Temperaturabhängiges Wachstum und magnetische Charakterisierung von FePt-Dünnschichten für moderne Datenspeicheranwendungen

Dieser Inhalt stammt aus einer Einreichung für das Stanford Advanced Materials College Scholarship 2025 von Frank Efe.

Zusammenfassung

Künstliche Intelligenz (KI) verändert die moderne Technologie immer mehr und stellt hohe Anforderungen an die Datenverarbeitung und die Speicherkapazität. Die Verbesserung der Geschwindigkeit und Kapazität elektronischer Datenspeichersysteme, insbesondere von Festplattenlaufwerken (HDDs), ist unerlässlich, um diese Anforderungen zu erfüllen. Dünne Eisen-Platin-Filme (FePt) haben sich aufgrund ihrer außergewöhnlichen Eigenschaften wie hohe magnetische Anisotropie, starke Magnetisierung, große Koerzitivfeldstärke und hohe thermische und chemische Stabilität als vielversprechende Materialien erwiesen. Diese Eigenschaften machen FePt-Dünnschichten zu idealen Kandidaten für fortschrittliche Speichertechnologien, einschließlich der wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnung (Heat-Assisted Magnetic Recording, HAMR), die die Datendichte von Festplatten deutlich erhöhen soll. Obwohl FePt bereits ausgiebig erforscht wurde, gibt es immer noch eine bemerkenswerte Lücke im Verständnis des Mechanismus, der hinter dem doppelten magnetischen Schaltverhalten steht, das beobachtet wird, wenn diese Filme auf Siliziumsubstraten abgeschieden werden. Diese Forschungsarbeit untersucht die Synthese und Charakterisierung von FePt-Dünnschichten, die auf Glas-, Silizium- und oxidierten Siliziumsubstraten bei Raumtemperatur, 250 °C und 450 °C durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern aufgewachsen sind. Die Oberflächenmorphologie und die kristalline Struktur wurden mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) und der Röntgenbeugung (XRD) untersucht, während die magnetischen Eigenschaften mit Hilfe der Magnetkraftmikroskopie (MFM) und der Vibrationsprobenmagnetometrie (VSM) bewertet wurden. Die Untersuchung des Einflusses der Wachstumstemperatur auf die strukturellen und magnetischen Eigenschaften von FePt-Filmen liefert wertvolle Erkenntnisse für die Anpassung ihrer Leistung in Datenspeichersystemen der nächsten Generation und industriellen Anwendungen.

Einleitung

Filme ausNeodym-Legierungen wurden im Laufe der Jahre ausgiebig untersucht und in großem Umfang für Datenspeicheranwendungen eingesetzt (Emmelius et al., 1989; He et al., 2022). Da es sich jedoch um Seltene Erden handelt, sind sie teuer und entmagnetisieren sich leicht bei sehr hohen Temperaturen, und es gibt nur wenige Informationen über ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften für die Herstellung von Geräten (Baloni et al., 2023; Shkir et al., 2022; Yumnam et al., 2020). Ferromagnetische Eisenlegierungsfilme haben aufgrund ihrer gut definierten Struktur und ihrer faszinierenden magnetischen Eigenschaften den Einsatz von Speichermedien deutlich erhöht. In mehreren Studien wurden die faszinierenden Eigenschaften binärer Eisenlegierungs-Dünnschichten für Geräteanwendungen wie Spintronik, Dauermagnete und magnetische Aufzeichnungsmedien untersucht (Appel et al., 2019; Krupinski et al., 2019; Preller et al., 2020).

Unter den binären Eisenlegierungen weisen Eisen-Platin-Filme (FePt) außergewöhnliche magnetische Eigenschaften auf, wie z. B. eine hohe magnetische Anisotropie, Austauschkopplungsmerkmale, Doppelschaltphänomene, thermische und chemische Stabilität und vieles mehr. Diese Eigenschaften werden maßgeblich von den Wachstumsbedingungen wie Temperatur, Wachstumszeit und Gasflussrate beeinflusst. Daher ist die Wahl der richtigen Wachstumsbedingungen entscheidend für das Erreichen geeigneter magnetischer Eigenschaften von FePt-Dünnschichten (Suzuki et al., 2021). Um die Datenspeicherkapazität von Speichergeräten zu erhöhen, muss die Ausrichtung der Bits bei der magnetischen Aufzeichnung von der Längsausrichtung zur Senkrechtausrichtung geändert werden, wie dies bei der wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnung der Fall ist. Derzeit wird jedoch daran geforscht, eine hohe Textur und damit verbundene senkrechte magnetische Anisotropie in dünnen FePt-Filmen zu erzeugen (Liu et al., 2022; Shen et al., 2018; Yang et al., 2019).

Die Austauschvorspannungs-Kopplung zwischen den Hart- und Weichphasen von FePt-Dünnschichten entsteht durch die Interdiffusion des Transferkontakts an der Korngrenze und die magnetostatische Kopplung, die durch Streufelder in der Hartphase verursacht wird (Singh et al., 2018). Abhängig von den Wachstumsbedingungen können FePt-Filme zwei Phasen aufweisen: die kubische Phase und die geordnete _L10-Phase mit einer zufällig orientierten Kornstruktur. Im Gegensatz zu den körnigen _{L10-FePt-Filmen} nimmt die ferromagnetische Resonanz des Films bei hohen Temperaturen zu. Es hat sich gezeigt, dass eine thermische Behandlung die senkrechte magnetische Anisotropie von FePt-Filmen erhöht, was zu einer erhöhten Koerzitivfeldstärke und einer größeren Flächendichte für Datenspeicheranwendungen führt (Li & Wang, 2022; Liu et al., 2022). Darüber hinaus kann eine Erhöhung der Temperatur über eine bestimmte Temperatur hinaus zu einer unerwünschten Kornbildung aufgrund der Verklumpung von Nanopartikeln führen (Goyal et al., 2019). Darüber hinaus haben Vashisht et al. (2021) FeCo/FePt-Multischichten auf Si-Substraten abgeschieden und eine Zunahme der Kristallgröße der FePt-Körner nach dem Glühen sowie eine Bestätigung des magnetischen Verhaltens in der Weichphase festgestellt. Das von Domänenwänden dominierte Pinning ist für den Anstieg der Koerzitivfeldstärke in der Achse außerhalb der Ebene verantwortlich.

Probenvorbereitung und experimentelle Details

FePt-Dünnschichten wurden durch Gleichstrom-Magnetron-Sputtern auf 5 × 5 mm große Glassubstrate bei Substrattemperaturen von Raumtemperatur (23 °C), 250 °C und 450 °C abgeschieden. Die Glassubstrate wurden 90 Minuten lang bei 25 °C mit Ultraschall in Aceton gereinigt, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen, und anschließend an der Luft getrocknet. Vor der Abscheidung wurden die Substrate 5 Minuten lang bei 100 °C vorgeheizt, um die Haftung zu verbessern. Die Heizung wurde in der Sputterkammer montiert, die auf einen Basisdruck von 10-7 Torr evakuiert war. Die Abscheidung erfolgte bei einem Argondruck von 5 mTorr und einer Pistolenleistung von 50 W für 15 Minuten mit einem konstanten Abstand zwischen Target und Substrat von 40 cm. Nach jeder Abscheidung wurde das System auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Wachstumsparameter stimmten mit denen überein, die in ähnlichen Studien berichtet wurden (Alqhtany, 2017; Efe, 2023; Lisfi et al., 2017).

Ergebnisse und Erörterungen

Die Oberflächenmorphologie und -topographie der entmagnetisierten Filme wurde mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) analysiert, während die magnetischen Domänenstrukturen mit Hilfe der Magnetkraftmikroskopie (MFM) bewertet wurden. Mit Röntgenbeugung (XRD) wurden die kristallografische Struktur und die Phasenzusammensetzung untersucht, und mit Vibrationsprobenmagnetometrie (VSM) wurden die magnetischen Eigenschaften bei Feldern in der Ebene von -20 bis 20 kOe bewertet.

Die AFM-Untersuchung ergab, dass die Filme bei 23 °C eine Kornbündelung mit einigen Rissen und Hohlräumen aufwiesen, was auf eine schlechte Oberflächendiffusion schließen lässt. Bei 250 °C erschienen die Körner homogener verteilt und bildeten kugelförmige Strukturen ohne sichtbare Risse. Bei 450 °C wurde eine gleichmäßige, rissfreie Oberfläche mit einer durchschnittlichen Rauhigkeit von 10 nm erreicht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Erhöhung der Substrattemperatur die mikrostrukturelle Qualität von FePt-Filmen verbessert, was sie für Anwendungen in Bauelementen, insbesondere in der Magnetspeichertechnik, vielversprechend macht. Die beobachteten Tendenzen stimmen mit früheren Ergebnissen überein (Skok et al., 2022; Weisheit et al., 2004) Es wurde keine magnetische Kraft zwischen dem Film und der Spitze des Cantilevers festgestellt, wie in Abbildung 2a zu sehen ist. Dies ist auf die niedrige Abscheidungstemperatur von 23 ℃ zurückzuführen, die nicht ausreicht, um das magnetische Moment auszurichten. Infolgedessen weist der Film bei Raumtemperatur eine weiche Phase mit ungeordneter kubischer FCC-Phasenstruktur auf. Wenn die Temperatur auf 250 ℃ erhöht wurde, wurde eine Inselstruktur der magnetischen Domänen entdeckt, die zufällig außerhalb der Ebene orientiert sind, wie in Abbildung 2b dargestellt. Als die Substrattemperatur auf 450 ℃ anstieg, nahm der Kontrast der magnetischen Domänen im magnetischen Bild des Films zu, das aus einem Schwarz-Weiß-Kontrast besteht, der magnetische Strukturen mit starken positiven oder negativen Wechselwirkungen mit der Cantileverspitze darstellt (siehe Abbildung 2c). Es wurde festgestellt, dass diese Domänen typischerweise auf die Komponente der Magnetisierung außerhalb der Ebene zeigen.

Abbildung 1(a-c): AFM-Bild der synthetisierten FePt-Filme, das die Topographie der Körner bei
Substrattemperatur von (a) 23 ℃, (b) 250 ℃, auf (c) 450 ℃ erhöht.

Darüber hinaus spiegelt der bräunliche Teil der magnetischen Domäne schwache Domänen wider, die auf magnetische Elemente mit einer fast in der Ebene liegenden Magnetisierungsachse zurückzuführen sein könnten, die nur schwach mit der Cantilever-Spitze wechselwirken. Infolgedessen wird die gesamte Magnetisierungsstruktur des Films verändert. Dies ist auf die hohe senkrechte magnetische Anisotropie der abgeschiedenen Schicht zurückzuführen, bei der die Magnetisierungsrichtung innerhalb der Domänenwand nach oben und unten ausgerichtet ist. Die geordnete _{L10-flächenzentrierte} tetragonale (FCT) Struktur der gewachsenen Schichten könnte die signifikante senkrechte Anisotropie der Schichten bei höheren Substrattemperaturen erklären (Lisfi et al., 2017).

Abbildung 2 (a-c): MFM-Bild des synthetisierten FePt-Dünnfilms, das die magnetischen Domänen bei
(a) 23 ℃ (b) 250 ℃ (c) 450 ℃

Schlussfolgerung

FePt-Dünnschichten wurden erfolgreich auf einem Glassubstrat bei drei verschiedenen Temperaturen abgeschieden: Raumtemperatur, 250°C und 450°C. Eine höhere Abscheidungstemperatur führt zu einem verstärkten Kornwachstum ohne Hohlräume und Nadellöcher, wie mit dem AFM und dem SEM beobachtet wurde. Die Magnetkraftmikroskopie zeigte, dass die magnetischen Momente senkrecht zur Ebene des Films ausgerichtet sind. Mit zunehmender Substrattemperatur in dem geschlossenen System, das das Inertgas enthält, gehen die magnetischen Phasen des Weichphasen-fcc-FePt-Films, dessen Atome zufällig orientiert sind, in die Bildung eines geordneten L10-fct-FePt-Films auf dem Glassubstrat über.

Empfehlungen

Diese Studie konzentriert sich auf die Synthese und Charakterisierung von FePt-Dünnschichten, einer vielversprechenden
einer vielversprechenden Seltenmetalllegierung, die für industrielle Anwendungen im Bereich der magnetischen Datenspeicherung, insbesondere der wärmeunterstützten magnetischen Aufzeichnung (HAMR), maßgeschneidert ist. Durch Optimierung der Wachstumsbedingungen durch Variation der Substrat
Durch die Optimierung der Wachstumsbedingungen durch Variation der Substrattemperatur verbessern wir die strukturellen und magnetischen Eigenschaften des Films (in Arbeit),
wodurch sie sich für Speichergeräte mit hoher Dichte eignen. Die Arbeit steht im Einklang mit den aktuellen Entwicklungstrends
Entwicklungstrends bei der Nutzung seltener Metalle und entspricht der weltweiten Nachfrage nach langlebigen, leistungsstarken Materialien
in der Elektronik. Die Förderung von Technologien auf FePt-Basis unterstützt den strategischen Wandel hin zu effizienten,
miniaturisierte und energiesparende Geräte in der sich entwickelnden datengesteuerten Industrielandschaft.

Referenzen

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