt. AIP Advances, 7(5), 056206. https://doi.org/10.1063/1.4973759

Liu, C., Srinivasan, K., Ajan, A., McCollum, E., Kalitsov, A., Kalappattil, V., & Wu, M. (2022). Ферромагнитный резонанс в тонких пленках FePt при повышенных температурах. Журнал магнетизма и магнитных материалов, 563, 169988. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169988

Преллер, Т., Кникмайер, С., Менцель, Д., Темель, Б., и Гарнвайтнер, Г. (2020). Обменное смещение в тонких пленках FePt-FePt 3 путем контролируемого фазового перехода смешанных строительных блоков наночастиц. Langmuir, 36(8), 2093-2101. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b02880

Shen, C. Y., Yeh, P. Y., Yuan, F. T., Chang, H. W., Lee, M. Y., Lin, D. Y., & Wang, C. R. (2018). Улучшение перпендикулярных магнитных свойств тонких пленок FePt, полученных импульсным методом с постоянным током. Surface and Coatings Technology, 350, 795-800. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.04.047

Шкир, Мохд., Хан, А., Имран, М., Аджмал Хан, М., Заргар, Р. А., Альшахрани, Т., Дева Арун Кумар, К., Моханрадж, П., Чандекар, К. В., & AlFaify, S. (2022). Наноструктурные тонкие пленки Co3O4, полученные методом пиролиза с распылением, и их структурные и оптико-нелинейные свойства для применения в оптоэлектронике. Optics & Laser Technology, 150, 107959. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.107959

Singh, S., Kumar, D., Bhagat, B., Choudhary, R. J., Reddy, V. R., & Gupta, A. (2018). Эффект обменного смещения в L1 0 -упорядоченной бислойной структуре на основе FePt и FeCo: Влияние увеличения приложенного поля. Журнал физики D: Applied Physics, 51(7), 075006. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aaa539

Судзуки, И., Кубо, С., Сепехри-Амин, Х., и Такахаси, Й. К. (2021). Зависимость режима роста в эпитаксиальных пленках FePt от свободной энергии поверхности. ACS Applied Materials & Interfaces, 13(14), 16620-16627. https://doi.org/10.1021/acsami.0c22510

Вашишт, Г., Шашанк, У., Гупта, С., Медвал, Р., Донг, К. Л., Чен, К. Л., Асокан, К., Фукума, Й., и Аннапурни, С. (2021). Усиленная пиннингом внеплоскостная анизотропия в интерметаллических бислоях FeCo/FePt с обратной укладкой для контролируемого переключения в спинтронике. Journal of Alloys and Compounds, 877, 160249. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160249 Yang, W.-S., Sun, T.-H., Chen, S.-C., Jen, S.-U., Guo, H.-J., Liao, M.-H., & Chen, J.-R. (2019).

Сравнение микроструктур и магнитных свойств пленок сплава FePt, осажденных методом магнетронного распыления постоянным током и импульсного магнетронного распыления высокой мощности. Journal of Alloys and Compounds, 803, 341-347. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.216

Юмнам, Г., Го, Дж., Чен, Й., Лаутер, В., и Сингх, Д. К. (2020). Нетрадиционные магнитные явления в тонкой пленке неодима. Physical Review Research, 2(4), 043018. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043018