本發(fā)明涉及一種強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜，具體涉及一種垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜及其制備方法。

背景技術(shù)：

高磁晶各向異性材料具有機(jī)械能與電磁能相互轉(zhuǎn)化的功能。利用其能量轉(zhuǎn)換功能和磁的各種物理效應(yīng)，如磁共振效應(yīng)、磁力學(xué)效應(yīng)、磁化學(xué)效應(yīng)、磁生物效應(yīng)、磁電阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等，可將高磁晶各相異性材料做成各種形式的功能器件。這些功能器件已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)、通訊網(wǎng)絡(luò)、航空航天、交通、家電和信息記錄等高新技術(shù)領(lǐng)域的核心功能器件。

在信息存儲(chǔ)領(lǐng)域，提高垂直磁記錄介質(zhì)密度在于不斷縮小磁介質(zhì)中晶粒的粒徑。另一方面，縮小磁性晶粒的粒徑使記錄的磁化(信號(hào))的熱穩(wěn)定性下降。因此，要求使用具有更高結(jié)晶磁各向異性的材料作為記錄材質(zhì)。代表性的材料有l(wèi)10有序fept、copt、fepd、copd等合金。

除了含有貴金屬的材料，稀土-過渡金屬間化合物，如釤鈷合金，被認(rèn)為是潛在替代材料。但是釤鈷合金薄膜的易磁化方向通常為沿面內(nèi)方向。a.singhetal在growthofepitaxialsmco5filmsoncr/mgo(100)(appl.phys.lett.,87(2005)072505)中采用單晶mgo(100)基片實(shí)現(xiàn)了sm-co合金薄膜的面內(nèi)取向。但是這種面內(nèi)取向的薄膜不適合垂直磁記錄方式。

為了制備沿基片法相取向生長(zhǎng)的sm-co薄膜時(shí)，通常使用昂貴的al2o3(0001)單晶基片并且使用貴金屬ru作為緩沖層，采取外延生長(zhǎng)方法；但這種方法制備的薄膜矯頑力較低，只有1.35t的室溫矯頑力，最主要的是al2o3(0001)單晶基片成本很高。而采用金屬緩沖層，比如cu、pt(j.appl.phys.,100,053913(2006))、tiw合金(j.magn.magn.mater.,324(2012)3658)、ti(sayamaetal,thinfilmsofsmco5withveryhighperpendicularmagneticanisotropy,appl.phys.lett.85(2004)5640)、ta(j.s.chen,highlytexturedsmco5(001)thinfilmwithhighcoercivity,j.appl.phys.104(2009)093905)以及ni-w合金(l.n.zhangetal,astudyonmagneticpropertiesandstructureofsmco5thinfilmsonni–wunderlayers,j.magn.magn.mater.,322(2010)3737)等材料，所得sm-co基磁性薄膜或者矯頑力很低(室溫矯頑力不超過1t)，或者沿薄膜法向的矩形度差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜及其制備方法，具有體積小、垂直磁化方向、作為存儲(chǔ)單元的晶粒尺寸小、矯頑力大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，制備工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜，包括依次層疊的襯底、緩沖層、垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層和保護(hù)層，所述襯底為單晶、多晶或非晶基片，所述緩沖層材質(zhì)為具有六方晶體結(jié)構(gòu)的無機(jī)非金屬氮化物陶瓷，所述垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層為釤鈷薄膜、鋁鎳鈷薄膜、鉄鉑薄膜、鐵鈀薄膜、鈷鉑薄膜和/或鈷鈀薄膜，所述保護(hù)層為過渡金屬、氮化物膜體材料或氧化物膜體材料。

所述的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜，其中所述襯底材料為玻璃、石英、si、sio2、al2o3或mgo。

所述的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜，其中所述緩沖層材料為具有六方結(jié)構(gòu)的aln或摻雜m(m為ti、v、cr、mn、cu、zn、ga、nb、zr、hf、ta、w等過渡族金屬)的(al1-xmx)n，其中0≤x＜1。

所述的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜，其中所述保護(hù)層材料為ru、ti、cr、ta、mo、sio2或sinx。

所述的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜，其中所述緩沖層的厚度為1～100nm，所述垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層的厚度為10～500nm，所述保護(hù)層的厚度為1～50nm。

一種上述的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜的制備方法，包括如下步驟：

(1)將襯底清潔干燥；

(2)真空條件下采用磁控濺射、多弧離子鍍、脈沖激光沉積、電子束蒸發(fā)或原子層沉積的方式在襯底表面制備緩沖層；

(3)真空條件下采用磁控濺射、多弧離子鍍、脈沖激光沉積、電子束蒸發(fā)或原子層沉積的方式在所述緩沖層表面制備垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層，獲得顆粒、島狀、團(tuán)簇狀或連續(xù)膜的微觀形貌；

(4)真空條件下采用鍍膜技術(shù)在所述垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層表面制備保護(hù)層。

所述的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜的制備方法，其優(yōu)選方案為，所述步驟(3)中，背地真空度優(yōu)于1*10^-4pa，沉積時(shí)采用ar氣氛，沉積氣壓在0.1～100pa。

所述的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜的制備方法，其優(yōu)選方案為，所述步驟(4)中通過磁控濺射、多弧離子鍍、脈沖激光沉積、電子束蒸發(fā)或原子層沉積的方式制備保護(hù)層。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的非貴金屬基的氮化物緩沖層，能夠調(diào)控垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層的取向和磁性，獲得了具有顆粒、島狀、團(tuán)簇裝、連續(xù)膜等不同微觀形貌的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜，并獲得了室溫高達(dá)2.92t的矯頑力和優(yōu)良矩形度；解決了依賴于單晶al2o3基片才能實(shí)現(xiàn)垂直取向、優(yōu)異矩形度和高矯頑力等磁性指標(biāo)的問題。本發(fā)明將高磁晶各向異性薄膜的尺寸減至納米尺度，該多層膜結(jié)構(gòu)具有體積小、垂直磁化方向、作為存儲(chǔ)單元的晶粒尺寸小、矯頑力大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。此外，本發(fā)明采用的方法制備的介質(zhì)薄膜工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用領(lǐng)域更廣。

附圖說明

圖1為透射電鏡照片，其中圖1a為厚度50nm垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層的橫截面形貌照片；圖1b為厚度100nm垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層的橫截面形貌照片；圖1c中為圖1b中方框標(biāo)示的層錯(cuò)結(jié)構(gòu)放大圖；圖1d為厚度100nm垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層的橫截面內(nèi)形貌的明場(chǎng)像；圖1e為厚度100nm垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層的橫截面內(nèi)形貌的暗場(chǎng)像；

圖2為si基片/aln(10nm)/smco3.5cu0.5/ru(20nm)films的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜沿薄膜面內(nèi)(ip)和法相(oop)方向的磁滯回線及初始磁化曲線圖；其中：圖2a中smco3.5cu0.5層厚度為20nm；圖2b中smco3.5cu0.5層厚度為50nm；圖2c中smco3.5cu0.5層厚度為100nm；圖2d中smco3.5cu0.5層厚度為200nm。

具體實(shí)施方式

一種上述的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜的制備方法，包括如下步驟：(1)將熱氧化si基片清潔干燥；

(2)真空條件下在熱氧化si基片表面上采用射頻反應(yīng)濺射制備aln緩沖層，濺射腔內(nèi)氣氛為0.05～50pa的n2和0.05～50pa的ar混合氣氛，靶材為純度高于99.99％的al靶，溫度為100℃，aln緩沖層厚度為1～100nm；

(3)真空條件下采用磁控濺射方法在aln緩沖層表面制備垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層，垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)層成分為smco3.5cu0.5，氣氛為0.05～50pa的純度高于99.9％的ar氣，溫度為350℃，沉積時(shí)間依據(jù)沉積速度和所需磁膜厚度確定，沉積時(shí)間為1分鐘至60分鐘之間，厚度為10nm-500nm之間，結(jié)合磁膜厚度和沉積溫度獲得顆粒、島狀、團(tuán)簇狀或連續(xù)膜的微觀形貌；如圖1所示，在圖1a和圖1b中，給出的是厚度為50nm和100nm的薄膜的橫截面形貌照片，從晶粒中的明暗條形襯度可以看到高密度層錯(cuò)；圖1b中由白色方框標(biāo)示的放大的層錯(cuò)結(jié)構(gòu)在圖1c中展示；圖1b所示厚度為100nm的薄膜的面內(nèi)形貌的明場(chǎng)像和暗場(chǎng)像在圖1d和圖1e所示，可以看到典型的多晶形貌，暗場(chǎng)像顯示出易軸垂直取向；

(4)真空條件下采用多弧離子鍍?cè)谒龃怪比∠驈?qiáng)磁性介質(zhì)層表面制備ru保護(hù)層，其厚度為20nm。

上述制備的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜都具有c軸沿薄膜法相方向的取向排列微觀織構(gòu)，smco3.5cu0.5磁性層厚度為20nm、50nm、100nm和200nm的垂直取向強(qiáng)磁性介質(zhì)薄膜的磁滯回線如圖2a-d所示,在厚度≦100nm時(shí)，矯頑力在1.5t以上，其中在厚度為50nm時(shí)，性能最優(yōu)，獲得了2.92t的室溫最大矯頑力，并具有良好的矩形度。