Crescita in funzione della temperatura e caratterizzazione magnetica di film sottili di FePt per applicazioni avanzate di archiv

Questo contenuto è tratto da una borsa di studio dello Stanford Advanced Materials College del 2025 presentata da Frank Efe.

Abstract

L'Intelligenza Artificiale (AI) continua a rimodellare la tecnologia moderna, ponendo requisiti elevati alle capacità di elaborazione e archiviazione dei dati. Migliorare la velocità e la capacità dei sistemi elettronici di archiviazione dei dati, in particolare degli hard disk (HDD), è essenziale per soddisfare queste esigenze. I film sottili di ferro-platino (FePt) sono emersi come materiali promettenti grazie alle loro eccezionali proprietà, come l'elevata anisotropia magnetica, la forte magnetizzazione, la grande coercitività e l'alta stabilità termica e chimica. Queste qualità rendono i film sottili di FePt candidati ideali per le tecnologie di archiviazione avanzate, tra cui la registrazione magnetica assistita dal calore (HAMR), progettata per migliorare in modo significativo la densità di dati degli HDD. Sebbene il FePt sia stato ampiamente studiato, rimane una notevole lacuna nella comprensione del meccanismo alla base del doppio comportamento di commutazione magnetica osservato quando questi film vengono depositati su substrati di silicio. Questa ricerca esplora la sintesi e la caratterizzazione di film sottili di FePt cresciuti su substrati di vetro, silicio e silicio ossidato a temperatura ambiente, 250 °C e 450 °C mediante sputtering magnetronico in corrente continua. La morfologia superficiale e la struttura cristallina sono state esaminate con la microscopia a forza atomica (AFM) e la diffrazione dei raggi X (XRD), mentre le caratteristiche magnetiche sono state valutate con la microscopia a forza magnetica (MFM) e la magnetometria a campione vibrante (VSM). L'analisi dell'impatto della temperatura di crescita sulle proprietà strutturali e magnetiche dei film di FePt fornisce preziose indicazioni per adattarne le prestazioni nei sistemi di archiviazione dati di prossima generazione e nelle applicazioni industriali.

Introduzione

Ifilm di leghedi neodimio sono stati ampiamente studiati e utilizzati per applicazioni di archiviazione dati nel corso degli anni (Emmelius et al., 1989; He et al., 2022). Tuttavia, trattandosi di elementi delle terre rare, sono costosi e si smagnetizzano facilmente a temperature molto elevate, con poche informazioni sulle loro proprietà elettriche e magnetiche per la fabbricazione di dispositivi (Baloni et al., 2023; Shkir et al., 2022; Yumnam et al., 2020). I film ferromagnetici in lega di ferro hanno incrementato in modo significativo le applicazioni di memorizzazione grazie alla loro struttura ben definita e alle loro intriganti proprietà magnetiche. Diversi studi hanno analizzato le affascinanti caratteristiche dei film sottili di leghe di ferro binarie per applicazioni in dispositivi come la spintronica, i magneti permanenti e i supporti di registrazione magnetica (Appel et al., 2019; Krupinski et al., 2019; Preller et al., 2020).

Tra le leghe binarie di ferro, i film di ferro e platino (FePt) hanno proprietà magnetiche eccezionali, come l'elevata anisotropia magnetica, le caratteristiche di accoppiamento di scambio, i fenomeni di doppia commutazione, la stabilità termica e chimica e molto altro. Queste proprietà sono influenzate in modo significativo dalle condizioni di crescita, come la temperatura, il tempo di crescita e la portata di gas. Di conseguenza, la scelta della giusta condizione di crescita è fondamentale per ottenere caratteristiche magnetiche adeguate dei film sottili di FePt (Suzuki et al., 2021). Per migliorare la capacità di memorizzazione dei dispositivi di memoria, l'allineamento dei bit della registrazione magnetica deve essere modificato da longitudinale a perpendicolare, come si è visto nella registrazione magnetica assistita dal calore. Tuttavia, sono in corso ricerche per far crescere un'elevata struttura e l'anisotropia magnetica perpendicolare associata nei film sottili di FePt (Liu et al., 2022; Shen et al., 2018; Yang et al., 2019).

L'accoppiamento di bias di scambio tra le fasi dure e morbide dei film sottili di FePt deriva dall'interdiffusione del contatto di trasferimento al confine dei grani e dall'accoppiamento magnetostatico causato dai campi parassiti presenti nella fase dura (Singh et al., 2018). A seconda delle condizioni di crescita, i film di FePt possono presentare due fasi: la fase cubica e la fase ordinata _L10 con una struttura granulare orientata in modo casuale. A differenza dei film di FePt _L10 granulari, si osserva un aumento della risonanza ferromagnetica del film ad alte temperature. È stato dimostrato che il trattamento termico aumenta l'anisotropia magnetica perpendicolare dei film di FePt, con conseguente aumento della coercitività e della densità areale per applicazioni di archiviazione dati (Li & Wang, 2022; Liu et al., 2022). Inoltre, l'aumento della temperatura al di sopra di una certa soglia può provocare la formazione di grani indesiderati a causa dell'aggregazione delle nanoparticelle (Goyal et al., 2019). Inoltre, Vashisht et al. (2021) hanno co-depositato film multistrato FeCo/FePt su substrati di Si, mostrando un aumento delle dimensioni cristalline dei grani di FePt dopo la ricottura, nonché la conferma del comportamento magnetico in fase morbida. Il pinning dominato dalle pareti di dominio è responsabile dell'aumento della coercitività sull'asse fuori dal piano.

Preparazione dei campioni e dettagli sperimentali

I film sottili di FePt sono stati depositati mediante sputtering magnetronico in corrente continua su substrati di vetro di 5 × 5 mm a temperature del substrato pari a temperatura ambiente (23 °C), 250 °C e 450 °C. I substrati di vetro sono stati puliti a ultrasuoni in acetone per 90 minuti a 25 °C per rimuovere i contaminanti superficiali, seguiti da un'asciugatura all'aria. Prima della deposizione, i substrati sono stati preriscaldati a 100 °C per 5 minuti per migliorare l'adesione. Il riscaldatore è stato montato all'interno della camera di sputtering, che è stata evacuata a una pressione di base di 10-7 Torr. La deposizione è stata effettuata a una pressione di argon di 5 mTorr e a una potenza della pistola di 50 W per 15 minuti, con una distanza costante target-substrato di 40 cm. Dopo ogni deposizione, il sistema è stato raffreddato a temperatura ambiente. Questi parametri di crescita sono coerenti con quelli riportati in studi correlati (Alqhtany, 2017; Efe, 2023; Lisfi et al., 2017).

Risultati e discussioni

La morfologia superficiale e la topografia dei film smagnetizzati sono state analizzate con la microscopia a forza atomica (AFM), mentre le strutture dei domini magnetici sono state valutate con la microscopia a forza magnetica (MFM). La diffrazione dei raggi X (XRD) è stata utilizzata per indagare la struttura cristallografica e la composizione delle fasi, mentre la magnetometria a campione vibrante (VSM) è stata impiegata per valutare le proprietà magnetiche sotto campi in piano compresi tra -20 e 20 kOe.

L'AFM ha rivelato che a 23 °C i film mostravano un raggruppamento di grani con alcune crepe e vuoti, suggerendo una scarsa diffusione superficiale. A 250 °C, i grani apparivano distribuiti in modo più omogeneo, formando caratteristiche sferiche senza cricche visibili. A 450 °C è stata ottenuta una superficie uniforme e priva di cricche con una rugosità media di 10 nm. Questi risultati indicano che l'aumento della temperatura del substrato migliora la qualità microstrutturale dei film di FePt, rendendoli promettenti per le applicazioni dei dispositivi, in particolare nelle tecnologie di stoccaggio magnetico. Le tendenze osservate sono in linea con i risultati precedentemente riportati (Skok et al., 2022; Weisheit et al., 2004). Non è stata rilevata alcuna forza magnetica tra il film e la punta del cantilever, come si vede nella Figura 2a. Ciò è dovuto alla bassa temperatura di deposizione di 23 ℃, insufficiente per allineare il momento magnetico. Di conseguenza, a temperatura ambiente, il film presenta una fase morbida con proprietà di struttura di fase cubica FCC disordinata. Quando la temperatura è stata aumentata a 250 ℃, è stata scoperta una struttura a isola dei domini magnetici, orientati casualmente fuori dal piano, come illustrato nella Figura 2b. Inoltre, con l'aumento della temperatura del substrato a 450 ℃, si è verificato un aumento del contrasto dei domini magnetici nell'immagine magnetica del film, che consiste in un contrasto bianco e nero che rappresenta strutture magnetiche con forti interazioni di risposta positiva o negativa con la punta del cantilever, come mostrato nella Figura 2c. Si è riscontrato che questi domini puntano tipicamente alla componente fuori piano della magnetizzazione.

Figura 1 (a-c): Immagine AFM dei film di FePt sintetizzati che mostra la topografia dei grani al crescere della temperatura del
temperatura del substrato da (a) 23 ℃, (b) 250 ℃ e (c) 450 ℃.

Inoltre, la porzione marroncina del dominio magnetico riflette domini deboli, che potrebbero essere dovuti a elementi magnetici con un asse di magnetizzazione quasi in piano che interagiscono debolmente con la punta del cantilever. Di conseguenza, l'intera struttura di magnetizzazione del film è alterata. Ciò è dovuto all'elevata anisotropia magnetica perpendicolare del film depositato, in cui la direzione della magnetizzazione è allineata verso l'alto e verso il basso all'interno della parete del dominio. La struttura tetragonale ordinata _L10 a facce centrate (FCT) dei film cresciuti potrebbe spiegare la significativa anisotropia perpendicolare dei film a temperature più elevate del substrato (Lisfi et al., 2017).

Figura 2 (a-c): Immagine MFM del film sottile di FePt sintetizzato che mostra i domini magnetici a
(a) 23 ℃ (b) 250 ℃ (c) 450 ℃

Conclusione

Film sottili di FePt sono stati depositati con successo su un substrato di vetro a tre diverse temperature: temperatura ambiente, 250°C e 450°C. L'aumento della temperatura di deposizione porta a un aumento della crescita dei grani senza vuoti e fori di spillo, come osservato dall'AFM e dal SEM. La microscopia a forza magnetica ha mostrato che i momenti magnetici sono orientati perpendicolarmente al piano del film. Con l'aumento della temperatura del substrato nel sistema chiuso contenente il gas inerte, le fasi magnetiche del film di fcc-FePt in fase morbida, i cui atomi sono orientati in modo casuale, passano alla formazione di un film ordinato di L10 fct-FePt sul substrato di vetro.

Raccomandazioni

Questo studio si concentra sulla sintesi e sulla caratterizzazione di film sottili di FePt, una promettente lega di metalli rari, adatta per l'industria.
una promettente lega di metalli rari, adatta per applicazioni industriali nell'archiviazione magnetica dei dati, in particolare per la registrazione magnetica assistita dal calore (HAMR). Ottimizzando le condizioni di crescita attraverso la variazione
di temperatura del substrato, abbiamo migliorato le proprietà strutturali e magnetiche del film (lavoro in corso),
magnetici, rendendoli adatti a dispositivi di archiviazione ad alta densità. Il lavoro si allinea alle attuali tendenze di sviluppo
tendenze di sviluppo nell'utilizzo dei metalli rari, rispondendo alla domanda globale di materiali durevoli e ad alte prestazioni
nell'elettronica. L'avanzamento delle tecnologie basate sul FePt sostiene il passaggio strategico verso l'efficienza, la miniaturizzazione e l'efficienza energetica,
dispositivi efficienti, miniaturizzati e a risparmio energetico nell'evoluzione del panorama industriale basato sui dati.

Riferimenti

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