薄膜刻蚀过程引入的结构缺陷及其调控对超高密度磁记录用FePt纳米颗粒阵列磁性的影响研究

本项目以获得用于存储密度大于1Tb/in^2的超高密度分立存储介质的FePt纳米颗粒阵列为目的，以薄膜刻蚀方法对FePt纳米颗粒的微结构与磁性的影响为核心展开研究。采用离子束刻蚀技术制备具有垂直磁各向异性的FePt纳米颗粒阵列。通过形貌观测，掌握离子束刻蚀纳米颗粒的制备工艺。通过结构测试，掌握刻蚀过程中各实验条件对颗粒微观晶体结构的影响及其随颗粒尺寸的变化规律。结合宏观与微观磁性测量，获得颗粒的磁各向异性、内部的磁矩分布和磁化过程，及其随刻蚀条件的变化规律。利用计算模拟技术，评价颗粒中刻蚀引入的结构缺陷的微磁学行为，并提出合理调节与控制结构缺陷的方法。最终在实验上获得性能可控的、高垂直磁各向异性、窄磁化翻转场分布的FePt纳米颗粒阵列，掌握刻蚀条件对纳米颗粒微结构与磁性的影响机制。该研究不仅可以获得超高密度的FePt基分立存储介质，同时也为研究刻蚀方法制备纳米磁体的性能提供了参考依据。

计算机、因特网、通讯等领域的飞速发展把我们推入了信息大爆炸时代，人们对海量信息的存储提出了越来越高的要求。作为目前最主要的信息存储产品的硬盘驱动器，其数据存储密度的不断提高成为广大科研工作者的追求目标。硬盘中用于记录数据的传统磁性薄膜介质，由于受到热稳定性、信噪比、可写性这三个因素的相互制约，被认为将很快达到其数据记录密度的上限（约1 Tb/in^2）。分立存储介质作为未来继续提高硬盘记录密度的可能模型之一，受到了越来越广泛的关注。分立存储介质是指每一个信息单元被存储在一个孤立的介质体积内。由于介质颗粒之间的相互作用可被忽略，因此颗粒可以具有10 nm以下的尺寸以及很小的间距。这使得介质的存储密度有望达到10 Tb/in^2。为了突破磁性纳米颗粒的超顺磁极限，保持足够高的热稳定性，具有超高单轴磁晶各向异性L10相的FePt合金成为制备分立存储介质的首选材料。本项目以获得用于超高密度分立存储介质的FePt纳米颗粒阵列为目的，通过薄膜刻蚀方法对FePt纳米颗粒的微结构与磁性的影响为核心展开了研究。. 我们利用磁控溅射，非外延生长了FePt薄膜。通过氧化物添加和快速热处理技术，有效降低了L10相的转变温度，并且极大地提高了晶粒c轴的垂直取向，从而得到了具有极高垂直磁各向异性的薄膜。利用离子束刻蚀技术将高质量薄膜制备成了最小直径在20 nm以下的FePt纳米颗粒阵列。通过形貌观测，评价了阵列中颗粒尺寸和间距的分布情况。通过磁性测量，发现颗粒阵列的垂直矫顽力随着颗粒尺寸的减小而增加，但是实验值距离理论预期值较远。同时发现，最小尺寸的纳米颗粒的磁性能提高有限。对颗粒阵列进行热处理后，所有样品的磁性能均得到了不同程度的提高。这说明离子束刻蚀过程在纳米颗粒中引入了结构缺陷。微结构的测试结果表明，纳米颗粒可分为两类：完好的L10相颗粒和具有c轴混乱取向或晶界的颗粒。通过微磁学模拟，揭示了在纳米颗粒的圆周应存在一层因离子束刻蚀而引入的软磁相缺陷层，且缺陷层的厚度在3 nm左右。这是首次通过间接的方法证明了软磁缺陷层的存在。对该缺陷层及相应颗粒的磁性能与刻蚀参数的关系进行了讨论。我们的研究也为刻蚀方法制备纳米磁体的性能提供了参考依据。