华中科技大学 博士学位论文 FePt基光磁混合记录介质研究 姓名：董凯锋 申请学位级别：博士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：杨晓非 20090530 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 I 摘 要 光磁混合存储技术可以突破铁磁材料超顺磁极限的限制，极大地提高硬盘记录密 度。它利用铁磁材料矫顽力的温度特性，采用激光辅助热磁写入，信号读出则采用高 灵敏度的巨磁阻磁头检测磁通方式来进行。实现光磁混合存储的关键之一是光磁混合 记录介质的研究和开发， 本文围绕 FePt 基光磁混合记录介质的研究和制备， 完成的主 要研究工作包括： 针对光磁混合记录的特点和要求，采用射频磁控溅射方法制备出了不同系列的 FePt 薄膜，制备的薄膜通过真空退火热处理后形成了 L10有序结构，测量并分析了溅 射态和经不同条件退火处理后薄膜的物性及微观结构特性，主要包括：不同膜层厚度 以及 Ag 底层对 FePt 单层薄膜垂直取向的影响； 不同退火冷却速率和不同退火时间对 FePt 薄膜磁性能的影响；不同膜层结构的Fe/Ptn和FePt/Ag10多层膜磁性能研究； Ni 掺杂对 FePt 磁性能和居里温度的影响。 测试结果表明： 制备的 FePt 单层和 Ag/FePt 双层薄膜具有良好的垂直取向；退火过程中的冷却速度能够显著影响剩磁矩形比； Fe/Pt 多层膜能有效降低 FePt 薄膜的有序化温度； 采用 Ni 掺杂的方法能有效降低 FePt 薄膜的居里温度。 采用微磁学方法，模拟了 FePt 薄膜的磁化翻转过程，描述了磁化翻转过程中不 同时刻的磁矩分布情况，研究了薄膜垂直矫顽力随角度 的变化关系（ 为易磁化轴 和外场之间的夹角） ，以及矫顽力随粒径变化关系；模拟了FePt/X10（其中 X 为非磁 性材料）多层膜中 X 层厚度的变化对多层膜矫顽力的影响；在此基础上，研究了粒径 对过渡区噪声参数的影响，所研究的过渡区噪声参数包括过渡区宽度、垂直于记录轨 道方向关联长度和位置偏移参数。模拟结果表明：FePt 单层薄膜的磁化翻转符合 SW 模型；随着晶粒尺寸的增大，薄膜矫顽力逐渐降低，过渡区噪声逐渐增大。 关键词关键词：光磁混合存储；垂直磁化记录介质；FePt 基薄膜；微磁学 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 II Abstract Optical-magnetic hybrid recording is a novel kind of super-high density information storage method that can break through the super-paramagnetic limit and further increase the recording density as well as the writing and reading data rates of hard disk drives (HDD). It takes advantages from MO and magnetic recording methods. The message writing is by laser-assisted thermal magnetic recording and message reading is by magnetic flux detection with high sensitive GMR sensors. The study about optical-magnetic hybrid recording media is one of the key technologies for its application. In this dissertation, there are mostly tow parts studying on the FePt perpendicular recording media for hybrid recording surround the recording media and recording model. Experimentally, a series of FePt thin films were deposited by RF magnetron sputtering，and the L10-FePt films were obtained after the as-deposited samples were subjected to vacuum annealing. The physical properties and microstructure of both as-deposited and annealed thin films were measured. The experiment part includes the study on the perpendicular orientation of FePt single layer films and the Ag/FePt films; the research on the magnetic properties of the Fe/Ptn and FePt/Ag10 multilayer films with different structure; the effect of the different cooling rate and different annealed time on the magentic of FePt films and the effect of Ni doping on the magnetic and the Curie temperature of FePt films. The results shows that: the perpendicular orientation FePt single layer films and the Ag/FePt films have been successfully fabricated; the remanence squareness Mr/Ms of the film with the nature cooling process is bigger than that with the fast cooling process; the Fe/Pt multilayer structure can effectively reduce the ordering temperature of FePt film; Ni doping can effectively reduce the Curie temperature of FePt. Theoretically, Using micromagnetic to simulate the magnetization reversal mechanism in FePt films, and describe the distribution of magnetic moments at different steps during the magnetization reversal, and study the angular dependence of coercivity and the effect of grain size on the coercivity; Simultaneously, This part investigates the effect of grain size on the transition noise performance including transition length Cross Track Correlation 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 III Length and Position Jitter. The simulation results shows that: the micromagnetic simulation angular dependence of coercivity reveals a Stoner-Wohlfarth mode. As the grain size increases, the coercivity gradually reduces and the transition noise increases. Keywords: optical-magnetic hybrid recording; perpendicular magnetic recording media; FePt series thin films; micromagetics 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本 声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密 ，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 引言引言 磁记录从诞生到现在已经走过了100多年的历程1，100多年中，硬盘的存储密度 从当初的200 bits/in2发展到目前的600Gbits/in2以上，提高了近3亿倍。随着存储密度的 进一步提高，要求记录介质中磁性颗粒尺寸进一步减小，晶粒尺寸小到一定程度时热 扰动的影响就会非常显著，从而导致记录信息比特位中小晶粒的磁化方向发生翻转， 记录信息丢失，也就是产生所谓的“超顺磁性（Superparamagnetic limit）”效应。一 般情况下，晶粒所拥有的磁能定义为：KuV，也就是磁晶各向异性常数和磁晶粒体积 的乘积；而晶粒受到了热能定义为：kBT，也就是玻耳兹曼常数与温度的乘积。磁性 颗粒必须拥有足够的磁能才能抗拒颗粒所受到的热能的干扰。从上面的定义可知，当 磁晶粒很小，温度足够高，以至于磁能低于热能时，热能的扰动将使磁性颗粒的极性 从有序变成无序，导致硬盘记录信息的丢失，另外存储在这种介质上的信息还会随着 时间的推移而衰减甚至消失。为了使信号记录保存时间至少达到10年（硬盘的设计标 准），通常要求KuV/kBT602（Ku为材料的磁晶各向异性常数，V为单个磁晶粒的体 积，kB为玻尔兹曼常数，T为环境温度） 。 图 1.1 是超高密度磁记录对介质的几点要求。从图中可以看到，为实现超高密度 磁