Croissance en fonction de la température et caractérisation magnétique des couches minces de FePt pour les applications de stock

Ce contenu est issu d'une soumission de Frank Efe dans le cadre de la bourse Stanford Advanced Materials College Scholarship 2025.

Résumé

L'intelligence artificielle (IA) continue de remodeler la technologie moderne, imposant des exigences élevées aux capacités de traitement et de stockage des données. L'amélioration de la vitesse et de la capacité des systèmes de stockage de données électroniques, en particulier des disques durs, est essentielle pour répondre à ces demandes. Les couches minces de fer-platine (FePt) sont apparues comme des matériaux prometteurs en raison de leurs propriétés exceptionnelles, telles qu'une anisotropie magnétique élevée, une forte magnétisation, une grande coercivité et une grande stabilité thermique et chimique. Ces qualités font des couches minces de FePt des candidats idéaux pour les technologies de stockage avancées, notamment l'enregistrement magnétique assisté par la chaleur (HAMR), qui est conçu pour améliorer de manière significative la densité de données des disques durs. Bien que le FePt ait été largement étudié, il reste une lacune notable dans la compréhension du mécanisme à l'origine du comportement de double commutation magnétique observé lorsque ces films sont déposés sur des substrats en silicium. Cette recherche explore la synthèse et la caractérisation de films minces de FePt déposés sur des substrats de verre, de silicium et de silicium oxydé à température ambiante, à 250 °C et à 450 °C par pulvérisation cathodique magnétron à courant continu. La morphologie de la surface et la structure cristalline ont été examinées à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM) et de la diffraction des rayons X (XRD), tandis que les caractéristiques magnétiques ont été évaluées à l'aide de la microscopie à force magnétique (MFM) et de la magnétométrie à échantillon vibrant (VSM). L'étude de l'impact de la température de croissance sur les propriétés structurelles et magnétiques des films de FePt fournit des informations précieuses pour adapter leurs performances aux systèmes de stockage de données et aux applications industrielles de la prochaine génération.

Introduction

Lesfilms d'alliage denéodyme ont fait l'objet d'études approfondies et ont été largement utilisés pour des applications de stockage de données au fil des ans (Emmelius et al., 1989 ; He et al., 2022). Cependant, comme il s'agit d'éléments de terres rares, ils sont coûteux et se démagnétisent facilement à des températures très élevées, avec peu d'informations sur leurs propriétés électriques et magnétiques pour la fabrication de dispositifs (Baloni et al., 2023 ; Shkir et al., 2022 ; Yumnam et al., 2020). Les films d'alliage de fer ferromagnétique ont considérablement augmenté les applications de stockage de mémoire en raison de leur structure bien définie et de leurs propriétés magnétiques intrigantes. Plusieurs études ont examiné les caractéristiques fascinantes des films minces d'alliages de fer binaires pour des applications de dispositifs telles que la spintronique, les aimants permanents et les supports d'enregistrement magnétiques (Appel et al., 2019 ; Krupinski et al., 2019 ; Preller et al., 2020).

Parmi les alliages binaires de fer, les films de fer platine (FePt) présentent des propriétés magnétiques exceptionnelles telles qu'une anisotropie magnétique élevée, des caractéristiques de couplage d'échange, des phénomènes de double commutation, une stabilité thermique et chimique, et bien plus encore. Ces propriétés sont fortement influencées par les conditions de croissance, telles que la température, le temps de croissance et le débit de gaz. Par conséquent, il est essentiel de choisir les bonnes conditions de croissance pour obtenir les caractéristiques magnétiques appropriées des films minces de FePt (Suzuki et al., 2021). Pour améliorer la capacité de stockage des données des dispositifs de stockage de données à mémoire, l'alignement des bits de l'enregistrement magnétique doit passer d'un alignement longitudinal à un alignement perpendiculaire, comme on le voit dans l'enregistrement magnétique assisté par la chaleur. Cependant, des recherches sont actuellement menées pour obtenir une texture élevée et une anisotropie magnétique perpendiculaire associée dans les films minces de FePt (Liu et al., 2022 ; Shen et al., 2018 ; Yang et al., 2019).

Le couplage de biais d'échange entre les phases dures et molles des films minces de FePt provient de l'interdiffusion du contact de transfert à la limite des grains et du couplage magnétostatique causé par les champs parasites présents dans la phase dure (Singh et al., 2018). Selon les conditions de croissance, les films de FePt peuvent présenter deux phases : la phase cubique et la phase _L10 ordonnée avec une structure de grain orientée de manière aléatoire. Contrairement aux films de FePt _L10 granulaires, on observe une augmentation de la résonance ferromagnétique du film à haute température. Il a été démontré que le traitement thermique augmente l'anisotropie magnétique perpendiculaire des films de FePt, ce qui se traduit par une coercivité accrue et une densité surfacique améliorée pour les applications de stockage de données (Li & Wang, 2022 ; Liu et al., 2022). En outre, l'augmentation de la température au-delà d'une certaine température peut entraîner la formation de grains indésirables en raison de l'agglutination des nanoparticules (Goyal et al., 2019). En outre, Vashisht et al. (2021) ont co-déposé des films multicouches FeCo/FePt sur des substrats de Si, montrant une augmentation de la taille cristalline des grains de FePt après le recuit, ainsi qu'une confirmation du comportement magnétique en phase molle. L'épinglage dominé par les parois de domaine est responsable de l'augmentation de la coercivité dans l'axe hors plan.

Préparation des échantillons et détails expérimentaux

Des films minces de FePt ont été déposés par pulvérisation magnétron à courant continu sur des substrats en verre de 5 × 5 mm à des températures de substrat de 23 °C (température ambiante), 250 °C et 450 °C. Les substrats en verre ont été nettoyés aux ultrasons dans de l'acétone pendant 90 minutes à 25 °C pour éliminer les contaminants de surface, puis séchés à l'air. Avant le dépôt, les substrats ont été préchauffés à 100 °C pendant 5 minutes pour améliorer l'adhérence. Le chauffage a été monté dans la chambre de pulvérisation, qui a été évacuée à une pression de base de 10-7 Torr. Le dépôt a été effectué à une pression d'argon de 5 mTorr et à une puissance de 50 W pendant 15 minutes, avec une distance constante entre la cible et le substrat de 40 cm. Après chaque dépôt, le système a été refroidi à la température ambiante. Ces paramètres de croissance étaient conformes à ceux rapportés dans des études connexes (Alqhtany, 2017 ; Efe, 2023 ; Lisfi et al., 2017).

Résultats et discussions

La morphologie de surface et la topographie des films démagnétisés ont été analysées à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM), tandis que les structures des domaines magnétiques ont été évaluées à l'aide de la microscopie à force magnétique (MFM). La diffraction des rayons X (XRD) a été utilisée pour étudier la structure cristallographique et la composition des phases, et la magnétométrie à échantillon vibrant (VSM) a été utilisée pour évaluer les propriétés magnétiques sous des champs dans le plan allant de -20 à 20 kOe.

L'AFM a révélé qu'à 23 °C, les films présentaient un regroupement de grains avec quelques fissures et vides, ce qui suggère une faible diffusion en surface. À 250 °C, les grains semblent distribués de manière plus homogène, formant des sphères sans fissures visibles. À 450 °C, on a obtenu une surface uniforme, sans fissures, avec une rugosité moyenne de 10 nm. Ces résultats indiquent que l'augmentation de la température du substrat améliore la qualité microstructurale des films de FePt, ce qui les rend prometteurs pour les applications de dispositifs, en particulier dans les technologies de stockage magnétique. Les tendances observées s'alignent sur les résultats précédemment rapportés (Skok et al., 2022 ; Weisheit et al., 2004). Aucune force magnétique n'a été détectée entre le film et la pointe du cantilever, comme le montre la figure 2a. Cela est dû à la faible température de dépôt de 23 ℃, qui est insuffisante pour aligner le moment magnétique. Par conséquent, à température ambiante, le film présente une phase molle de propriétés de structure de phase FCC cubique désordonnée. Lorsque la température a été augmentée à 250 ℃, une structure en îlots des domaines magnétiques a été découverte, qui sont orientés de manière aléatoire hors du plan, comme illustré à la figure 2b. En outre, lorsque la température du substrat a augmenté jusqu'à 450 ℃, le contraste des domaines magnétiques a augmenté dans l'image magnétique du film, qui consiste en un contraste noir et blanc représentant des structures magnétiques avec de fortes interactions de réponse positive ou négative avec la pointe du cantilever, comme le montre la figure 2c. Il s'est avéré que ces domaines pointaient généralement vers la composante hors plan de l'aimantation.

Figure 1(a-c) : Image AFM des films de FePt synthétisés montrant la topographie des grains au fur et à mesure que la température du substrat augmente de (a) 23°C à (b) 23°C.
La température du substrat a augmenté de (a) 23 ℃, (b) 250 ℃, à (c) 450 ℃.

En outre, la partie brunâtre du domaine magnétique reflète des domaines faibles, qui pourraient être dus à des éléments magnétiques avec un axe facile d'aimantation presque dans le plan qui interagissent faiblement avec la pointe du cantilever. En conséquence, toute la structure de l'aimantation du film est modifiée. Ceci est dû à la forte anisotropie magnétique perpendiculaire du film déposé, où la direction de l'aimantation est alignée vers le haut et vers le bas à l'intérieur de la paroi du domaine. La structure ordonnée _L10 tétragonale à faces centrées (FCT) des films cultivés pourrait expliquer l'importante anisotropie perpendiculaire des films à des températures de substrat plus élevées (Lisfi et al., 2017).

Figure 2 (a-c) : Image MFM du film mince de FePt synthétisé montrant les domaines magnétiques à
(a) 23 ℃ (b) 250 ℃ (c) 450 ℃

Conclusion

Des films minces de FePt ont été déposés avec succès sur un substrat de verre à trois températures différentes : température ambiante, 250°C et 450°C. L'augmentation de la température de dépôt conduit à une augmentation de la croissance des grains sans vides ni trous d'épingle, comme observé par l'AFM et le SEM. La microscopie à force magnétique a montré que les moments magnétiques sont orientés perpendiculairement au plan du film. Au fur et à mesure que la température du substrat augmente dans le système fermé contenant le gaz inerte, les phases magnétiques du film fcc-FePt en phase molle, dont les atomes sont orientés de manière aléatoire, passent à la formation d'un film fct-FePt L10 ordonné sur le substrat en verre.

Recommandations

Cette étude se concentre sur la synthèse et la caractérisation de films minces de FePt, un alliage de métaux rares prometteur, adapté à l'industrie.
Cet alliage de métaux rares prometteur est conçu pour des applications industrielles dans le domaine du stockage de données magnétiques, en particulier l'enregistrement magnétique assisté par la chaleur (HAMR). En optimisant les conditions de croissance par la variation de la
En optimisant les conditions de croissance par la variation de la température du substrat, nous améliorons les propriétés structurelles et magnétiques du film (travail en cours),
les rendant appropriés pour les dispositifs de stockage à haute densité. Ces travaux s'inscrivent dans les tendances actuelles
développement actuel de l'utilisation des métaux rares, répondant ainsi à la demande mondiale de matériaux durables et performants pour l'électronique.
dans le domaine de l'électronique. L'avancement des technologies basées sur le FePt soutient le changement stratégique vers des technologies efficaces, miniaturisées et économes en énergie,
miniaturisés et économes en énergie dans le paysage industriel en constante évolution et axé sur les données.

Références

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