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 材料科學與工程學院，河北 邯鄲 056038；2.蘭州大學 磁學與磁性材料教育部重點實驗室，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 材料科學與工程學院，河北 邯鄲 056038；2.蘭州大學 磁學與磁性材料教育部重點實驗室，甘肅蘭州 730000)

建立包含微結構的微磁學模型，研究軟磁層的磁晶各向異性場、軟磁層的飽和磁化強度等本征磁性參數對CoPt-TiO2(16 nm)/Co-TiO2(4 nm) 交換耦合磁記錄薄膜磁性的影響。計算得到的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。在交換耦合介質中，當軟磁層的厚度δ從0 nm增加到4 nm時，易磁化軸的矯頑力從6.1 kOe減小到4.9 kOe。同時發現，軟磁層越軟（軟磁層的磁晶各向異性場越小，飽和磁化強度越大）時，整個薄膜的矯頑力也越小。

交換耦合介質；磁記錄；微磁學；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，當顆粒的尺寸小于某個臨界值的時候，磁隔絕的顆粒會變得不穩定。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，不過由于現在的寫磁頭所能提供的寫入場有限，過大的磁晶各向異性會引發寫入困難的問題。交換耦合復合介質由耦合在一起的軟磁層和硬磁層構成，當軟/硬磁層間的交換相互作用大小適當的時候，介質可以在保持足夠的熱穩定性的同時使翻轉場降低到最小。關于交換耦合復合介質的理論和實驗工作很多[1-5]，然而微磁學模型中包含多晶微結構的工作很少，因此很難通過測量磁滯回線得到軟/硬磁層間的準確的交換相互作用。

本文在實驗數據的基礎上，將微結構引入到微磁學模型中，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、軟磁層的飽和磁化強度等本征磁性參數的變化規律。

1 微磁學模型

我們在室溫時采用磁控濺射系統在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保護層以防止氧化，濺射用的保護氣體是Ar氣。

本文中，硬磁層的微磁學單元尺寸D為2 nm×2 nm×2 nm，軟磁層的微磁學單元尺寸是2 nm×1 nm×2 nm，薄膜平面內微磁學單元的數目是6 464。實驗測量的薄膜往往具有毫米尺度，所以我們在膜面（x-z plane）內采用了周期性邊界條件。圖1是我們模擬的類似Voronoi格子的多晶微結構示意圖，圖中黑色部分為具有磁性的晶粒，白色部分為無磁性的晶界。我們首先在薄膜平面內均勻選定一些格點作為晶粒生長時的晶核位置，然后使形核中心在一定范圍內無規則行走，之后是晶粒的長大。當不同的晶粒邊界接觸時，晶粒生長停止，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控制形核中心的位置來實現，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構示意圖Fig.1 Simulated 3D microstructure of the thin fi lms

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

微磁學的模擬基于求解L-L-G方程，薄膜總的能量包含五項：

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。退磁場的計算是微磁學中最耗時的部分，我們采用二維快速傅立葉變換[6-7]（2D-FFT）方法來求解退磁場。

2 結果與討論

2.1 CoPt-TiO2(16 nm) 單層硬磁薄膜

我們首先計算了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鏡像的作用，即：硬磁層的磁矩M=(Mx，My，Mz)在軟磁層中產生了一個鏡像M=(-Mx，My，-Mz)，y軸為垂直膜面方向。圖2展示的是我們計算的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。顆粒內部的交換場常數He1=2A*1/(D2)=1.6 T，顆粒之間的交換場常數He2=2A*2/(D2)=807 Oe。模擬的結果跟實驗的結果符合得很好，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。

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薄膜的矯頑力的影響，我們保持其他參數不變，計算了軟磁層的厚度變化時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律如圖3所示。

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

由圖3可知，當軟磁層的厚度從0增加到4 nm時，易磁化軸的矯頑力從6.1 kOe減小到4.9 kOe（實驗數值為5.0 kOe），回線的矩形度基本沒有變化。這可能是因為當軟磁層厚度增加時，距離軟/硬磁層界面較遠的軟磁層顆粒感受到的來自硬磁層的交換相互作用減弱，所以在較小的外場下便可成核翻轉。模擬的結果與實驗結果符合得很好。

2.3 軟磁層的磁晶各向異性場的影響

圖4 軟磁層的磁晶各向異性場的對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，Js為軟磁層的自旋極化強度，為軟磁層的磁晶各向異性常數，A為晶粒間的交換耦合常數，ts為軟磁層的厚度。所以成核場也隨軟磁層的磁晶各向異性場的減小而減小。這兩方面的因素共同導致薄膜的矯頑力也相應的減小。

2.4 軟磁層的飽和磁化強度的影響

圖5 軟磁層的飽和磁化強度對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）當軟磁層的厚度從0增加到4 nm時，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Mks減小，矯頑力Hc相應地隨之減小。

4）當軟磁層的飽和磁化強度Mss從651 emu/cc增加到1 400 emu/cc時，易軸的矯頑力單調地從5.8 kOe減小到4.4 kOe。

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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 特約專稿

國家自然科學基金資助項目(51701059)；河北省自然科學基金資助項目(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