Патент на изобретение №2227941

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МАГНИТНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЗАПИСИ ИНФОРМАЦИИ С ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТЬЮ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам получения магнитных сред для записи информации с высокой плотностью. Сущность способа состоит в том, что в процессе формирования магнитной матрицы, представляющей собой магнитную пленку, в нее вводятся области с отличным от матрицы магнитным состоянием, которые имеют размеры в диапазоне от нескольких ангстрем до 50 нм и формируются в результате введения в магнитную матрицу примесей или дефектов кристаллической структуры. Техническим результатом изобретения является создание магнитного материала для записи повышенной плотности, а также упрощение процесса получения такого материала. 6 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к способам получения магнитных сред для высокоплотной записи информации. Основное применение изобретение может найти при создании магнитных носителей информации большой емкости, применяемых в магнитной и магнитооптической записи.

В настоящее время для хранения цифровой информации используются магнитные диски, для получения которых на немагнитную подложку наносится слой магнитного материала, на который производится запись. В качестве магнитного материала (среды для магнитной записи) используется либо полимерное покрытие, содержащее магнитные однодоменные частицы (обычно -Fe₂О₃), либо тонкая (толщиной 50-150 нм) пленка магнитного металла, сплава или окисла (обычно используются сплавы на основе Со, например Co-Ni, Co-Ni-W, Co-Pt-Ni и т.д.). Размер магнитных частиц составляет порядка 100 нм. Тонкие магнитные пленки имеют зернистую структуру с размером зерна порядка толщины пленки. Коэрцитивная сила магнитных материалов, применяемых для хранения информации, лежит в интервале от 700 до 3000 Э, а остаточная индукция достигает величины 15000 Гс [1].

Задача увеличения плотности записи при сохранении приемлемого отношения сигнал/шум требует уменьшения размеров магнитных частиц или зерен в пленке до размеров порядка 10 нм и ниже, что само по себе представляет сложную технологическую задачу. Вместе с тем, уменьшение размеров частиц и зерен может приводить к нестабильности записанного сигнала из-за воздействия тепловых колебаний кристаллической решетки или матрицы на магнитный момент зерна или частицы. В тонких пленках, являющихся на сегодняшний день основными средами для магнитной записи цифровой информации, этот эффект будет усиливаться в результате воздействия на зерно размагничивающих полей соседних зерен, существенно снижающих порог чувствительности к тепловым колебаниям. Для преодоления указанного эффекта необходимо использовать при получении пленок магнитные материалы с анизотропией, большей, чем у материалов, применяемых на сегодняшний день. Отношение сигнал/шум существенно ухудшается также за счет взаимодействия между соседними зернами в пленке, возникающего из-за их близкого взаимного расположения.

С целью решения указанных проблем и получения среды для магнитной записи с высокими характеристиками в патенте США №6183606 был предложен метод получения композитной гранулированной тонкой пленки, содержащей зерна высококоэрцитивного сплава FePt в изолирующей немагнитной матрице Si₃N₄. Пленка изготавливалась при помощи совместного вакуумного магнетронного распыления мишеней из сплава FePt заданного состава и Si₃N₄ на охлаждаемую подложку из окиси кремния или кварцевого стекла. Для перевода сплава FePt в высокоэрцитивную кристаллическую фазу пленка отжигалась в вакууме при температуре 600°С с последующей закалкой в воде при 0°С. Такой метод позволил создать пленку с осью легкого намагничивания, лежащей в плоскости пленки, коэрцитивной силой ~ 4000 Э и размером зерна в несколько десятков нм. Достаточно большое расстояние между зернами и наличие слоя изолирующего немагнитного материала между ними препятствует взаимодействию между зернами, ухудшающему отношение сигнал/шум. К недостаткам метода следует отнести достаточно сложный и трудно контролируемый технологический процесс изготовления пленки и относительно большой размер магнитного зерна.

В патенте США №6214434 предложен метод получения среды для высокоплотной магнитной записи, заключающийся в формировании на поверхности слоя немагнитного материала (Cr, Si, немагнитные металлы и немагнитные неметаллы), нанесенного на немагнитную подложку (NiP, Al, стекло, керамика и т.д.), углублений с последующим нанесением (путем химического осаждения или распыления) в эти углубления магнитного металла (Ni, Co, магнитные сплавы). Углубления диаметром порядка 100 нм и глубиной 50 нм были расположены на расстоянии 200 нм друг от друга. Формировались углубления при помощи теплового воздействия лазерного излучения, подводившегося к выбранной точке поверхности немагнитной матрицы волоконноптическим световодом. Магнитный материал, находившийся после осаждения вне углублений на поверхности немагнитного слоя, удалялся механическим шлифованием. Углубления, заполненные магнитным материалом, представляли собой невзаимодействующие, регулярно расположенные изолированные магнитные частицы, на которых может производиться магнитная запись. Недостатками этого метода являются довольно сложный технологический процесс, включающий много промежуточных этапов, и относительно большой размер сформированных магнитных частиц. Следует также отметить возможное сильное влияние механической шлифовки на магнитные свойства формируемых наноразмерных магнитных частиц.

Предлагаемое изобретение дает возможность получать магнитные среды для записи повышенной плотности, а также упростить процесс получения магнитных сред для записи.

Данная задача решается тем, что в качестве объектов, на которых осуществляется запись информации и являющихся неотъемлемым компонентом магнитных сред для записи, предлагается использовать наноразмерные области (кластеры) с отличным от основной матрицы магнитным состоянием, образующиеся в результате введения в матрицу примесей или дефектов. Примеси или дефекты вводятся в магнитную матрицу, представляющую собой пленку, непосредственно в процессе ее формирования и распределяются в ней равномерно.

Особенностью изобретения является то, что в процессе получения среды для хранения информации в исходную матрицу из магнитного материала вводятся примеси или дефекты. Введенные примеси или дефекты взаимодействуют с материалом матрицы, в результате чего:

1) в ней формируются мелкодисперсные области (кластеры) с характерными размерами от нескольких ангстрем до нескольких десятков нанометров и с существенно отличным от основной матрицы типом магнитного состояния (магнитное состояние характеризуется типом и температурой магнитного упорядочения, величиной намагниченности, магнитной анизотропии, размагничивающего фактора, другими магнитными характеристиками, а также их комбинацией);

2) кластеры устойчиво фиксируются в матрице в позициях, связанных с пространственным расположением примесей или дефектов (на самих примесях или дефектах или в различных точках пространства между ними, например в междоузлиях). При этом примеси и дефекты равномерно распределены в материале матрицы. Кластеры, на которых осуществляется запись информации, могут располагаться в матрице статистически равномерно или образовывать упорядоченные пространственные структуры.

В качестве исходной матрицы используется материал, обладающий ферро-, антиферромагнитным или каким-либо другим типом магнитного упорядочения либо парамагнитными свойствами. Характеристики кластеров (размер, расстояние между кластерами и их пространственное расположение, магнитное состояние и т.д.) определяются физическими свойствами матрицы и вводимых примесей (или дефектов) и могут регулироваться в широких пределах изменением концентрации примесей или дефектов, которая может составлять до 30 ат.%. Магнитное состояние кластера отличается от магнитного состояния матрицы: например, это могут быть ферромагнитные кластеры в антиферромагнитной или парамагнитной матрице. В качестве примесей могут служить бериллий (Be), бор (В), углерод (С), натрий (Na), магний (Mg), алюминий (Аl), кремний (Si), фосфор (Р), калий (К), кальций (Са), элементы 3d переходной группы: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn; галлий (Ga), германий (Ge), мышьяк (As), селен (Se), бром (Вr), рубидий (Rb), стронций (Sr), элементы 4d переходной группы: Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd; цезий (Cs), барий (Ва), элементы 4f переходной группы (редкоземельные элементы): La, Се, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu; элементы 5d переходной группы: Hf, Та, W, Re, Os, Ir, Pt, Au; свинец (Pb) или их комбинации, а качестве дефектов – вакансии, атомы внедрения, локальные напряжения, неоднородности, смещения, дислокации, искажения и другие нарушения периодичности кристаллической решетки или их комбинации.

Заявленный способ формирования магнитной среды для записи информации может реализовываться с помощью известных методов получения тонких пленок, к которым относятся:

– химическое и электрохимическое осаждение из жидкой фазы;

– химическое осаждение из паровой фазы;

– вакуумное осаждение;

– молекулярно-лучевая эпитаксия;

– ионно-лучевое распыление;

– вакуумное распыление на постоянном или переменном токе;

– магнетронное распыление;

– импульсное лазерное распыление;

– комбинации перечисленных выше и других аналогичных методов.

Требуемая стехиометрия матрицы и содержание примесей и дефектов обеспечивается выбором соответствующего состава мишеней, электродов, растворов, состава атмосферы, а также температуры, давления электромагнитного поля и других регулируемых параметров при проведении процесса формирования пленки. Введение дефектов и изменение их концентрации осуществляется также облучением матрицы в процессе ее формирования или при ее последующей обработке высокоэнергетическими фотонами, ионами, электронами и другими частицами. Для введения в матрицу примесей или дефектов используется также осаждение пленки матрицы на подслой, содержащий заданную концентрацию примесей или обеспечивающий своей структурой формирование в ней дефектов. Свойства полученного перечисленными выше методами материала для записи могут также изменяться путем термообработки (отжиг, закалка и т.д.) в вакууме или в газовой атмосфере (атмосфера может содержать такие газы, как азот, кислород, водород, аргон и т.д.), вызывающего рекристаллизацию или иные изменения кристаллической структуры матрицы и распределения примесей или дефектов, и выбором режима термообработки.

Возможность осуществления на полученной таким способом среде записи с высокой плотностью обеспечивается нанометровым диапазоном размеров кластеров и их взаимодействием с матрицей. Последний фактор дает необходимые для записи на магнитном материале гистерезисные свойства – коэрцитивную силу и остаточную намагниченность. Фактически предлагаемый способ позволяет получать магнитные среды для записи, аналогичные средам, состоящим из немагнитной полимерной пленки с включенными в нее субмикронными магнитными частицами, рассмотренными выше (аналогом магнитных субмикронных частиц служат в данном случае наноразмерные кластеры с отличным от основной матрицы типом магнитного упорядочения). Вместе с тем среды, полученные предлагаемым способом, характеризуются значительно меньшими размерами магнитных кластеров и их интенсивным магнитным взаимодействием с матрицей, приводящим к увеличению анизотропных свойств и уменьшению влияния тепловых колебаний кристаллической решетки на магнитный момент кластера. Все это позволяет повысить надежность хранения информации, существенно увеличить плотность записи.

Приводимый ниже пример иллюстрирует, но не ограничивает существо предлагаемого изобретения.

Пленка La_0,85Са_0,15MnО₃ (исходная матрица LaMnO₃, примесь – Са) изготавливается методом распыления мишени соответствующего состава с помощью импульсного лазерного излучения. В этом методе луч лазера проходит через прозрачное окошко в вакуумную камеру и фокусируется на поверхности мишени. В результате нагрева лучом материала мишени происходит его испарение. Испаренные ионы осаждаются на расположенную в камере подложку, формируя на ней тонкую пленку заданного состава. Подложка подогревается с целью увеличения подвижности адсорбированных атомов и достижения равновесной кристаллической структуры пленки.

Мишень приготавливается по керамической технологии путем смешения редкоземельного оксида Lа₂O₃ и карбонатов СаСО₃ и МnСО₃, их размалывания и спекания при температуре 1400°С в течении 24 часов с последующим отжигом при 1000°С в течении 8 часов (спекание и отжиг проводятся в атмосфере кислорода).

Для получения пленки Lа_0,85Са_0,15MnО₃ толщиной 100 нм используется эксимерный лазер KrF с длиной волны 248 нм, энергией импульса 0,5 Дж, длительностью импульса 15 нс и частотой следования импульсов 30 Гц. Расстояние между подложкой и мишенью составляет 40 мм. В процессе формирования пленки в камере поддерживается давление кислорода величиной 0,1 Торр. Температура подложки составляет 700°С. Подложка представляет собой окисленную пластину кремния.

Кристаллическая структура пленки контролируется с помощью рентгеновского дифрактометра с использованием излучения Cu . Пленка имеют однофазную кубическую структуру типа перовскита. Петли гистерезиса, измеренные при помощи вибрационного магнитометра при температуре жидкого азота, характеризуются коэрцитивной силой величиной 650 Э и остаточной намагниченностью величиной 250 Гс. Кривые зависимости намагниченности от температуры, измеренные при охлаждении в присутствии магнитного поля и без поля, обнаруживают существенный температурный гистерезис ниже точки магнитного упорядочения. На температурной зависимости намагниченности, полученной при охлаждении без поля, наблюдается также резкий спад при низких температурах. Такое поведение характерно для системы невзаимодействующих ферромагнитных частиц (кластеров), находящихся в матрице, и указывает на возможность применения пленки, изготовленной описанным выше способом, для высокоплотной магнитной записи.

Манганит лантана LaMnО₃ имеет кристаллическую структуру перовскита и представляет собой изолятор с антиферромагнитным упорядочением. В соответствии с модельными представлениями [2, 3], введение в манганит лантана примеси двухвалентного элемента (например, Са или Sr), вызывает образование вблизи атомов примеси кластеров нанометровото размера с ферромагнитным упорядочением. Исходная матрица манганита лантана сохраняет при этом антиферромагнитное упорядочение и изолирующие свойства. Нейтронографические измерения, проведенные на образцах манганита лантана, легированного кальцием La_1-хСа_хMnО₃ (х=0,05; 0,08) [4], показали, что размер кластера в антиферромагнитной матрице составляет около 1 нм. Увеличение концентрации примеси вызывает увеличение размера кластера. В монокристалле La_0,7Са_0,3МnО₃ с помощью сканирующего туннельного микроскопа были обнаружены ферромагнитные кластеры размером в несколько десятков нм [5]. В ортоманганитах на основе редкоземельных элементов с содержанием примеси двухвалентного элемента до 30% (RaMnО₃, R – редкоземельный металл La, Eu, Рr, Nd, a A – двухвалентный элемент Са, Ва, Sr) наблюдается также магнитное поведение, характерное для систем невзаимодействующих магнитных частиц, находящихся в матрице, в частности, сильный температурный гистерезис на зависимостях намагниченности от температуры, измеренных при охлаждении в присутствии магнитного поля и без поля.

Таким образом, предложенный в данном патенте способ получения среды для высокоплотной магнитной записи может быть реализован, в частности, на тонких пленках на основе редкоземельных ортоманганитов со структурой перовскита.

Источники информации

1. Magnetic recording. Ed. C.D. Mee and E.D. Daniel. McGraw Hill, 1995.

2. Нагаев Э.Л. – Успехи физ. наук, 1996, т. 166, №8, 833-858.

3. Горьков Л.П. – Успехи физ. наук, 1998, т. 168, №6, 665-671.

4. Hennion M., Moussa F., Biotteau G., Rodriguez-Carvajal J., Pinsard L., Revcolevschi A. – Phys. Rev. Letters, 1998, v. 81, № 9, 1957-1960.

5. Fath M., Freisem S., Menovsky A.A., Tomioka Y., Aarts J., Mydosh J.A. – Science, 1999, v. 285, 1540-1542.

Формула изобретения

1. Способ формирования магнитного материала для записи информации с высокой плотностью, включающий формирование в матрице, представляющей собой пленку, областей с отличным от матрицы магнитным состоянием в процессе ее получения, отличающийся тем, что матрица выполнена из магнитного материала, а области с отличным от матрицы магнитным состоянием имеют размеры в диапазоне от нескольких ангстрем до 50 нанометров и формируются в результате введения в магнитную матрицу примесей или дефектов кристаллической структуры.

2. Способ формирования магнитного материала по п.1, отличающийся тем, что в качестве примесей используются Be, В, С, Na, Мg, Al, Si, Р, К, Са, элементы 3d переходной группы: Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Со, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, As, Se Br, Rb, Sr, элементы 4d переходной группы: Y, Zr, Nb, Мо, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, Cs, Ва, элементы 4f переходной группы – редкоземельные элементы: La, Се, Рr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb, Lu; элементы 5d переходной группы: Hf, Та, W, Re, Ir, Pt, Au, Pb или их комбинации.

3. Способ формирования магнитного материала по п.1, отличающийся тем, что в качестве дефектов используются вакансии, атомы внедрения, локальные напряжения, неоднородности, смещения, дислокации, искажения и другие нарушения периодичности кристаллической решетки или их комбинации.

4. Способ формирования магнитного материала по п.1, отличающийся тем, что в качестве способа получения магнитного материала используется химическое и электрохимическое осаждение из жидкой фазы, химическое осаждение из паровой фазы, вакуумное осаждение, молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-лучевое распыление, вакуумное распыление на постоянном или переменном токе, магнетронное распыление, импульсное лазерное распыление.

5. Способ формирования магнитного материала по п.1, отличающийся тем, что получаемый магнитный материал подвергается термообработке в вакууме или в газовой атмосфере, вызывающий рекристаллизацию или иные изменения кристаллической структуры магнитной матрицы и распределение примесей или дефектов.

6. Способ формирования магнитного материала по п.1, отличающийся тем, что для введения в магнитную матрицу дефектов и изменения их концентрации магнитный материал подвергается в процессе формирования или после облучению высокоэнергетическими фотонами, ионами, электронами и другими частицами.

7. Способ формирования магнитного материала по п.1, отличающийся тем, что для введения в магнитную матрицу примесей или дефектов используется осаждение пленки магнитной матрицы на подслой, содержащий заданную концентрацию примесей или обеспечивающий своей структурой формирование в ней дефектов.