利用界面磁耦合作用调控FePt基垂直记录材料的实用性能

This project is a foundational researches which aim to solve the pragmatic properties of hard disk drives with ultrahigh density or magnetic encoder with high resolution, and to develop novel and pragmatic FePt based magnetic recording materials. The scientific problems should be solved are: (1) Realizing the manipulations on the pragmatic properties of FePt/Au perpendicular composite films; (2) exploring mechanism of interfacial manipulation by characterizing FePt based perpendicular recording materials on a nano scale. In this project, interfacial magnetic couplings (due to anti-ferromagnetic materials or soft magnetic materials) and microstructural modifications of doped surfactants or crystal-matched atoms are supposed to be introduced to comprehensively tune the pragmatic properties (thermal stability and coercivity). Meanwhile, HRTEM, angled resolved XPS, and micromagnetic simulation are supposed to characterize the interfacial microstructure and magnetic structure of the films, and to explore the mechanism of interfacial manipulation.

本项目是针对超高密度磁硬盘或高精度磁编码器领域中的实用性关键问题、开发新型实用的FePt基磁记录材料所提出的一项应用基础研究。解决主要科学性问题：（1）通过材料的综合设计和界面控制，实现对FePt/Au垂直复合薄膜的实用性能（热稳定性和矫顽力）的调控；（2）在纳米尺度上表征FePt基垂直磁记录材料的界面微结构和磁结构，并弄清界面调控的作用机理。本项目拟在FePt/Au多层膜中引入反铁磁材料或软磁材料对其的界面磁耦合作用；同时，利用掺杂表面活性原子或晶格匹配原子对其界面微结构的改善作用，从而综合调控薄膜的实用性能（热稳定性和矫顽场）。此外，综合使用高分辨电子显微镜、角分辨X射线光电子能谱技术以及微磁模拟的方法表征上述薄膜的界面微结构和磁结构，以阐述上述界面调控的作用机理。

本项目是针对超高密度磁存储硬盘或高精度磁编码器领域中的实用性关键问题、开发新型实用的FePt 基磁记录材料所提出的一项应用基础研究。主要解决的主要科学性问题：（1）通过材料的综合设计和界面控制，实现对FePt基复合薄膜的实用性能（热稳定性和矫顽力）的调控；（2）在纳米尺度上表征FePt 基垂直磁记录材料的界面微结构和磁结构，并弄清界面调控的作用机理。. 我们采用了引入界面磁耦合作用、电控原子迁移、应变调控、表面活化剂的缺陷调控、间歇原子占位调控等方法，实现了对FePt基合金薄膜的实用性能的有效调控，其热稳定性因子远远超过了实用化所需值，具有很好的信号存储能力；矫顽力也在很宽的范围内可调，具有很好的磁写入能力。此外，综合使用HRTEM、角分辨XPS技术以及第一性原理计算等方法，表征上述薄膜的界面微结构，阐述了上述界面调控的机理。具体的创新点如下：（1）利用高速电子流与金属原子之间的动量交换作用，电控驱动金属原子迁移，在室温下实现FePt合金的快速L10相变（10～20秒）及其对磁性能的有效调控，这为L10型合金材料的有序化相变和性能调控提供了一种新的物理思路。（2）发现了弹性应变对铁磁薄膜材料的电子结构和磁畴结构的调控作用，并利用此效应非易失性地调控了L10-FePt薄膜的磁各向异性和磁化反转特性，这为发展应力辅助的自旋电子学器件提供了新的思路。（3）利用软磁材料与FePt薄膜之间的磁交换耦合作用，调控薄膜的反转场，从而有效地提高FePt材料的磁场写入能力，为其实用化提供了部分实验和理论依据。（5） 阐述了表面活化原子在铁磁薄膜中的扩散行为及其对薄膜缺陷浓度的调控作用，并利用此作用有效地降低了FePt薄膜的有序化势垒，提高了其硬磁性能。（6）发现了金属/氧化物界面在退火处理过程中存在的“氧迁移”现象，并且利用此效应调控界面原子间的轨道杂化，有效地提高Co/Pt基磁性多层膜的垂直磁各向异性。. 本项目取得的研究成果具有十分重要的应用价值，可为提高我国编码传感器的精度提供科学依据，同时为北京民用编码传感器产业化提供了科学和技术支撑。此外，本项目同时具有重要的学术价值，发展了一系列有效的界面调控手段，通过在原子尺度上或从电子尺度上控制微结构，进而调控FePt基磁性薄膜的关键性能，这为自旋电子学材料中的原子结构或电子结构操控提供了重要的科学依据和实验基础。