專利名稱：制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及磁性納米技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種結(jié)合反膠束法和磁控濺 射法制備平行取向FePt納米復(fù)合薄膜的方法。
背景技術(shù)：
FePt合金納米顆粒具有很高的磁晶各向異性能(6.6 — 10xl07 erg7cm3)，可以在幾個(gè)納米的尺度范圍內(nèi)，克服超順磁性，表現(xiàn)出優(yōu)異的 穩(wěn)定性。得益于這種優(yōu)異的穩(wěn)定性，其在超高密度數(shù)據(jù)存儲、永磁納米薄 膜和醫(yī)藥生物都可以有很重要的應(yīng)用，是一種最有可能實(shí)現(xiàn)存儲面密度在 1Tb/in2以上的磁性金屬材料。
目前人們廣泛采用真空蒸發(fā)和直流/射頻濺射沉積等物理方法制備 FePt納米顆粒薄膜，但物理方法中隨機(jī)的成核和顆粒生長導(dǎo)致FePt納米 顆粒尺寸較大、粒徑分布較寬，粒子形狀和間距難以控制?；瘜W(xué)上則主要 采用高溫液相合成法。相比物理方法，高溫液相合成法具有顆粒大小均勻、 可控和分布有序的優(yōu)點(diǎn)，但在化學(xué)合成FePt納米顆粒過程中，為了避免 粒子在溶液中的團(tuán)聚，需要加入合適的穩(wěn)定劑，因此所制備的納米顆粒表 面往往覆蓋一層有機(jī)物。更重要的是，用化學(xué)方法很難得到良好的取向， 從而為后面的磁存儲應(yīng)用中的讀寫帶來了極大的困難。
專利IB065558中涉及了一種利用反膠束方法制備六角有序FePt納米 顆粒陣列的方法。然而，這種方法制得的FePt納米顆粒沒有很好的磁性 取向，而且在沒有非磁性材料蓋層的情況下容易被空氣中的氧氣氧化。本 發(fā)明在此方法基礎(chǔ)上進(jìn)一步結(jié)合了磁控濺射法，在由反膠束法獲得的FePt 納米顆粒陣列上原位覆蓋一層非磁性的Si02保護(hù)層，并在高溫下進(jìn)行退 火，不僅能夠避免FePt顆粒的團(tuán)聚和氧化，更重要的是能夠得到平行取向FePt納米復(fù)合薄膜。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄 膜的方法，最終制備顆粒尺寸分散度小、分布均勻有序、具有平行取向性 的FePt納米復(fù)合薄膜，以適合于超高密度磁存儲應(yīng)用的磁介質(zhì)材料。
本發(fā)明提供一種制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方法，其特 征在于，包括如下步驟
步驟l:利用雙親嵌段共聚物PS-P4VP在甲苯中自組裝成反膠束，然 后將金屬鹽FeCh和H2PtCl6加入所述反膠束溶液中，形成金屬鹽負(fù)載的反 膠束；
步驟2:利用旋涂法在硅襯底上獲得反膠束陣列，并通過氧等離子體 和氫等離子體刻蝕而得到單分散性良好的FePt納米顆粒陣列；
步驟3:用磁控濺射法在FePt納米顆粒陣列上覆蓋一層Si02保護(hù)層；
步驟4:保護(hù)氣氛下對樣品進(jìn)行高溫退火，完成平行取向FePt磁性納 米復(fù)合薄膜的制作。
其中步驟1所述的反膠束的核為P4VP，殼為PS。
其中步驟3所述的射頻磁控濺射，射頻磁控濺射的工作功率為40 — 120 W，以高純Si02為靶材，工作環(huán)境為Ar氣氛下1 Pa，濺射的溫度在 室溫至5(TC之間。
其中所述的Si02保護(hù)層的厚度為10_50 mn。
其中步驟4所述的保護(hù)氣氛，是在高真空室中通入95%Ar+5%H2。
其中所述的高溫退火，退火溫度在600 — 75(TC之間，退火時(shí)間30 — 60 min。
本發(fā)明的有益效果是.-
從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果
1、本發(fā)明利用嵌段共聚物PS-P4VP反膠束的方法制備出雙金屬FePt 納米復(fù)合薄膜，所制得的FePt納米復(fù)合薄膜不僅具有化學(xué)制備方法所具 有的納米顆粒尺寸分散度小、分布均勻，且顆粒大小和間距容易控制的優(yōu) 點(diǎn)，而且由于FePt納米顆粒分散在非磁性的Si02基質(zhì)中，在退火過程中
4不會發(fā)生顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象，具有良好的熱穩(wěn)定性。
2、本發(fā)明利用嵌段共聚物PS-P4V'P反膠束的方法制備出雙金屬FePt 納米顆粒薄膜，并應(yīng)用磁控濺射在表面覆蓋Si02保護(hù)層，使得FePt納米 顆粒的易磁化軸在退火過程中形成了沿平行膜面方向的取向。本發(fā)明的優(yōu) 點(diǎn)在于用很低的成本就能實(shí)現(xiàn)FePt磁性納米復(fù)合薄膜的平行取向生長， 使得其在磁記錄過程中，很大程度上降低了磁存儲能量，增強(qiáng)了磁頭讀寫
的信噪比。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容以下結(jié)合實(shí)施例及附圖，詳細(xì)說 明如后，其中
圖1為本發(fā)明提供的制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜總體技術(shù) 方案的實(shí)現(xiàn)流程圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的工 藝流程示意圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例在不同退火溫度下FePt納米顆粒薄膜的磁 滯回線具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明提供制備平行取向的FePt磁性納米復(fù)合薄膜總體技術(shù) 方案的實(shí)現(xiàn)流程圖，該方法包括以下步驟
步驟101:將雙親嵌段共聚物PS-P4VP加入甲苯中，充分?jǐn)嚢?，該?聚物將在甲苯中自組裝成大小均勻、單分散的反膠束。所述雙親嵌段共聚 物PS (306) -P4VP (125)在甲苯中的濃度約為0. 5 wt % ;所述充分?jǐn)嚢璧臅r(shí) 間至少為24小時(shí)；所述反膠束的核為P4VP，殼為PS。
步驟102:將金屬鹽FeCl3和H2PtCl6加入所述反膠束溶液中，充分?jǐn)?拌后與反膠束的P4VP內(nèi)核結(jié)合，4一5天后形成金屬鹽負(fù)載的反膠束；將 金屬鹽FeCh和H2PtCl6加入反膠束溶液時(shí)，通過控制加入的金屬鹽的量來 調(diào)控所制得的FePt納米顆粒的大小在3 — 20nm之間。
步驟103:將清洗干燥的(100)硅襯底放在旋涂機(jī)水平的載物臺上，啟動引擎并以恒定可控的速率使之沿著垂直膜面旋轉(zhuǎn)，該過程稱為旋涂過 程；通過旋涂，在平滑單晶硅襯底表面上得到一層單分散、分布均勻的金 屬鹽負(fù)載反膠束陣列。襯底旋轉(zhuǎn)速率在20 r/min至2000 r/min之間可調(diào)； 在確定聚合物的情況下，通過控制襯底旋轉(zhuǎn)的速率來控制FePt納米顆粒 薄膜的厚度。旋涂后的樣品置于空氣之中，隨著溶劑的揮發(fā)，最終在襯底 表面上將得到一層單分散、分布均勻的金屬鹽負(fù)載反膠束陣列。
步驟104:將已沉積在硅襯底上的金屬鹽負(fù)載反膠束陣列先后采用氧 和氫等離子體進(jìn)行刻蝕，去除共聚物母體，并使金屬鹽還原為單質(zhì)，在襯 底上獲得裸露的FePt納米顆粒薄膜。所述等離子體刻蝕時(shí)微波的功率P 在50 — 100W之間，氧氣的壓強(qiáng)p在50 — 300Pa之間(通過調(diào)整氧氣的流 量來實(shí)現(xiàn))，刻蝕的時(shí)間t在10 — 60min，刻蝕的溫度T在室溫至8CTC之 間。
步驟105:在壓強(qiáng)低于10—5Pa的真空室中，通入34sccm的Ar，壓強(qiáng) 為1Pa;然后加上射頻源，以70W的功率對Si02耙材進(jìn)行濺射，時(shí)間在6 一30min，從而在FePt薄膜上覆蓋一Si02保護(hù)層，厚度在10 — 50nm之間。
步驟106:在保護(hù)氣95。/。Ar+5。/。H2狀態(tài)下，將覆蓋了 Si02薄膜的FePt 樣品放在石墨爐中加熱到一定溫度60(TC—75(TC，然后迅速降溫至室溫， 對樣品進(jìn)行30 — 60min的退火。
基于圖1所述的制備平行取向的FePt磁性納米復(fù)合薄膜總體技術(shù)方 案的實(shí)現(xiàn)流程圖，以下結(jié)合具體的實(shí)施例對本發(fā)明制備平行取向的FePt 磁性納米復(fù)合薄膜的方法進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例
圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例制備平行取向的FePt磁性納米復(fù)合薄膜的 工藝流程示意圖，具體包括以下步驟
1) 將5mg雙親嵌段共聚物PS(306)-P4VP(125)，加入5mL甲苯中。充 分?jǐn)嚢韬?24小時(shí)以上)，該共聚物將在甲苯中自組裝成大小均勻、單分 散的反膠束。
2) 往上述反膠束溶液加入金屬鹽2. 58mg FeCh和9. 70mg H2PtCl6， 充分?jǐn)嚢韬?，金屬鹽將占據(jù)反膠束的內(nèi)核，形成金屬鹽負(fù)載的反膠束。3) 將清洗干燥的(100)硅襯底放在旋涂機(jī)水平的載物臺上，啟動引擎
并以恒定可控的速率使之沿著垂直膜面以速度100r/min旋轉(zhuǎn)；通過旋涂， 在平滑單晶硅襯底表面上得到一層單分散、分布均勻的金屬鹽負(fù)載反膠束陣列。
4) 將己沉積在硅襯底上的金屬鹽負(fù)載反膠束陣列先后采用氧和氫等 離子體進(jìn)行刻蝕，去除共聚物母體，并使金屬鹽還原為單質(zhì)，在襯底上獲 得裸露的FePt納米顆粒薄膜。所述等離子體刻蝕時(shí)微波的功率P為50 W， 氧氣的壓強(qiáng)P為100 Pa (通過調(diào)整氧氣的流量來實(shí)現(xiàn))，刻蝕的時(shí)間t為 30min，刻蝕的溫度T為3(TC。氫等離子體刻蝕提條件與氧等離子體刻蝕 條件相同。
5) 在壓強(qiáng)低于10—5pa的真空室中，通入34sccm的Ar，壓強(qiáng)為1Pa; 然后加上射頻源，以70 W的功率對Si02靶材進(jìn)行濺射12min，從而在FePt 納米顆粒陣列上覆蓋20nm左右的Si02保護(hù)層。
6) 覆蓋了 Si(V薄膜的FePt樣品在95。/。Ar+5。/oH2的氣氛中750。C退火 60min。
制作結(jié)果
按照上述工藝成功地在硅(100)襯底上制得了平行取向的FePt磁性納 米復(fù)合薄膜，測量了 FePt納米復(fù)合薄膜的磁滯回線，如圖3所示。可以 看出，F(xiàn)ePt納米復(fù)合薄膜的平行矯頑力約為15kOe，而垂直矯頑力只有約 800 Oe，顯然垂直矯頑力比平行矯頑力小得多，顯示出利用上述工藝制得 了平行取向的FePt磁性納米復(fù)合薄膜。此外，所制得的FePt納米復(fù)合薄 膜還具有納米顆粒尺寸分散度小、分布均勻，且顆粒大小和間距容易控制 的優(yōu)點(diǎn)，而且由于FePt納米顆粒分散在非磁性的Si02基質(zhì)中，在退火過 程中不會發(fā)生顆粒團(tuán)聚的現(xiàn)象，具有良好的熱穩(wěn)定性。
以上所述的具體實(shí)施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行 了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而 已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1利用雙親嵌段共聚物PS-P4VP在甲苯中自組裝成反膠束，然后將金屬鹽FeCl3和H2PtCl6加入所述反膠束溶液中，形成金屬鹽負(fù)載的反膠束；步驟2利用旋涂法在硅襯底上獲得反膠束陣列，并通過氧等離子體和氫等離子體刻蝕而得到單分散性良好的FePt納米顆粒陣列；步驟3用磁控濺射法在FePt納米顆粒陣列上覆蓋一層SiO2保護(hù)層；步驟4保護(hù)氣氛下對樣品進(jìn)行高溫退火，完成平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的制作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方 法，其特征在于，其中步驟1所述的反膠束的核為P4VP，殼為PS。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方 法，其特征在于，其中步驟3所述的射頻磁控濺射，射頻磁控濺射的工作 功率為40 — 120 W，以高純Si02為靶材，工作環(huán)境為Ar氣氛下1 Pa，濺 射的溫度在室溫至5(TC之間。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方 法，其特征在于，其中所述的Si02保護(hù)層的厚度為10 —50 nm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方 法，其特征在于，其中步驟4所述的保護(hù)氣氛，是在高真空室中通入 95%Ar+5%H2。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方 法，其特征在于，其中所述的高溫退火，退火溫度在600 — 75CTC之間，退 火時(shí)間30 — 60 min。
全文摘要
本發(fā)明一種制備平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1利用雙親嵌段共聚物PS-P4VP在甲苯中自組裝成反膠束，然后將金屬鹽FeCl<sub>3</sub>和H<sub>2</sub>PtCl<sub>6</sub>加入所述反膠束溶液中，形成金屬鹽負(fù)載的反膠束；步驟2利用旋涂法在硅襯底上獲得反膠束陣列，并通過氧等離子體和氫等離子體刻蝕而得到單分散性良好的FePt納米顆粒陣列；步驟3用磁控濺射法在FePt納米顆粒陣列上覆蓋一層SiO<sub>2</sub>保護(hù)層；步驟4保護(hù)氣氛下對樣品進(jìn)行高溫退火，完成平行取向FePt磁性納米復(fù)合薄膜的制作。
文檔編號H01F41/14GK101609743SQ20081011518
公開日2009年12月23日 申請日期2008年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月18日
發(fā)明者盛 屈, 張興旺, 陳諾夫, 云 高 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所