النمو المعتمد على درجة الحرارة والتوصيف المغناطيسي لأفلام FePt الرقيقة لتطبيقات تخزين البيانات المتقدمة

هذا المحتوى مأخوذ من منحة كلية Stanford Advanced Materials لعام 2025 مقدمة من فرانك إيفي.

الملخص

يستمر الذكاء الاصطناعي (AI) في إعادة تشكيل التكنولوجيا الحديثة، مما يفرض متطلبات عالية على قدرات معالجة البيانات وتخزينها. يعد تحسين سرعة وسعة أنظمة تخزين البيانات الإلكترونية، وخاصة محركات الأقراص الصلبة (HDDs)، أمرًا ضروريًا لتلبية هذه المتطلبات. وقد برزت الأغشية الرقيقة المصنوعة من الحديد والبلاتين (FePt) كمواد واعدة نظرًا لخصائصها الاستثنائية، مثل التباين المغناطيسي العالي، والمغنطة القوية، والإكراه الكبير، والاستقرار الحراري والكيميائي العالي. وهذه الخصائص تجعل من الأغشية الرقيقة المصنوعة من الحديد فوسفات مرشحة مثالية لتقنيات التخزين المتقدمة، بما في ذلك التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة (HAMR)، المصممة لتعزيز كثافة بيانات الأقراص الصلبة بشكل كبير. وفي حين تمت دراسة FePt على نطاق واسع، لا تزال هناك فجوة ملحوظة في فهم الآلية الكامنة وراء سلوك التبديل المغناطيسي المزدوج الذي لوحظ عند ترسيب هذه الأغشية على ركائز السيليكون. يستكشف هذا البحث تركيب وتوصيف أغشية FePt الرقيقة المزروعة على ركائز من الزجاج والسيليكون والسيليكون المؤكسد عند درجة حرارة الغرفة و250 درجة مئوية و450 درجة مئوية باستخدام الرش المغنطروني المغنطروني المستمر. تم فحص مورفولوجيا السطح والبنية البلورية باستخدام الفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) وحيود الأشعة السينية (XRD)، بينما تم تقييم الخصائص المغناطيسية من خلال الفحص المجهري للقوة المغناطيسية (MFM) وقياس المغناطيسية للعينة الاهتزازية (VSM). ويوفر التحقيق في تأثير درجة حرارة النمو على الخصائص الهيكلية والمغناطيسية لأفلام FePt رؤية قيمة لتكييف أدائها في أنظمة تخزين البيانات من الجيل التالي والتطبيقات الصناعية.

مقدمة

دُرست أفلامسبائك النيوديميوم على نطاق واسع واستخدمت على نطاق واسع في تطبيقات تخزين البيانات على مر السنين (Emmelius وآخرون، 1989؛ He وآخرون، 2022). ومع ذلك، نظرًا لكونها عناصر أرضية نادرة، فهي باهظة الثمن وسهلة الإزالة المغناطيسية في درجات حرارة عالية جدًا، مع وجود معلومات قليلة عن خواصها الكهربائية والمغناطيسية لتصنيع الأجهزة (بالوني وآخرون، 2023؛ شكير وآخرون، 2022؛ يومنام وآخرون، 2020). زادت أغشية سبائك الحديد المغناطيسية الحديدية بشكل كبير من تطبيقات تخزين الذاكرة بسبب بنيتها المحددة جيدًا وخصائصها المغناطيسية المثيرة للاهتمام. وقد بحثت العديد من الدراسات في الخصائص الرائعة للأغشية الرقيقة من سبائك الحديد الثنائية لتطبيقات الأجهزة مثل السبنترونيك والمغناطيس الدائم ووسائط التسجيل المغناطيسي (أبيل وآخرون، 2019؛ كروبينسكي وآخرون، 2019؛ بريليير وآخرون، 2020).

من بين سبائك الحديد الثنائية، تتمتع أفلام الحديد البلاتيني (FePt) بخصائص مغناطيسية استثنائية مثل التباين المغناطيسي العالي، وخصائص الاقتران التبادلي، وظواهر التبديل المزدوج، والاستقرار الحراري والكيميائي، وغير ذلك الكثير. وتتأثر هذه الخصائص بشكل كبير بظروف نموها، مثل درجة الحرارة ووقت النمو ومعدل تدفق الغاز. ونتيجة لذلك، يعد اختيار ظروف النمو المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لتحقيق الخصائص المغناطيسية المناسبة للأغشية الرقيقة من الحديد والفضة (سوزوكي وآخرون، 2021). ولتعزيز سعة تخزين البيانات في أجهزة تخزين بيانات الذاكرة، يجب تغيير محاذاة البتات في التسجيل المغناطيسي من المحاذاة الطولية إلى المحاذاة العمودية، كما هو الحال في التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة. ومع ذلك، تُجرى الأبحاث الحالية لتنمية النسيج العالي والتباين المغناطيسي المتعامد المرتبط به في الأغشية الرقيقة من الحديد والصلب (ليو وآخرون، 2022؛ شين وآخرون، 2018؛ يانغ وآخرون، 2019).

ينشأ اقتران التحيز التبادلي بين المرحلتين الصلبة والناعمة للأغشية الرقيقة من FePt من الانتشار البيني لتلامس النقل عند حدود الحبوب والاقتران المغناطيسي المغناطيسي الناجم عن الحقول الشاردة الموجودة في المرحلة الصلبة (سينغ وآخرون، 2018). واعتمادًا على ظروف النمو، يمكن أن تحتوي أفلام FePt على مرحلتين: المرحلة المكعبة والمرحلة L10 المرتبة_مع بنية حبيبية موجهة عشوائيًا. وعلى عكس أفلام L10_FePt الحبيبية L10، هناك زيادة في الرنين المغناطيسي الحديدي للفيلم عند درجات حرارة عالية. وقد ثبت أن المعالجة الحرارية تزيد من التباين المغناطيسي المتعامد لأفلام FePt، مما يؤدي إلى زيادة الإكراه وتعزيز الكثافة المساحية لتطبيقات تخزين البيانات (Li & Wang، 2022؛ Liu وآخرون، 2022). وعلاوة على ذلك، قد تؤدي زيادة درجة الحرارة فوق درجة حرارة معينة إلى تكوين حبيبات غير مرغوب فيها بسبب تكتل الجسيمات النانوية (جويال وآخرون، 2019). بالإضافة إلى ذلك، شارك فاشيشت وآخرون (2021) في ترسيب أغشية FeCo/FePt متعددة الطبقات على ركائز سيليكون، مما أظهر زيادة في حجم بلورات حبيبات FePt بعد التلدين، بالإضافة إلى تأكيد السلوك المغناطيسي في المرحلة اللينة. إن التثبيت الذي تهيمن عليه جدران المجال هو المسؤول عن الزيادة في الإكراه في المحور خارج المستوى.

تحضير العينة والتفاصيل التجريبية

تم ترسيب أغشية FePt الرقيقة باستخدام الرش المغنطروني بالتيار المستمر على ركائز زجاجية مقاس 5 × 5 مم عند درجات حرارة الركيزة في درجة حرارة الغرفة (23 درجة مئوية) و250 درجة مئوية و450 درجة مئوية. تم تنظيف الركائز الزجاجية بالموجات فوق الصوتية في الأسيتون لمدة 90 دقيقة عند درجة حرارة 25 درجة مئوية لإزالة الملوثات السطحية، ثم تم تجفيفها بالهواء. قبل الترسيب، تم تسخين الركائز مسبقًا عند 100 درجة مئوية لمدة 5 دقائق لتعزيز الالتصاق. تم تركيب جهاز التسخين داخل حجرة الترسيب التي تم تفريغها إلى ضغط أساسي 10-7 تور. تم إجراء الترسيب عند ضغط أرغون بمقدار 5 ملي تيرابايت من الأرجون وقوة مدفع بقوة 50 واط لمدة 15 دقيقة، مع مسافة ثابتة بين الهدف والركيزة تبلغ 40 سم. بعد كل ترسيب، تم تبريد النظام إلى درجة حرارة الغرفة. كانت معلمات النمو هذه متوافقة مع تلك التي تم الإبلاغ عنها في الدراسات ذات الصلة (القطني، 2017؛ إيفي، 2023؛ ليزفي وآخرون، 2017).

النتائج والمناقشات

تم تحليل مورفولوجيا السطح وتضاريس الأغشية المنزوعة المغناطيسية باستخدام مجهر القوة الذرية (AFM)، بينما تم تقييم هياكل المجال المغناطيسي باستخدام مجهر القوة المغناطيسية (MFM). استُخدِم حيود الأشعة السينية (XRD) للتحقق من البنية البلورية وتكوين الطور، واستُخدِم قياس المغناطيسية الاهتزازية للعينات (VSM) لتقييم الخواص المغناطيسية في ظل حقول داخل المستوى تتراوح بين -20 و20 كيلو أوي.

كشف الرصد بالرنين المغناطيسي الترددي الآلي AFM أنه عند درجة حرارة 23 درجة مئوية، أظهرت الأغشية تجمعات حبيبية مع بعض الشقوق والفراغات، مما يشير إلى ضعف الانتشار السطحي. عند درجة حرارة 250 درجة مئوية، بدت الحبيبات موزعة بشكل أكثر تجانسًا، مشكّلةً ملامح كروية دون تشققات مرئية. عند 450 درجة مئوية، تم تحقيق سطح موحد خالٍ من التشققات بمتوسط خشونة 10 نانومتر. تشير هذه النتائج إلى أن زيادة درجة حرارة الركيزة تعزز جودة البنية المجهرية لأفلام FePt، مما يجعلها واعدة لتطبيقات الأجهزة، خاصة في تقنيات التخزين المغناطيسي. تتماشى الاتجاهات الملحوظة مع النتائج التي تم الإبلاغ عنها سابقًا (Skok وآخرون، 2022؛ Weisheit وآخرون، 2004)، ولم يتم اكتشاف أي قوة مغناطيسية بين الفيلم وطرف الكابولي كما هو موضح في الشكل 2أ. ويرجع ذلك إلى درجة حرارة الترسيب المنخفضة البالغة 23 ℃، وهي غير كافية لمحاذاة العزم المغناطيسي. ونتيجة لذلك، في درجة حرارة الغرفة، يتميز الفيلم بمرحلة ناعمة من خصائص بنية الطور المكعب FCC المضطربة. وعندما ارتفعت درجة الحرارة إلى 250 درجة مئوية، تم اكتشاف بنية جزرية للمجالات المغناطيسية، والتي تكون موجهة بشكل عشوائي خارج المستوى، كما هو موضح في الشكل 2ب. علاوة على ذلك، مع زيادة درجة حرارة الركيزة إلى 450 ℃، كانت هناك زيادة في تباين المجال المغناطيسي في الصورة المغناطيسية للفيلم، والتي تتكون من تباين أبيض وأسود يمثل الهياكل المغناطيسية ذات التفاعلات القوية ذات الاستجابة القوية سواء كانت إيجابية أو سلبية مع طرف الكابولر، كما هو موضح في الشكل 2ج. وقد وُجد أن هذه المجالات تشير عادةً إلى مكون المغنطة خارج المستوى.

الشكل 1(أ-ج): صورة AFM لأغشية FePt المُصنَّعة التي تُظهر تضاريس الحبيبات مع
زيادة درجة حرارة الركيزة من (أ) 23 ℃، (ب) 250 ℃، إلى (ج) 450 ℃

بالإضافة إلى ذلك، يعكس الجزء البني من المجال المغناطيسي نطاقات ضعيفة، والتي يمكن أن تكون ناتجة عن عناصر مغناطيسية ذات محور مغنطة سهلة المغنطة داخل المستوى تقريبًا تتفاعل بشكل ضعيف مع طرف الكابولي. ونتيجة لذلك، يتم تغيير بنية المغنطة الكاملة للفيلم بالكامل. ويرجع ذلك إلى التباين المغناطيسي المتعامد العالي للفيلم المترسب، حيث يتم محاذاة اتجاه المغنطة لأعلى ولأسفل داخل جدار المجال. يمكن أن يفسر الهيكل الرباعي الزوايا_{المتمركز حول الوجه} L10 المرتب للأفلام المزروعة التباين العمودي الكبير للأفلام عند درجات حرارة الركيزة الأعلى (Lisfi وآخرون، 2017).

الشكل 2 (أ-ج): صورة MFM للأغشية الرقيقة المصنعة من FePt تظهر المجالات المغناطيسية عند
(أ) 23 ℃ (ب) 250 ℃ (ج) 450 ℃ (ج) 450 ℃

الخاتمة

تم ترسيب أغشية FePt الرقيقة بنجاح على ركيزة زجاجية عند ثلاث درجات حرارة مختلفة: درجة حرارة الغرفة و250 درجة مئوية و450 درجة مئوية. تؤدي زيادة درجة حرارة الترسيب إلى زيادة في نمو الحبيبات مع عدم وجود فراغات وثقوب كما لوحظ بواسطة AFM وSEM. وأظهر الفحص المجهري للقوة المغناطيسية أن اللحظات المغناطيسية موجهة بشكل عمودي على مستوى الفيلم. مع زيادة درجة حرارة الركيزة في النظام المغلق الذي يحتوي على الغاز الخامل، تنتقل الأطوار المغناطيسية لفيلم fcc-FePt ذي الطور اللين، الذي تكون ذراته موجهة عشوائيًا، إلى تشكيل فيلم L10 fct-FePt مرتب على الركيزة الزجاجية.

التوصيات

تركّز هذه الدراسة على تخليق وتوصيف الأغشية الرقيقة FePt، وهي سبيكة معدنية نادرة واعدة
سبيكة معدنية نادرة، مصممة خصيصًا للتطبيقات الصناعية في تخزين البيانات المغناطيسية، وخاصة التسجيل المغناطيسي بمساعدة الحرارة (HAMR). من خلال تحسين ظروف النمو من خلال
من خلال تباين درجة حرارة الركيزة الأساسية، قمنا بتعزيز الخصائص الهيكلية والمغناطيسية للفيلم (العمل جارٍ),
مما يجعلها مناسبة لأجهزة التخزين عالية الكثافة. يتماشى العمل مع التطوير الحالي
الحالية في استخدام المعادن النادرة، وتلبية الطلب العالمي على المواد المتينة وعالية الأداء
في الإلكترونيات. إن تطوير التقنيات القائمة على الحديد والفلزات النادرة يدعم التحول الاستراتيجي نحو الكفاءة,
والأجهزة المصغرة والموفرة للطاقة في المشهد الصناعي المتطور القائم على البيانات.

المراجع

Appel, P., Shields, B. J., Kosub, T., Hedrich, N., Hübner, R., Faßbender, J., Makarov, D., & Maletinsky, P. (2019). المغناطيسية النانوية للمغناطيسية المغناطيسية الحبيبية الحبيبية الرقيقة المغناطيسية. Nano Letters, 19(3), 1682-1687. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b04681

Baloni, M., Sharma, R. C., Singh, H., H., Khan, B., B., Singh, M. K., Sati, P. C., Thakur, V. N., Kotnala, R. K., & Kumar, A. (2023). تخزين الطاقة والاقتران الكهرومغناطيسي المغناطيسي في محلول BiFeO3-PbTiO3 الصلب المخدّر بالنيوديميوم (Nd). مجلة السبائك والمركبات، 946, 169333. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2023.169333

Emmelius, M., Pawlowski, G., & Vollmann, H. W. (1989). مواد لتخزين البيانات الضوئية. Angewandte Chemie International Edition in English, 28(11), 1445-1471. https://doi.org/10.1002/anie.198914453

Goyal, R., Lamba, S., & Annapoorni, S. (2019). نمذجة التباين المغناطيسي المستحث بالإجهاد في أغشية FePt الرقيقة المضافة من الذهب. التقدم في العلوم الطبيعية: Materials International, 29(5), 517-524. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2019.09.001.

He, Y., Helm, T., Soldatov, I., Schneider, S., Pohl, D., Srivastava, A. K., Sharma, A. K., Kroder, J., Schnelle, W., Schaefer, R., R., Rellinghaus, B., Fecher, G. H., Parkin, S. S. P., & Felser, C. (2022). فقاعات مغناطيسية متناهية الصغر في Nd 2 Fe 14 B في درجة حرارة الغرفة. المراجعة الفيزيائية ب، 105(6)، 064426. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.064426

Krupinski, M., Bali, R., Mitin, D., Sobieszczyk, P., Gregor-Pawlowski, J., Zarzycki, A., Böttger, R., Albrecht, M., Potzger, K., & Marszałek, M. (2019). المغناطيسية الحديدية المستحثة بالأيونات مقترنة بالتجميع الذاتي للتعديل المغناطيسي للمساحة الكبيرة للأغشية الرقيقة. نانوسكيل، 11(18)، 8930-8939. https://doi.org/10.1039/C8NR10011J

Li, W., & Wang, X. (2022). تأثير التوائم النانوية على {001} نسيج الأغشية الرقيقة L10-FePt. الفيزياء التطبيقية أ، 128(11)، 1024. https://doi.org/10.1007/s00339-022-06173-w

Lisfi, A., Pokharel, S., Akioya, O., Alqhtany, N. H., & Wuttig, M. (2017). عملية المغنطة التي لا رجعة فيها وآلية التبديل في الأغشية الرقيقة L1 0 FePt. AIP Advances, 7(5), 056206. https://doi.org/10.1063/1.4973759

Liu, C., Srinivasan, K., Ajan, A., A., McCollum, E., Kalitsov, A., Kalappattil, V., & Wu, M. (2022). الرنين المغناطيسي الحديدي في الأغشية الرقيقة FePt عند درجات حرارة مرتفعة. مجلة المغناطيسية والمواد المغناطيسية، 563، 169988. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169988

Preller, T., Knickmeier, S., Menzel, D., Temel, B., & Garnweitner, G. (2020). التحيز التبادلي في الأغشية الرقيقة FePt-FePt 3 عن طريق التحكم في انتقال الطور لكتل بناء الجسيمات النانوية المخلوطة. Langmuir, 36(8), 2093-2101. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b02880

Shen, C. Y., Yeh, P. Y., Yuan, F. T., Chang, H. W., Lee, M. Y., Lin, D. Y., & Wang, C. R. (2018). الخصائص المغناطيسية العمودية المحسنة للأغشية الرقيقة النابضة النابضة بالتيار المستمر FePt. Surface and Coatings Technology, 350, 795-800. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2018.04.047

Shkir, Mohd., Khan, A., A., Imran, M., A., Ajmal Khan, M., Zargar, R. A., Alshahrani, T., Deva Arun Kumar, K., Mohanraj, P., Chandekar, K. V., & AlFaify, S. (2022). التحلل الحراري بالرش الذي تم تطوير أغشية رقيقة ذات بنية نانوية مخدرة Nd Co3O4 وخصائصها الهيكلية والبصرية غير الخطية لتطبيقات الإلكترونيات الضوئية. البصريات وتكنولوجيا الليزر، 150, 107959. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2022.107959.

Singh, S., S., Kumar, D., Bhagat, B., Choudhary, R. J., Reddy, V. R., & Gupta, A. (2018). تأثير التحيز التبادلي في هيكل ثنائي الطبقات قائم على الحديد والصلب L1 0 -مرتب FePt و FeCo: تأثير زيادة المجال المطبق. مجلة الفيزياء د: الفيزياء التطبيقية، 51(7)، 075006. https://doi.org/10.1088/1361-6463/aaa539

Suzuki, I., Kubo, S., S., Sepehri-Amin, H., & Takahashi, Y. K. (2021). اعتماد وضع النمو في أفلام FePt Epitaxial على الطاقة الحرة السطحية. ACS Applied Materials & Interfaces, 13(14), 16620-16627. https://doi.org/10.1021/acsami.0c22510

Vashishisht, G., Shashank, U., Gupta, S., Medwal, R., Dong, C. L., Chen, C. L., Asokan, K.,Fukuma, Y., & Annapoorni, S. (2021). تباين الخواص المتباينة خارج المستوى بمساعدة الصنوبر في الطبقات الثنائية المعدنية المتداخلة FeCo/FePt المكدسة العكسية للتبديل المتحكم فيه في الإلكترونيات المغناطيسية. Journal of Alloys and Compounds, 877, 160249. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160249 Yang, W.-S., Sun, T.-H., Chen, S.-C., Jen, S.-U., Guo, H.-J., Liao, M.-H., & Chen, J.-R. (2019).

مقارنة بين الهياكل المجهرية والخصائص المغناطيسية في أفلام سبائك FePt المودعة بواسطة رش المغنطرون المغنطروني بالتيار المباشر والرش المغنطروني الدافع عالي الطاقة. مجلة السبائك والمركبات، 803، 341-347. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.216

Yumnam, G., Guo, J., Chen, Y., Lauter, V., & Singh, D. K. (2020). الظواهر المغناطيسية غير التقليدية في الأغشية الرقيقة من النيوديميوم. Physical Review Research, 2(4), 043018. https://doi.org/10.1103/PhysRevResearch.2.043018