華南理工大學Acta Materialia：原子擴散和成分分布對Cr/SmCo/(Cu)/Cr薄膜磁各向異性的影響機制研究

【前言】

永磁薄膜，如鐵基和稀土合金薄膜，由于其優異的磁晶各向異性能(K_u)，已經在硬盤和數據存儲電子設備領域得到了廣泛的研究。在這些材料中，具有優異磁性能和熱穩定性的SmCo基合金是未來高密度熱輔助磁記錄(HAMR)介質和下一代非易失性存儲器的理想候選材料。

對于HAMR介質，應該使用具有相對高K_u和中等T_C的材料來減少激光熱對相鄰晶粒的影響。由于散熱的重要作用，減小相鄰的記錄單元受激光加熱的影響，應該選擇熱穩定性更高的材料，如SmCo。在記錄中，隨著激光溫度瞬間升高到接近T_C時，介質的矯頑力迅速降低，介質會被磁化。并且當外部熱場被去除之后，矯頑力也可隨之恢復，記錄的信息則會被完好保存。盡管SmCo及其納米復合合金具有相對高的各向異性場和(BH)_max，但它們通常有隨機取向的多個相共存，這阻止了矯頑力和磁各向異性場的進一步增強，不利于進一步分析矯頑力機制和獲得非易失性存儲器。先前的研究表明，摻雜第三種元素，如Cu、Ti和Ru，對于調控磁各向異性能、熱穩定性和SmCo基合金的成分是十分必要的。摻雜元素的原子擴散行為和存在狀態取決于退火過程，這對于提高矯頑力和各向異性場非常重要。然而，目前原子摻雜對磁化反轉的內在機制尚缺乏理論研究。

磁性能可通過磁疇運動控制來調節。磁疇揭示了內在的磁性能變化規律，并可作為確定矯頑力機制的依據。磁疇結構可以由磁矩反轉和磁疇壁擴展來控制，這對于調控納米級鐵磁結構來說是至關重要的。

【研究亮點】

1. ?引入Cu層和退火處理可調控磁各向異性，從各向同性到各向異性轉變以及磁疇結構的形成；Co和非晶相作為晶界相，其各向異性場的差異會直接影響疇壁運動和矯頑力。

2. ?Sm (Co，Cu)合金各向異性場的提高及少量SmCo₅晶界相的存在也有利于矯頑力的增強。

【成果簡介】

稀土( RE )永磁薄膜，如SmCo基薄膜，由于其極高的熱穩定性和優良的超順磁性臨界尺寸，有望成為未來熱輔助磁記錄介質的候選材料。相組成分布和晶格取向可以直接影響SmCo薄膜的磁疇演變和磁性能。然而，這些膜中通常存在多種相，沒有明顯的磁各向異性，從而難以分析不同相對磁性能的作用，而且目前科研人員對退火引起的原子擴散對SmCo薄膜晶化過程和磁各向異性能的影響研究甚少。近日，來自華南理工大學的邱兆國助理研究員和曾德長教授（共同通訊）聯合在Acta Materialia上發表文章，題為“Influencing mechanisms of atomic diffusion and compositional distribution on the magnetic anisotropy of Cr/SmCo/(Cu)/Cr thin films”。本工作通過引入Cu層的形式摻雜Cu原子，研究其對Cr/SmCo/(Cu)/Cr薄膜磁各向異性的影響。Cu層的添加和退火處理后可有效地調控磁各向異性，從各向同性到各向異性的轉變和磁疇結構形成。微磁學模擬結果表明，Co和非晶相作為晶界相，其各向異性場的差異會影響疇壁運動和矯頑力，實驗結果也印證了類似的趨勢。此外， Sm (Co，Cu)合金的各向異性常數的提高以及少量SmCo₅邊界相的存在也有利于矯頑力的增強。由于SmCo₅相c軸具有面內擇優取向，有效地改善面內磁各向異性，。這項工作通過調控原子擴散來提高磁各向異性能及優化晶界相分布，為今后制備高性能SmCo基薄膜提供了理論和實驗指導。

【圖文導讀】

圖1. SmCo相結構與磁性

納米晶相對材料的磁性有顯著影響，如飽和磁化強度和磁各向異性能。一旦出現磁性納米晶相，磁疇的數量就會增加。非晶相和納米晶相之間的相互作用降低了各向異性能，并導致磁疇尺寸的減小。在圖1d中，制備態SmCo基薄膜面內和面外的矯頑力只有0.1 kOe。

圖2. Cr/SmCo/Cu/Cr?薄膜磁結構與磁性能

Cu層( 20nm )的厚度比SmCo層(大約250 nm )的厚度小得多，在該工作中，各層都是在室溫下沉積的。在高溫(600°C)下進行退火后，由于Cu的擴散激活能較低，Cu原子得以完全擴散到SmCo層中，并取代Co在晶格中的位置。Cu的摻雜有助于誘導SmCo₅相結晶，并通過熱擴散增加各向異性場。

圖3. 薄膜界面元素分布圖

一些富Sm (SmCo₅)的區域開始出現。富Sm區域(虛線圓)在整個SmCo層中幾乎是均勻分布的，并被大部分的富Co ( Sm₂Co₁₇)相包覆。通過引入Cu層來誘導SmCo₅相的形成。銅層在退火后消失的主要原因如下:結晶激活能與熔點有關。Cu的激活能低于Cr，因為前者的熔點(1083℃)低于后者(1853℃)。因此，Cr原子的擴散并不明顯。

圖4. Cr/SmCo/Cr薄膜的磁結構與磁性能

退磁曲線表現出明顯的兩相行為，顯示Sm₂Co₁₇硬相顆粒和非晶相之間存在弱交換耦合作用。

圖5. Cr/SmCo/Cr薄膜的元素分布截面圖

在未添加Cu層的薄膜中，Sm和Co在Sm (Co，Cu)膜層中的分布是均勻的，成分偏析(富含Sm的區域或富含Co的區域)幾乎找不到。由于沒有SmCo₅晶界相的存在，因此與退火后的Cr/SmCo/Cu/Cr薄膜相比，矯頑力降低。從元素分布圖可以表明晶界相的成分和磁各向異性場的變化對于調控SmCo基合金薄膜磁性能是非常重要的。

圖6. 微磁學模擬

進行微磁學模擬是為了進一步理解成分變化、磁疇演變和磁性能之間的關系。作者比較了幾幅TEM圖像，選擇了一幅由顆粒衍射條紋表示的高分辨圖像作為原始圖像 (圖6a )。這張圖像中的實際尺寸約為56 nm×56 nm (誤差小于0.5 % )，該區域內的幾十個晶粒被用來代表均勻樣品的微觀結構。然后以紅線作為指引，根據原子陣列的不同取向劃分出不同的顆粒(圖6b )。所有的顆粒都填充有不同的顏色，因此每個顆粒的參數可以基于單獨的顏色或配色方案來定義。不同的晶粒對應于不同的相，包括SmCo₅、Sm₂Co₁₇、Co或非晶SmCo。這些實驗結果為模型的建立提供了參考。厚度沿z軸方向增加，以獲得矩形區域作為真實薄膜的一部分。模型尺寸為56 nm×56 nm×10 nm，網格尺寸為0.5 nm×0.5 nm×1 nm，其尺寸小于不同類型SmCo相的交換長度。SmCo相的晶粒尺寸約為10 - 20nm。

圖7. 模擬和實驗結果的磁滯回線

磁矩優先在通常被視為晶界相的非晶相中發生反轉，具有弱釘扎效應。然而，當成核完成后，Sm₂Co₁₇磁疇迅速反轉，達到負飽和。模擬結果顯示了與實驗結果類似的趨勢，并表現出各向同性的行為。

圖8. 模擬和實驗結果的磁滯回線

圖8a顯示了模擬和實驗結果的磁滯回線。模擬結果與實驗結果吻合完好。面內方向退磁曲線在不同階段的表面磁矩分布如圖8b所示。添加Cu層后，由于有Sm₂Co₁₇、SmCo₅ Co相的的共存現象，故在Cr/SmCo/Cu/Cr薄膜中，我們應該同時考慮三相的影響作用。在Cr/SmCo/Cr?和Cr/SmCo/Cu/Cr?兩個模型中存在兩個不同點：一是非晶相被Co相取代；另一個是部分Sm₂Co₁₇顆粒被SmCo₅顆粒所取代。

【總結】

通過XRD、HR-TEM、MFM和微磁學模擬，作者系統研究了成分變化和原子擴散行為對Cr/SmCo/(Cu)/Cr薄膜磁疇結構和矯頑力的影響。當引入Cu層并施加外部熱場時，Sm(Co,Cu)薄膜從磁各向同性變為明顯的面內各向異性。由于Cu原子擴散的影響，面內矯頑力從10.3 kOe增加到16.5 kOe。作者認為Cu在SmCo晶格中的擴散可促進結晶度和磁各向異性場的增強。微磁學模擬進一步闡明了SmCo基合金晶界相的成分變化和晶格取向對磁疇演變和磁各向異性的影響。具有Cu層的SmCo膜中的晶界相包括Co和少量SmCo₅相，而在沒有添加Cu層的膜中僅存在非晶晶界相。高K和A會阻礙磁化反轉和疇壁運動，從而產生高矯頑力。作者的工作為通過控制原子熱擴散和晶界相分布來提高SmCo基薄膜的磁性能提供了理論和實驗依據。

文獻連接：Influencing mechanisms of atomic diffusion and compositional distribution on the magnetic anisotropy of Cr/SmCo/(Cu)/Cr thin films, (Acta Materialia, 2018, DOI: 10.1016/j.actamat.2018.11.005)

相關參考文獻：

1. Zhaoguo Qiu, Narayan Poudyal, Hongya Yu, Guangbing Han, Dechang Zeng*, J. Ping Liu**, Kesong Zhou. Cr/SmCo/Cu/Cr thin films with high coercivity deposited at low pressure, (Journal of Alloys and Compounds 685 (2016) 459-464)

2. Zhaoguo Qiu*, J. Ping Liu, Hongya Yu, Narayan Poudyal, Guangbing Han, Dechang Zeng**, Yuan Hong. Atomic diffusion and microstructure of SmCo₅ multilayers with high coercivity, (Journal of Alloys and Compounds 733 (2018) 45-52)

團隊介紹：

邱兆國博士與曾德長教授所在的“磁性材料與功能薄膜”學術團隊，隸屬于華南理工大學材料科學與工程學院金屬材料科學與工程系。團隊以磁性材料和器件、功能薄膜、納米材料、超硬膜以及熱噴涂耐磨涂層為主要研究方向，兼顧工業裝備失效分析、預測及預防研究。學術團隊提倡以應用為背景，充分發揮高校在基礎和應用基礎研究方面的優勢，研究和開發具有廣泛應用前景的新型磁性功能材料、半導體器件功能膜材料和高性能耐磨與耐蝕涂層等新材料、新技術及新工藝。近五年，團隊承擔了國家及省部委科研項目和企業技術攻關項目近50項, 總研究經費4000多萬元。在國際、國內重要學術刊物上發表論文200多篇；申請國家發明專利70余件（已授權~30余件）。團隊現有雙聘院士1名，教授2名，副教授1名，副研究員1名，助理研究員1名，在讀博/碩士研究生30余人。

本文由材料人金屬組Z. Chen編譯。

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