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由于超顺磁效应,基于传统CoCrPt介质的垂直磁记录,很快就要接近它500Gb/in2的理论存储极限。L10相FePt合金材料,拥有超高的磁晶各向异性常数(Ku=6.6~10×107erg/cm3),颗粒的超顺磁临界尺寸在3 nm左右,比传统CoCrPtX合金10 nm的临界尺寸小3倍以上。因此,在进一步提高存储面密度到Tb/in2量级方面,FePt合金被寄予厚望。此外,人们还提出了一些全新的存储技术,期望获得更高的面密度,在这些技术中以晶格介质技术(BPM)和热辅助磁存储技术(HAMR)最为突出。据理论估算,应用FePt介质并结合上述两种新技术,最终可获得几十Tb/in2的磁记录密度。不过,若要FePt合金应用于BPM和HAMR技术中,则需要满足以下诸多条件:①在光滑基板上制备几纳米大小、单分散性良好、位置有序可控的FePt颗粒阵列;②颗粒中原子高度化学有序(即L10相),表现为超高的磁晶各向异性;③相转变温度足够低,以保证退火时不会发生颗粒的团聚和长大;④易磁化轴(c轴)取向均匀并垂直于基片膜面。为了实现基于FePt介质的超高密度磁存储,有关FePt纳米颗粒的研究正如火如荼,不过上述各项要求难以同时实现。基于此,本论文提出利用反胶束法制备FePt纳米颗粒,围绕如何提高FePt纳米颗粒的性能,特别是实现c轴垂直取向和降低有序化温度方面展开研究,期望获得适合超高密度磁存储用的FePt合金介质,取得的创新性结果如下:
Ⅰ.利用PS-PVP反胶束法制备准六角有序、单分散性的FePt纳米颗粒阵列,研究了衬底、有机溶剂、金属盐、涂覆方式、刻蚀条件等因素对胶束阵列形貌的影响,结果表明PS-PVP反胶束法在制备金属纳米颗粒阵列方面具有很强的通用性。此外,通过改变共聚物链长、金属盐负载比例以及浸涂的提拉速度,大范围调节了颗粒的大小和间距,显示出PS-PVP反胶束法在制备有序纳米颗粒阵列方面的灵活性。
Ⅱ.在高温退火之前,于FePt纳米颗粒阵列上沉积了一层非磁性SiO2基质,然后研究了退火前后FePt纳米颗粒复合溥膜的形貌特征、微结构信息以及磁学性质。结果发现,SiO2基质的引入不仅避免了FePt纳米颗粒在空气中的氧化,而且解决了退火过程中颗粒长大及颗粒间磁交换耦合作用问题。此外,鉴于FePt合金在大磁能积永磁材料方面的应用前景,我们还专门研究了FePt/Fe3Pt纳米颗粒的软/硬磁交换耦合作用,发现二者的摩尔比例为1.0:0.8时,交换耦合作用最强。
Ⅲ.研究了元素掺杂、退火温度及时间等因素对FePt纳米颗粒有序化过程的影响,发现700℃退火1小时后,颗粒基本上转变为L10相结构。通过在FePt纳米颗粒中引入了适量的Au或Ag元素,成功地将颗粒的有序化温度降低100℃。此外,还研究了FePt纳米颗粒中原子组分比对其磁学性质的影响,发现实验组分与名义组分有所不同,进而分析组分偏移的原因。
Ⅳ.尝试了几种诱导FePt纳米颗粒取向生长的方法,如引入热应力诱导c轴平行或垂直取向,生长Fe/Pt双层结构促进原子c轴方向扩散,以及通过引入合适的晶格匹配缓冲层获得垂直取向等。其中,通过引入40 nm厚的Au(002)缓冲层,FePt纳米颗粒可获得较高的磁垂直各向异性,其外外矫顽力和剩磁比分别为3.1 kOe和0.8,均远高于面内的相应数值,为实现FePt纳米颗粒的易磁化轴垂直取向提供了一个很好的思路。
总之,我们用反胶束法制备了单分散性良好、准六角有序的FePt纳米颗粒阵列,实现了对颗粒大小和间距的大范围调控,解决了退火过程中颗粒的长大及颗粒问磁交换耦合作用问题,降低了颗粒的有序化温度,并诱导了颗粒的垂直取向生长。这些结果,为进一步实现基于FePt纳米颗粒的超高密度磁存储,奠定了坚实的基础。