Σύνθεση και χαρακτηρισμός μαγνητικών μέσων εγγραφής νέας γενιάς

Abstract

CoPt and FePt ordered L10 (tetragonal FCT) phase alloys, in the form of thin films, have been extensively studied as candidates for ultra high-density magnetic recording media due to their high magnetocrystalline anisotropy (at least 20 times higher than that of the currently used CoPtCrX alloys). The purpose of the present PhD thesis was to contribute to the ongoing research, for the production of thin films which are based on CoPt or FePt and should be suitable for ultra high-density magnetic recording. In other studies, it has been found that by proper adjustment of the preparation conditions and the use of non-magnetic additives and/or underlayers, the desired properties of the produced films – such as perpendicular anisotropy, smaller grain size, reduction of the interaction between grains – can be enhanced. In the present thesis, the films were initially deposited by magnetron sputtering at ambient temperature with Ag or Cu as non-magnetic additives and then annealed at temperatures in the range 500oC – 600oC for annealing times in the range 5 min – 40 min, in order to produce CoPt or FePt based films with one or more of the desired characteristics. The produced and studied samples can be divided in three main categories. The first category includes post-annealed Ag/CoPt bilayers and multilayers, that were grown on Si(001) substrates. The measurements show that Ag underlayers can promote (001) texture and perpendicular magnetic anisotropy in the post-annealed Ag/CoPt bilayers. Films without Ag underlayers exhibit a (111) texture. Thin Ag underlayers (tAg≈1.2–1.8 nm) are found to promote a strong (001) texture for CoPt thickness up to 50 nm, which gradually evolves to (111) above 100 nm. A comparison of the evolvement of the coercivity Hc, the relative remnant magnetizartion Mr/Ms and the X-rays intensity ratios I001/I002 (measure of chemical ordering in CoPt) and I002/I111 (measure of crystallographic texture), as the thickness of the Ag or CoPt layer increases, suggests that there is correlation between L10 formation and development of (001) texture. The correlation is probably a result of the reduction of total strain during the annealing process, and the accompanied reduction of the lattice mismatch with the Ag underlayer. This correlation mechanism is consistent with the HIRBS measurements, which show a very strong tendency of Ag underlayer to remain near film-Si(001) interface during annealing, and the reported in bibliography tendency of Ag grown on Si(001) to adopt a (001) texture for tAg<2 nm. Comparison of crystallographic texture between post-annealed Ag/CoPt bilayers and multilayers, shows that in the case of post-annealed multilayers the (001) texture starts to degrade for lower total film thickness compared to the case of bilayers. This difference can be explained by the structural incoherence in the growth of the CoPt grains, imposed by the presence of intermediate spacer layers (which contain Ag) – as shown by the performed HIRBS measurements – during the annealing process of multilayers. The second category includes post-annealed Cu/CoPt bilayers, that were grown on Si(001) substrates. The measurements show that Cu underlayers can have as an effect the reduction of the annealing temperature that is required for the formation of the L10 phase of CoPt. The deposition of a thin Cu underlayer during sputtering (tCu≈1.2–2.4 nm) was found to promote a high degree of chemical ordering in CoPt for post-annealed CoPt films with CoPt thickness up to 50 nm. Comparison of Hc and Mr/Ms for various thicknesses of CoPt indicates that the transformation to the ordered L10 phase occurs more easily (lower activation energy) in samples with thicker CoPt layer, irrespectively of the amount of Cu underlayer. Also the magnetic and crystallographic measurements show that the Cu underlayer motivates the suppression of the activation energy (and therefore of the annealing temperature) for the formation of the L10 phase of CoPt, through the diffusion of Cu atoms into the CoPt film and subsequent formation of a ternary Cu-Co-Pt alloy. The grains in this alloy tend to adopt a random orientation. The third category includes post-annealed FePt monolayers, Cu/FePt bilayers and Ag/FePt bilayers grown on thermally oxidized Si (in short SiO). The addition of Cu underlayer during sputtering enhances coercivity Hc by about 10% for the post-annealed Cu/FePt bilayers, in comparison to the post-annealed monolayers. The relative remnant magnetization Mr/Ms is not affected significantly by the addition of Cu. The addition of Ag underlayer during sputtering enhances coercivity Hc by about 50% for the post-annealed Ag/FePt bilayers, if the thickness of the initial Ag layer is about 5% of the total film thickness, while for thicker initial Ag layer coercivity Hc is reduced. This behavior is in agreement with the hypothesis that – only for a small amount of Ag – the defused Ag atoms remain in regions between FePt grains, and therefore contribute in grain isolation and subsequently in coercivity Hc enhancement. Crystallographic texture is not significantly affected by Ag additive, in the case of SiO substrates.

Οι διατεταγμένες φάσεις L10 (τετραγωνικές FCT) των κραμάτων CoPt και FePt, στη μορφή λεπτών υμενίων, έχουν μελετηθεί εντατικά ως υποψήφιες για χρήση σε μέσα μαγνητικής εγγραφής υπερ-υψηλής πυκνότητας, λόγω της υψηλής μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας τους (τουλάχιστον 20 φορές μεγαλύτερη σε σχέση με τα κράματα CoPtCrX που εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται). Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η συνεισφορά στη συνεχιζόμενη έρευνα, για την παραγωγή υμενίων βασισμένων στο CoPt ή το FePt και με ιδιότητες κατάλληλες για μαγνητική εγγραφή. Σε άλλες μελέτες έχει βρεθεί ότι, με επιλογή των κατάλληλων συνθηκών παρασκευής και τη χρήση μη μαγνητικών πρόσθετων ή/και μη μαγνητικών ενδιάμεσων στρωμάτων, μπορούν να ενισχυθούν κάποιες επιθυμητές ιδιότητες – όπως η κάθετη μαγνητική ανισοτροπία, το μικρότερο μέγεθος των κόκκων, η μείωση της αλληλεπίδρασης μεταξύ κόκκων – των παραγόμενων υμενίων. Στην παρούσα διατριβή, αρχικά γινόταν εναπόθεση των υμενίων CoPt ή FePt σε θερμοκρασία περιβάλλοντος με τη μέθοδο της μαγνητικά υποβοηθούμενης καθοδικής ιοντοβολής και την προσθήκη Ag ή Cu ως μη μαγνητικών πρόσθετων. Ακολουθούσε η ανόπτησή τους σε θερμοκρασίες 500oC – 600oC και για χρόνους 5 min – 40 min, ώστε να προκύψουν υμένια με μία ή περισσότερες από τις επιθυμητές ιδιότητες. Τα δείγματα που παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν χωρίζονται σε τρεις κύριες κατηγορίες. Η πρώτη κατηγορία περιέχει τα ανοπτημένα διστρωματικά και πολυστρωματικά υμένια Ag/CoPt, που αναπτύχθηκαν πάνω σε υποστρώματα Si(001). Οι μετρήσεις δείχνουν ότι η εναπόθεση ενδιάμεσων στρωμάτων Ag (tAg≈1.2–1.8 nm) καθιστά προτιμητέο τον προσανατολισμό (001) των κυψελίδων FCT του L10-CoPt και ενισχύεται η κάθετη μαγνητική ανισοτροπία στα ανοπτημένα διστρωματικά υμένια Ag/CoPt για πάχος του CoPt έως και 50 nm. Για πάχος του CoPt πάνω από 100 nm ή για υμένια χωρίς προσθήκη Ag, ο προτιμητέος προσανατολισμός είναι ο (111). Σύγκριση της εξάρτησης του συνεκτικού πεδίου Hc, της σχετικής παραμένουσας μαγνήτισης Mr/Ms και των λόγων των εντάσεων των κορυφών ακτίνων-Χ I001/I002 (μέτρο του βαθμού διάταξης των ατόμων στο CoPt) και I002/I111 (μέτρο του προτιμητέου προσανατολισμού), από τα πάχη των αρχικών στρωμάτων Ag ή CoPt, δείχνει την ύπαρξη συσχέτισης μεταξύ του σχηματισμού της φάσης L10 του CoPt και του προσανατολισμού των κόκκων αυτής της φάσης. Αυτή η συσχέτιση ερμηνεύεται ως το αποτέλεσμα της μείωσης των πλεγματικών παραμορφώσεων κατά τη διάρκεια της ανόπτησης, και της συνακόλουθης μείωσης της απόκλισης από την πλεγματική σταθερά του ενδιάμεσου στρώματος Ag. Η ύπαρξη αυτού του μηχανισμού συσχέτισης υποστηρίζεται και από τις μετρήσεις HIRBS, που δείχνουν μια πολύ ισχυρή τάση του Ag να παραμένει στη διεπιφάνεια υμενίου-Si(001), αλλά και την αναφερόμενη στη βιλιογραφία τάση του Ag – που αναπτύσσεται πάνω σε Si(001) – να προσανατολίζει τα (001) πλεγματικά του επίπεδα παράλληλα προς το υπόστρωμα για tAg<2 nm. Σύγκριση μεταξύ ανοπτημένων διστρωματικών και πολυστρωματικών υμενίων Ag/CoPt δείχνει ότι, στη δεύτερη περίπτωση ο προτιμητέος προσανατολισμός (001) των κυψελίδων FCT του L10-CoPt αρχίζει να εξασθενεί αισθητά για μικρότερο συνολικό πάχος υμενίου. Αυτή η διαφορά μπορεί να εξηγηθεί με την ύπαρξη δομικών ασυνεχειών στην ανάπτηξη των κόκκων CoPt, που οφείλονται στην ύπαρξη ενδιάμεσων διαχωριστικών στρωμάτων (όπου περιέχεται και Ag) κατά την ανόπτηση των πολυστρωματικών υμενίων, όπως προκύπτει από τις μετρήσεις HIRBS. Η δεύτερη κατηγορία περιέχει τα ανοπτημένα διστρωματικά υμένια Cu/CoPt, που αναπτύχθηκαν πάνω σε υποστρώματα Si(001). Οι μετρήσεις δείχνουν ότι η εναπόθεση ενδιάμεσων στρωμάτων Cu μπορεί να έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση της θερμοκρασίας ανόπτησης, που είναι αναγκαία για το σχηματισμό της φάσης L10 του CoPt. Η προσθήκη ενός λεπτού ενδιάμεσου στρώματος Cu (tCu≈1.2–2.4 nm) κατά την εναπόθεση έχει ως αποτέλεσμα τη σημαντική αύξηση του βαθμού διάταξης των ατόμων στο CoPt μετά την ανόπτηση, για πάχος tCoPt του αρχικού στρώματος CoPt έως 50 nm. Η σύγκριση του συνεκτικού πεδίου Hc και της σχετικής παραμένουσας μαγνήτισης Mr/Ms για διάφορες τιμές του tCoPt δείχνει ότι, ο σχηματισμός της διατεταγμένης φάσης L10 είναι ευκολότερος (μικρότερη ενέργεια ενεργοποίησης) για παχύτερο αρχικό στρώμα CoPt, άσχετα με την ποσότητα του Cu. Επίσης οι μαγνητικές και κρυσταλλογραφικές μετρήσεις δείχνουν ότι, η ύπαρξη του Cu μειώνει την ενέργεια ενεργοποίησης (και άρα την αντίστοιχη θερμοκρασία ανόπτησης) για το σχηματισμό της φάσης L10 του CoPt, μέσω της διάχυσης ατόμων Cu μέσα στο CoPt και του σχηματισμού ενός τριαδικού κράματος Cu-Co-Pt. Οι κρυσταλλικοί κόκκοι σε αυτό το κράμα τείνουν να έχουν τυχαίους προσανατολισμούς. Η τρίτη κατηγορία περιέχει τα ανοπτημένα υμένια FePt, διστρωματικά υμένια Cu/FePt και διστρωματικά υμένια Ag/FePt, που αναπτύχθηκαν πάνω σε υποστρώματα θερμικά οξειδωμένου Si (για συντομία SiO). Η προσθήκη ενός λεπτού ενδιάμεσου στρώματος Cu κατά την εναπόθεση, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της τιμής του συνεκτικού πεδίου Hc κατά περίπου 10% για τα ανοπτημένα υμένια Cu/FePt, σε σύγκριση με τα ανοπτημένα υμένια FePt. Η σχετική παραμένουσα μαγνήτιση Mr/Ms δεν επιρεάζεται σημαντικά από την προσθήκη Cu. Η προσθήκη ενός λεπτού ενδιάμεσου στρώματος Ag κατά την εναπόθεση, έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της τιμής του συνεκτικού πεδίου Hc κατά 50% για τα ανοπτημένα υμένια Ag/FePt, αν το πάχος tAg είναι περίπου το 5% του συνολικού πάχους του υμενίου, ενώ για παχύτερο αρχικό ενδιάμεσο στρώμα Ag το Hc μειώνεται. Αυτή η συμπεριφορά είναι σε συμφωνία με την υπόθεση ότι – μόνο για μικρές ποσότητες Ag – τα άτομα Ag που διαχέονται με την ανόπτηση παραμένουν σε περιοχές μεταξύ των κόκκων FePt, και άρα συνεισφέρουν στην απομόνωση των κόκκων και την αύξηση του συνεκτικού πεδίου Hc. Σε αντίθεση με την περίπτωση των υποστρωμάτων Si(001), όταν χρησιμοποιούνται υποστρώματα SiO η προσθήκη Ag δεν προκαλεί σημαντικές αλλαγές στον προσανατολισμό των κόκκων FePt.