Nanostructured high magnetic anisotopy Pt-TM (TM=Co, Fe, Cr) films

Abstract

The 3d transition metal alloys are today prospective materials for high density magnetic recording. These include the chemically ordered FePt, CoPt, CrPt3 alloys and the Co/Pt superlattices. The main goal of this work is to provide a comprehensive morphological, structural and magnetic characterization of nanostructured films. The work focuses on four different areas that deal with the optimization of these materials by control of their magnetic anisotropy and microstructural characteristics.Firstly, the effect of layering and thickness studied in CrPt3 and CoPt films: In films obtained by heat-treatment of bilayers and trilayers (of different Co/Pt content) higher degree of chemical ordering and coercivity can be achieved compared to single layer films. The TEM analysis of Co-Pt films reveals that the twin density in trilayers is larger compared to single layers. The average size of grains in CoPt single layers are 32nm, while the average size of Co/CoPt/Pt trilayers is 42nm.Secondly, the study of the effect of layering and magnetic annealing on the texture of Co/Pt multilayers shows that the (001) texture sets in as a result of transformation strain driven selective grain growth of (001) at expense of the other possible textures. This correlation between strain and texture is clear only for magnetically annealed samples. This shows that the main function of the applied field is to correlate local strains in a macroscopic level thus increasing their effect along with directly driving the formation of easy axis (001) towards its direction. Thirdly, the study of switching behavior of regular magnetic FePt nanoislands obtained by sputter deposition of the magnetic layer on monolayers of polystyrene nanospheres (of 970nm and 173nm diameter) used as masks. The nanoislands are magnetically hard and are characterized by non-zero dM-plots. These findings were compared with micromagnetic modeling studies which shows that for anisotropy values high enough to match the observed coercivity, multidomain islands can result in due to the existence of either a softer part or different anisotropy direction part within each magnetic entity. Finally, the previous approach is extended to the study of magnetization reversal in graded anisotropy Co/Pt multilayers which are deposited both onto nanospheres and Si substrates for comparison. The study was based on First Order Reversal Curve diagrams (FORC). Using regular nanostructures the following complication that the study of grade anisotropy films presents, can be dealt with if the thickness exceeds a certain limit above which the formation of stripe domains becomes favorable the straight forward interpretation of the effect of the anisotropy profile on the reversal is not possible. It is found that multilayers can be used to create model graded perpendicular anisotropy systems only when lateral domain propagation is suppressed by appropriate nanostructuration.

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε ο μορφολογικός, μαγνητικός και δομικός χαρακτηρισμός νανοδομημένων υμενίων υψηλής μαγνητικής ανισοτροπίας κραμάτων λευκόχρυσου-μεταβατικού μετάλλου (Μ.Μ.=κοβάλτιο, σίδηρος και χρώμιο). Η μελέτη επικεντρώθηκε σε τέσσερα κυρίως θέματα.Στο πρώτο μέρος μελετήθηκε η επίδραση της στρωματικότητας και του πάχους σε υμένια L12-CrPt3 και L10-CoPt. Παρατηρήθηκε ότι στις στρωματικές δομές επιτυγχάνονται υψηλότερες τιμές συνεκτικού πεδίου και αποκατάσταση της χημικής τάξης.Στο δεύτερο μέρος μελετήθηκε η επίδραση του μαγνητικού πεδίου κατά την ανόπτηση στον προσανατολισμό πολυστρωματικών υμενίων L10-Co/Pt. Τα υμένια που έχουν υποστεί θερμική επεξεργασία παρουσία μαγνητικού πεδίου αναπτύσσουν (001) προσανατολισμό και συνεπώς κάθετη μαγνητική ανισοτροπία. Υπολογίστηκε και παρατηρήθηκε, επίσης, συσχέτιση διαξονικών εφελκυστικών παραμορφώσεων, εξαιτίας του μαγνητικού πεδίου, σε μακροσκοπικό επίπεδο ευνοώντας τον (001) προσανατολισμό. Το τρίτο μέρος περιλαμβάνει τη χρήση μονοστρώματος νανοσφαιρών πυκνής εξαγωνικής διάταξης δύο διαφορετικών μεγεθών (970nm και 173nm) ως μάσκα για την εναπόθεση υμενίων FePt με νανοδομικά χαρακτηριστηκά (νησίδες). Μετά από ανόπτηση οι νησίδες κρυσταλλώνονται στην τετραγωνική L10 δομή και είναι μαγνητικά σκληρές. Οι νησίδες χαρακτηρίζονται από μη μηδενικές μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις. Επίσης, πραγματοποιήθηκε και έγινε σύγκριση των παραπάνω αποτελεσμάτων με μικρομαγνητικούς υπολογισμούς. Οι μικρομαγνητικοί υπολογισμοί έδειξαν ότι οι νησίδες αποτελούνται από τοιχώματα πολλών περιοχών, εξαιτίας της παρουσίας μαλακών φάσεων ή νησίδων με διαφορετικό προσανατολισμό ανισοτροπίας.Στο τελευταίο μέρος μελετήθηκε η αντιστροφή της μαγνήτισης πολυστρωματικών υμενίων βαθμιδωτής ανισοτροπίας, με καμπύλες ανάκρουσης πρώτης τάξης, που έχουν εναποτεθεί είτε σε υποστρώματα πυριτίου είτε σε μονόστρωμα νανοσφαιρών. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα πολυτρωματικά υμένια μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν μοντέλο για τη δημιουργία βαθμιδωτής κάθετης ανισοτροπίας όσο η εγκάρσια διάδοση των τοιχωμάτων περιορίζεται από τα νανοδομικά χαρακτηριστικά.