基于原子层沉积技术的超高密度FePt/CoPt纳米有序阵列的制备与磁性能调控

The large-scale ordered L10 FePt nano-arrays with high magnetocrystalline anisotropy have been regarded as an attractive approach to circumvent the superparamagnetism problem in high density data storages. However, in order to obtain ferromagnetic FePt arrays, the high temperature heat-treatment is necessary, which may cause FePt aggregation and sintering, and decrease the particle positional order. This work will focus on the fabrication and magnetic properties of ultra-high density FePt ordered nano-arrays by means of novel atomic layer deposition (ALD) processing and mechanism. One hand, the crystallographic orientation controls and magnetic property tuning are realized by the combination of ALD-capping layer and self-assembled FePt nanoparticles under in-situ applied magnetic field. On the other hand, it is explored to achieve large area patterned chemically ordered FePt nano-arrays by means of the synergic role of nanoimprint lithography and ALD. The experimental and theoretical results will reveal the relationship between microstructure and magnetic properties and provide the scientific fundamentals for artificial design and tuning of magnetic FePt/CoPt nano-arrays. One competitive and potential project on ALD technique applications in patterned recording media will be proposed, including the key materials system and fabrication processing. In conclusion, this work is of importance and significance to develop the ultrahigh areal density (>1Tbit/inch2) patterned magnetic storage devices with China intellectual property rights.

制备L10结构的FePt纳米颗粒大尺度有序点阵,一直以来都被视为进一步突破高密度数据存储超顺磁瓶颈的理想方法。然而FePt纳米颗粒形成铁磁有序点阵过程中，高温退火导致颗粒团聚、有序点阵结构破坏的问题，成了急需跨越的障碍。本课题将利用创新的工艺技术和原理，一方面将原子层沉积技术（ALD）与FePt纳米颗粒的自组装相结合，原位施加外磁场来实现对FePt纳米颗粒有序薄膜的取向控制和磁性能调控，另一方面，将纳米压印与ALD技术相结合，探索ALD在制备大尺度有序FePt/CoPt磁纳米点阵列的可行性。从理论和实验上揭示微观结构与磁性能之间的内在联系，为人工设计调控磁性金属纳米结构的性能提供科学依据，为ALD在图案型磁存储介质上的应用，提供提供一种富有竞争力的方案，包括关键材料体系和制备技术上的支持。该课题的实施，对发展我国具有自主知识产权的超高密度（>1Tbit每平方英寸）磁存储器件，具有重要意义。

制备L10结构的FePt纳米颗粒大尺度有序点阵,一直以来都被视为进一步突破高密度数据存储超顺磁瓶颈的理想方法。然而FePt纳米颗粒形成铁磁有序点阵过程中，高温退火导致颗粒团聚、有序点阵结构破坏的问题，成了急需跨越的障碍。本课题利用创新的工艺技术和原理，一方面将原子层沉积技术（ALD）与FePt纳米颗粒的自组装相结合，发展了一种基于超高密度磁存储应用的FePt/Al2O3纳米复合薄膜的制备方法，发现原子层沉积的无机非磁Al2O3保护层，能有效地防止FePt纳米颗粒在后续高温退火中的团聚现象，获得具有铁磁L10相、分散性好、矫顽力高的FePt/Al2O3纳米复合薄膜。其磁记录最大面密度可达11.4Tbit/inch2，磁矫顽力Hc达到5.9 kOe，热稳定因子KuV/KBT为68.5，满足工业化≥ 50要求。研究了原位施加磁场对FePt纳米颗粒薄膜的结构、有序度与磁性能的影响。另一方面，将光刻工艺、FIB刻蚀与ALD技术相结合，探索ALD在制备大尺度有序FePt/CoPt磁纳米点阵列的可行性。将ALD沉积CoPtx纳米晶应用在高密度纳米晶阻变存储器中，非挥发存储器件的阻变性能显著改善，操作电压低（~1V），工艺参数稳定、可重复，且具有优异的抗疲劳特性（>10∧4循环）和数据保持性能（>10∧5秒），提出了器件性能改善的机理，归因于CoPt纳米晶所在的Al2O3阻变薄膜位置处形成了较强的局域电场，控制了导电细丝的形成位置和生长方向，使得器件电学性能参数分布趋向集中。该纳米复合结构，有望实现高密度多态电磁存储功能。另外还研究了成分可调的Co-Pt双金属纳米颗粒及其电催化析氢活性，当合金催化剂中Co的含量在20-60%时，材料展现出了最优异的HER催化性能，优于纯的金属Pt。Co的加入可降低贵金属Pt的负载量，为获取更廉价的氢能提供了一条可行的途径。最后对FePt-非磁氧化物磁性复合薄膜的溶胶-凝胶制备与磁性能也进行了系统表征，成功制备了FePt-SiO2（TiO2、MgO、Al2O3）纳米复合体系。发现无机介质的基体，可有效防止高温退火后FePt颗粒的团聚，获得较高的矫顽场强。本项目已经发表SCI论文25篇，出版与项目相关的学术专著章节2部，申请中国发明专利1项，获得中国发明专利1项。