封順珍,咸立芬,徐 芹,張明軒,崔文元

(1.石家莊學(xué)院物理學(xué)系電氣信息工程系,河北石家莊 050035;2.河北科技大學(xué)理學(xué)院,河北石家莊 050018;3.河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,河北石家莊 050016)

C/Co/C納米顆粒膜微結(jié)構(gòu)和磁特性的時(shí)效性研究

封順珍1,咸立芬2,徐 芹3,張明軒1,崔文元3

(1.石家莊學(xué)院物理學(xué)系電氣信息工程系,河北石家莊 050035;2.河北科技大學(xué)理學(xué)院,河北石家莊 050018;3.河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院,河北石家莊 050016)

室溫下,應(yīng)用磁控濺射法制備了系列類三明治結(jié)構(gòu)C/Co/C顆粒膜。C靶和Co靶分別采用射頻濺射和直流對(duì)靶濺射模式,并且隨后進(jìn)行了原位退火。在樣品制備3年后再次測(cè)量了樣品的微結(jié)構(gòu)和磁特性。對(duì)比3年前的測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)樣品在存放過程中微結(jié)構(gòu)和磁特性有略微改善。通過分析表明,這主要是由于界面處的非磁性C原子進(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)磁性Co顆粒邊界,減弱了磁性顆粒間的交換相互作用所致。

納米顆粒膜;磁控濺射;矯頑力

目前,國(guó)內(nèi)外眾多科研工作者都在致力于磁記錄顆粒膜領(lǐng)域的研究,磁記錄介質(zhì)主要集中在Co基合金和Fe基合金磁性材料的研究上[1～3]。尤其是近年來,由非磁性的C包覆磁性粒子Co構(gòu)成的納米合成膜作為高密磁記錄倍受關(guān)注[4～7]。磁性顆粒被非磁性的母基包覆后,微結(jié)構(gòu)和磁特性有了明顯的改善。但是,記錄介質(zhì)材料在高密度化時(shí)存在的問題主要是熱漲落對(duì)于磁性粒子磁化的干擾,可使記錄信息丟失。熱擾動(dòng)狀態(tài)滿足τ=τoexp(KuV/(kBT))。式中:T表示溫度;τ表示馳豫時(shí)間即記錄字節(jié)衰減到不能再保存信息時(shí)所需時(shí)間;τ0表示嘗試頻率;V是晶粒體積;Ku是單軸各向異性常數(shù);kB為玻爾茲曼常數(shù)。通常在超高密磁記錄介質(zhì)中,要求磁性粒子的馳豫時(shí)間保證在10 a以上?；趹?yīng)用方面的考慮,筆者研究了C/Co/C薄膜樣品微結(jié)構(gòu)和磁特性的時(shí)效性。

筆者首先應(yīng)用磁控濺射法制備了系列類三明治結(jié)構(gòu)的C/Co/C顆粒膜,然后利用XRD,VSM測(cè)量了C/Co/C系列薄膜的微結(jié)構(gòu)和磁特性,并對(duì)樣品3年前后2次測(cè)量的微結(jié)構(gòu)和磁特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。

1 實(shí)驗(yàn)方法

室溫下,利用對(duì)靶磁控濺射設(shè)備成功制備了系列類三明治結(jié)構(gòu)C/Co/C顆粒膜。磁性層Co層和非磁性層C層先后沉積在以非晶質(zhì)的C為襯底的玻璃基片上,基片尺寸為25 mm×25 mm×1 mm。C層和Co層分別采用射頻(RF)濺射和對(duì)靶直流(DC)濺射模式,濺射過程由計(jì)算機(jī)程序控制,通過調(diào)節(jié)濺射時(shí)間及濺射功率來控制C層和Co層的厚度。濺射室本底真空度優(yōu)于1.2×10-5Pa,高純的氬氣(A r)作為濺射氣體,濺射時(shí)A r氣壓約為3.5 Pa,采用循環(huán)水冷卻。

筆者對(duì)樣品3年前后的晶體結(jié)構(gòu)應(yīng)用X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行了分析,并通過美國(guó)LakeShore公司的7310型振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)(VSM)測(cè)量了室溫下樣品3年前后的磁特性。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1給出了3年前后測(cè)量的未退火系列樣品面內(nèi)矯頑力隨Co層厚度 d變化的關(guān)系曲線。2次測(cè)量結(jié)果顯示,樣品平行膜面的矯頑力隨磁性Co層厚度變化的趨勢(shì)是一致的,均在Co層厚度為20 nm處達(dá)到最大值,并且樣品在存放3年后面內(nèi)矯頑力都有不同程度的增大。Co層厚度為20 nm樣品的矯頑力由原來的13.0 kA/m增大到18.6 kA/m。可以推測(cè)產(chǎn)生這種情況有2方面的原因。一方面,磁性Co顆粒表面被氧化,形成Co的化合物,樣品在磁化翻轉(zhuǎn)過程中在界面處產(chǎn)生釘扎,導(dǎo)致矯頑力增大;另一方面,在存放過程中,襯底層和覆蓋層的C原子可能會(huì)逐漸擴(kuò)散進(jìn)磁性Co顆粒邊界,進(jìn)一步隔離磁性粒子,致使磁性顆粒間的交換相互作用減小,從而使樣品的矯頑力增大。

為了進(jìn)一步證實(shí)樣品在存放3年后面內(nèi)矯頑力增大這一事實(shí),對(duì)未退火系列樣品中磁性能最好的樣品在不同退火溫度下磁特性的變化進(jìn)行了研究。圖2給出了3年前后測(cè)量的C(30 nm)/Co(20 nm)/C(30 nm)薄膜的面內(nèi)矯頑力 Hc與退火溫度Ta的關(guān)系曲線。由圖2看出,2次測(cè)量的面內(nèi)矯頑力隨退火溫度變化的趨勢(shì)相同,在退火溫度為400℃時(shí),均達(dá)到峰值。因此,可以得到跟未退火系列樣品相同的結(jié)論:樣品在放置3年后面內(nèi)矯頑力都有不同程度的增大。這種現(xiàn)象也歸因于上面解釋的2點(diǎn)。這與XRD測(cè)量結(jié)果是一致的。

圖2 C(30 nm)/Co(20 nm)/C(30 nm)薄膜的面內(nèi)矯頑力 H c與退火溫度 T a的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship of in-p lane H c vs annealed temperature T a fo r C(30 nm)/Co(20 nm)/C(30 nm)film s

為了分析存放3年后樣品磁特性變好的原因,再次應(yīng)用X射線衍射儀分別對(duì)退火和未退火樣品的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。圖3和圖4分別繪出了未退火和退火溫度為 400℃、時(shí)間為 30 min后C(30 nm)/Co(20 nm)/C(30 nm)薄膜的X射線(Cu-Kα)衍射譜,圖中(a)為3年后測(cè)試結(jié)果,(b)為3年前測(cè)試結(jié)果。由圖3和圖4可以看出,無論是未退火還是退火后樣品,存放3年后晶體結(jié)構(gòu)都有了明顯改變。HCP-Co(002)衍射峰峰強(qiáng)增強(qiáng),這表明存放3年后晶粒擇優(yōu)取向更好?？梢哉J(rèn)為磁性晶粒更好地?fù)駜?yōu)取向是由于非磁性C原子的擴(kuò)散引起磁性晶粒周圍環(huán)境的變化所致,最終使得樣品矯頑力增大。

圖5和圖6分別給出了未退火和退火400℃及30 m in時(shí)C(30 nm)/Co(20 nm)/C(30 nm)薄膜的δM曲線[8～10]。由圖5和圖6可以看出,存放3年后未退火和退火樣品磁性晶粒間的相互作用都發(fā)生了明顯變化。未退火樣品3年后的δM正的峰值比3年前的結(jié)果略微減小,而退火樣品3年后磁性晶粒間交換相互作用已很小,主要以靜磁相互作用為主。與前面的分析是一致的,這是由于在存放過程中非磁性的C原子逐漸擴(kuò)散進(jìn)Co顆粒邊界,減小了磁性粒子間交換相互作用,使得樣品矯頑力增大。

3 結(jié) 論

室溫下,應(yīng)用磁控濺射法制備了類三明治結(jié)構(gòu)C/Co/C系列顆粒膜。并對(duì)C/Co/C顆粒膜微結(jié)構(gòu)和磁特性的時(shí)效性進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn),在存放過程中,無論退火還是未退火樣品,磁性能均未被破壞,這對(duì)磁記錄介質(zhì)的應(yīng)用是很關(guān)鍵的。并且,樣品的磁性能在不同程度上略微有些改善,所有樣品面內(nèi)矯頑力都略有增大。推測(cè)可能是在存放過程中非磁性的C原子進(jìn)一步擴(kuò)散進(jìn)磁性Co顆粒邊界,減小了磁性顆粒間的交換相互作用所致。

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Aging effect of microstructure and magnetic p roperties of C/Co/C nanogranular film s

FENG Shun-zhen1,X IAN Li-fen2,XU Qin3,ZHANG M ing-xuan1,CU IWen-yuan3
(1.College of Physics and Electric Info rmation Engineering,Shijiazhuang University,Shijiazhuang Hebei 050035,China;2.College of Sciences,Hebei University of Science and Technology,Shijiazhuang Hebei 050018,China;3.College of Physics Science and Information Engineering,Hebei Normal University,Shijiazhuang Hebei 050016,China)

Pseudo-sandw ich nanogranular C/Co/C film s are p repared by magnetron sputtering C and Co onto glass substrates at room temperature and subsequent in situ annealing.C and Co targets use an RF and DC facing deposition mode respectively.Themicrostructure and magnetic p roperties of the samp les are measured again after three years.Compared to that of three years ago,the microstructure and magnetic p roperties slightly imp rove during p lacement.It has been found that the change is attributed to the reduction of intergrain interaction,w hich results from the nonmagnetic C atoms diffusing into the grain boundaries of magnetic Co during p lacement.

nanogranular films;magnetron sputtering;coercivity

O484.4;O484.5

A

1008-1542(2010)01-0005-04

2009-06-19;責(zé)任編輯:王士忠

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (10847119);河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(A 2009000254);石家莊學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目;石家莊學(xué)院科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目;河北省新型薄膜材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題資助項(xiàng)目

封順珍(1972-),女,河北鹿泉人,講師,博士,主要從事磁性薄膜和納米復(fù)合功能材料方面的研究。