1. 引言
当代信息社会，计算机得到了广泛应用。作为核心数据存储部件的硬盘，目前的主流技术是采取磁性材料作为其存储媒质[1] 。从上世纪五十年代开始，在过去的半个多世纪中，硬盘磁存储技术得到迅猛发展，存储密度大幅度提高，存储模式也从传统的平行存储更新为垂直存储 [2] 。存储模式的更新换代迫使磁存储媒质跟着改进、努力提升工作性能。目前，硬盘磁存储媒质材料通用为CoCrPt合金薄膜 [3] 。但是，随着硬盘存储密度的进一步提高、单个记录单元的尺寸进一步降低，Co系合金将逼近其超顺磁极限 [1] 、失去磁性，从而无法再存储信息。由此，硬盘工业的研发人员必须开发新型高矫顽力的磁存储材料。
迄今为止，科研人员调研了很多种新型磁性材料，其中L10相的FePt合金因其在室温下具有极高的磁晶各向异性能(Ku最高为7.0 × 106 J/m3)和矫顽力(最高HC可达100 kOe)，并且在晶粒尺寸小到3 nm的时候仍能保持优良的磁性和热稳定性 [4] - [6] ，由此成为超高密度磁存储介质的最佳候选材料。但是，符合高密度磁存储要求的FePt合金薄膜的生长工艺条件比CoCrPt苛刻太多，成本更高，在将FePt作为磁存储媒质应用于电脑硬盘领域、实现产业化之前，还必须进一步降低其颗粒大小。前人研究表明，掺入碳、氧化镁和二氧化硅这些非磁性材料将有助于分隔FePt材料、减小它的颗粒尺寸 [7] - [10] 。但是，他们工作的不足是FePt薄膜的磁学性能不好，尚需进一步改进。
本文将采用磁控溅射方法制备FePt合金薄膜，利用MgO籽层来引发FePt薄膜中的fct织构，在FePt生长过程中掺入氧化硅来降低其颗粒尺寸，这是因为氧化硅在CoCrPt薄膜中有较好的分隔材料表现 [3] 。通过XRD、SQUID和TEM的表征，来探讨掺氧化硅对FePt薄膜的磁性和颗粒形貌的影响。结果表明MgO籽层能够提升FePt薄膜的磁学性能，掺氧化硅可有效降低FePt薄膜的颗粒大小。
2. 实验材料与方法
2.1. 薄膜制备
实验中，将一片0.5 mm厚的多晶硅片用丙酮溶液超声清洗干净，置入磁控溅射仪的腔体中，真空度达2 × 10−6 Pa。利用磁控溅射法在硅片上沉积MgO籽层和FePt-SiO2膜层。第一步，生长MgO籽层：把硅基片加热到100℃，然后在MgO靶上加上交流电源，通入0.2 Pa的氩气流，薄膜的生长速率为2 nm/min，溅射6 min，生长厚度为12 nm。第二步，生长FePt-SiO2膜层：在MgO籽层的基础上，把硅基片加温到500℃，利用Fe、Pt和SiO2靶(纯度高于99.99%)把Fe、Pt和SiO2三种物质同时溅射到硅基片上，氩气流也是0.2 Pa，在三个靶上调控不同的功率，使得Fe和Pt的配比为1:1 (原子比)，而SiO2的体积比为40%，整个FePt-SiO2膜层的生长速率为1.5 nm/min，溅射时间为5分钟，获得7.5 nm厚的纳米尺度薄膜。图1为该样品的膜层结构示意图。薄膜溅射完毕，让样品在真空腔中冷却到150℃以下，冷却过程中保持高真空避免薄膜被氧化。然后，打开真空腔，取出样品，做下一步表征工作。
2.2. 薄膜表征
本实验中，利用X射线衍射仪(XRD，Bruker AXS D8 Advance，Cu Kα射线)表征FePt纳米薄膜的相结构，利用超导量子干涉仪(SQUID MPMS XL, Quantum Design)来测量薄膜的磁滞(M-H)曲线，利用透射电子显微镜(TEM, Technai 30)来表征样品的微观形貌。
3. 结果与讨论
图2给出FePt-SiO2纳米薄膜的XRD谱图。FePt和MgO峰已经在图中标志出。显而易见，MgO (200)峰(2θ = 42˚)来自MgO籽层，其主要功能是引发L10-相FePt织构；标志fct结构的FePt (001)峰(23˚)和(002)峰(49.1˚)非常尖锐，而标志fcc结构的FePt (200)峰(47˚)比较弱，几乎被(002)峰掩盖住，进一步发现标志各项同性的FePt (111)峰(41˚位置)几乎没有出现。FePt薄膜的L10相有序度可通过FePt (001)和(002)峰的强度比值来体现 [4] ，经计算得出该薄膜有序度S = 0.91，非常接近“1”。XRD实验结果显示该FePt-SiO2纳米薄膜具有很强的L10相结构和优良的各向异性能力。
FePt纳米薄膜的优良磁学性能还可以通过它的磁滞曲线来体现。本工作所用SQUID的最大磁场范围为±55 kOe，测量精度可高达10−9 emu。图3显示了FePt-SiO2纳米薄膜的垂直和平行磁滞曲线图。从图中可以看出，垂直M-H曲线的方形度很好(表明剩余磁化强度Mr几乎与饱和磁化强度MS相等，均为800 emu/cc)，垂直矫顽力Hc = 21 kOe，要高于现行的电脑硬盘磁存储媒质CoCrPt合金薄膜(5 kOe) [3] 。此外，薄膜的平行M-H曲线表明其M和H大致遵守线性关系，平行矫顽力Hc = 4 kOe，这样的性质将增强其磁存储性能 [1] 。从M-H曲线中还可以计算出该磁性材料的各向异性能Ku = 3.8 × 106 J/m3，远大于现行CoCrPt合金薄膜(6.0 × 105 J/m3)，并且比较接近FePt合金薄膜的理论值(7.0 × 106 J/m3) [3] [8] 。这些参数表明该薄膜的磁学性能优良，有助于将来应用作硬盘存储媒质。
为了研究该样品的微观形貌，采用了高分辨率TEM来观察FePt薄膜。图4给出了FePt-SiO2薄膜的透射电镜图(放大倍数为10万)。图中显示，掺入SiO2后，与不掺SiO2相比，FePt薄膜很好的被分割成小颗粒 [9] 。进一步测量这些颗粒的直径大小，我们得出该FePt-SiO2纳米薄膜的平均尺寸为8.8 ± 1.3 nm，显示出优良的均匀性。之后，我们利用TEM的超高分辨率模式(放大100万倍)来观察单个颗粒的内部结构，如果图5显示。颗粒内部显示出清晰的fct晶格结构，表明该FePt纳米颗粒薄膜的L10相取向优良。
Figure 1. Film structure of FePt-SiO2/MgO/Si (unit: nm)
图1. FePt-SiO2/MgO/Si的膜层结构图(单位：nm)
Figure 2. XRD patterns of FePt-SiO2 granular film
图2. FePt-SiO2薄膜的XRD谱图
Figure 3. MH loops of FePt-SiO2 granular film
图3. FePt-SiO2薄膜的磁滞曲线图
Figure 4. TEM image of FePt-SiO2 granular film, displaying its microstructure, with average grain size of 8.8 nm
图4. FePt-SiO2薄膜的TEM电镜图，显示其微观结构，颗粒平均尺寸为8.8 nm
Figure 5. High resolution TEM image of FePt-SiO2 film, displaying its fct structure in nanosize
图5. FePt-SiO2薄膜的高分辨TEM图，显示其纳米尺寸的fct结构
4. 结论
利用磁控溅射法在热氧化硅基片上成功制成了FePt-SiO2纳米颗粒薄膜(以MgO作为籽层)，并利用XRD、SQUID和TEM分别表征其织构、磁性和微观形貌。结果表明，掺SiO2后的FePt薄膜颗粒的尺寸明显降低，并达到8.8 ± 1.3 nm。一层12 nm厚的MgO籽层有助于帮助FePt薄膜形成L10相织构，获得优秀的磁学性能(垂直矫顽力高达21 kOe，M-H曲线的方形度很好；各向异性能高达3.8 × 106 J/m3)。这些性能远远优于现在使用的硬盘磁存储媒质CoCrPt合金薄膜。由此证明FePt纳米颗粒薄膜是一种优异的磁存储材料，在下一代电脑硬盘产品中将有光明的应用前景。
基金项目
浙江省大学生科技创新活动计划(暨“新苗人才计划”)，代号2015R430010。
*通讯作者。