L10—FePt單層膜磁性參數Ku的微磁學模擬

張浩然

摘要：用微磁學模擬FePt（30 nm）磁晶各向異性Ku的變化分析矯頑力的變化，與曾實驗得到生長溫度為700℃用磁控濺射法在MgO（001）基片上生長FePt薄膜對比，得到磁晶各向異性參數Ku。

關鍵詞：L10-FePt；矯頑力；磁晶各向異性參數Ku；微磁學模擬

FePt[1]，CoPt[2]和FePd[3]等有序相（面心四方，L10相）合金材料，在交換耦合納米磁體中，具有高單軸磁晶各向異性（Ku），并且對于高密度數據存儲有潛在的應用。這些合金有大的磁晶各向異性（Ku ～1.77×107-6.70×107 erg/cm3，1erg = 10-7 J），以致于呈現出特殊的性質：即超小納米粒子的阻斷溫度（TB）高于室溫[4]。在這幾種材料中，L10-FePt和L10-FePd合金是化學有序的，并且顯示出高的磁晶各向異性（Ku）和大的矯頑力（HC）。而L10-FePt合金的磁能積（BH）max達到了13 MGOe，成為高密度磁存儲應用的良好候選材料[5]。

1 微磁學仿真方法

微磁學模擬（OOMMF）就基于Gilbert提出了LLG方程為理論依據進行模擬的。模擬樣品的尺寸分別為300 nm×300 nm×（5，30）nm；300 nm×300 nm×（3 nm/27 nm，網格尺寸為5 nm×5 nm×1 nm。硬磁的磁晶各向異性軸和飽和磁化強度的方向都垂直膜面。L10-FePt模擬參數：磁化強度M：ML10-FePt約為105 A/m；交換耦合常數A：AA1-FePt，Aex約為10-11 J/m[6]；磁晶各向異性參數Ku：K L10-FePt=1～5×106 J/m3。

3 結果與討論

圖1是FePt（30 nm，Ku）經微磁學模擬不同Ku值的磁滯回線。L10-FePt的易軸為[001]方向，模擬只考慮[001]方向的磁化曲線。Ku = 1.0×106J/m3、1.5×106 J/m3和2.0×106 J/m3時，矯頑力分別為Hc =15.18 kOe、25.51 kOe和35. 84 kOe。磁晶各向異性能Ku的增加，矯頑力增大。實驗得到FePt（001）（30 nm）薄膜在不同溫度進行熱處理后的磁滯回線[7]。熱處理溫度Ta = 500℃，磁化曲線近似呈方形，其主要原因是因為退磁場不一樣造成的。沿面內方向磁化，退磁因子N ≈ 0。而沿垂直方向磁化，N ≈ 1，= -NM。沿面內方向磁化，磁化曲線也有面積，可能原因是薄膜內還存在軟磁相造成的（兩相晶格常數有差異，使得膜內存在畸變）。Ta = 600℃，沿面內方向磁化曲線的面積明顯減少，這就說明殘存的A1相可能已經不多了。雖然垂直方向磁化曲線的矩形度更好，但是矯頑力卻降低了（只有不到1 kOe）。這主要是因為薄膜雖然在一些區域出現了孔洞，但整體是連通的。有序化轉變使得顆粒相互吸收或者合并，形成大片單晶，使得疇壁可以在很大范圍內比較自由地移動，所以盡管L10相更多，但矯頑力反而變小的原因。Ta=700℃[7]薄膜不連續和小片單晶的出現，從而造成矯頑力更小（0.47 kOe），與模擬結果相差較大。生長溫度為700℃用磁控濺射法在MgO（001）基片上生長FePt薄膜。20nm厚的FePt薄膜，矯頑力Hc =30 kOe；當膜厚增加為45nm時，矯頑力Hc = 25 kOe。表明膜厚為30nm時，矯頑力Hc =25～30 kOe[8]。微磁學模擬結果顯示，當Ku = 1.5×106 J/m3時，矯頑力大小在此范圍內。說明FePt（30 nm）薄膜的磁晶各向異性能Ku大約為1.5×106 J/m3。但是，由于薄膜實際的飽和磁化強度比理想的較小，所以Ta = 700℃的FePt（30 nm）薄膜實際磁晶各向異性能較小。

4 結論

生長溫度為700℃用磁控濺射法在MgO（001）基片上生長FePt薄膜。FePt（30 nm）薄膜的磁晶各向異性能Ku大約為1.5×106 J/m3。但是，由于薄膜實際的飽和磁化強度比理想的較小，所以Ta = 700℃的FePt（30 nm）薄膜實際磁晶各向異性能較小。

參考文獻：

[1]Sun S. Recent Advances in Chemical Synthesis，Self-Assembly，and Applications of FePt Nanoparticles. Adv Mater，2006，18：393-403

[2]Shevchenko E V，Talapin D V，Schnablegger H，et al. Study of nucleation and growth in the organometallic synthesis of magnetic alloy nanocrystals：the role of nucleation rate in size control of CoPt3 nanocrystals. J Am Chem Soc，2003，125：9090-9101

[3]Hou Y，Kondoh H，Ohta T. Size-controlled synthesis and magnetic studies of monodisperse FePd nanoparticles. J Nanosci Nanotech，2009，9：202-208

[4]Poudyal N，Liu J P. Advances in nanostructured permanent magnets research. J Phys D：Appl Phys，2013，46：043001

[5]Weller D，Moser A. Thermal effect limits in ultrahigh-density magnetic recording. IEEE Trans Magn，1999，35：4423-4439

[6]Srivastava S，Gajbhiye N.S. Exchange coupled L10-FePt /fcc-FePt nanomagnets；synthesis，characterization and magnetic properties. J Magn Magn Mater，2016，401：969-976

[7]Wei J，Du b，Li J Q，et al.Magnetic properties of L10-FePt（001）/A1-FePt bilayer exchange springs（in chinese）[J].Chin Sci Bull，2017，62：1611-1619[魏娟，杜斌，李佳芹，等. L10-FePt（001）/A1-FePt雙層交換彈簧的磁性.科學通報，2017，62：1611-1619]

[8]Li G Q，TaKahoshi H，Shima T，et al. Morphology and domain pattern of L10 ordered FePt films. J Appl Phys，2003，94：5672-5677