华南理工大学Acta Materialia：原子扩散和成分分布对Cr/SmCo/(Cu)/Cr薄膜磁各向异性的影响机制研究

【前言】

永磁薄膜，如铁基和稀土合金薄膜，由于其优异的磁晶各向异性能(K_u)，已经在硬盘和数据存储电子设备领域得到了广泛的研究。在这些材料中，具有优异磁性能和热稳定性的SmCo基合金是未来高密度热辅助磁记录(HAMR)介质和下一代非易失性存储器的理想候选材料。

对于HAMR介质，应该使用具有相对高K_u和中等T_C的材料来减少激光热对相邻晶粒的影响。由于散热的重要作用，减小相邻的记录单元受激光加热的影响，应该选择热稳定性更高的材料，如SmCo。在记录中，随着激光温度瞬间升高到接近T_C时，介质的矫顽力迅速降低，介质会被磁化。并且当外部热场被去除之后，矫顽力也可随之恢复，记录的信息则会被完好保存。尽管SmCo及其纳米复合合金具有相对高的各向异性场和(BH)_max，但它们通常有随机取向的多个相共存，这阻止了矫顽力和磁各向异性场的进一步增强，不利于进一步分析矫顽力机制和获得非易失性存储器。先前的研究表明，掺杂第三种元素，如Cu、Ti和Ru，对于调控磁各向异性能、热稳定性和SmCo基合金的成分是十分必要的。掺杂元素的原子扩散行为和存在状态取决于退火过程，这对于提高矫顽力和各向异性场非常重要。然而，目前原子掺杂对磁化反转的内在机制尚缺乏理论研究。

磁性能可通过磁畴运动控制来调节。磁畴揭示了内在的磁性能变化规律，并可作为确定矫顽力机制的依据。磁畴结构可以由磁矩反转和磁畴壁扩展来控制，这对于调控纳米级铁磁结构来说是至关重要的。

【研究亮点】

1. 引入Cu层和退火处理可调控磁各向异性，从各向同性到各向异性转变以及磁畴结构的形成；Co和非晶相作为晶界相，其各向异性场的差异会直接影响畴壁运动和矫顽力。

2. Sm (Co，Cu)合金各向异性场的提高及少量SmCo₅晶界相的存在也有利于矫顽力的增强。

【成果简介】

稀土( RE )永磁薄膜，如SmCo基薄膜，由于其极高的热稳定性和优良的超顺磁性临界尺寸，有望成为未来热辅助磁记录介质的候选材料。相组成分布和晶格取向可以直接影响SmCo薄膜的磁畴演变和磁性能。然而，这些膜中通常存在多种相，没有明显的磁各向异性，从而难以分析不同相对磁性能的作用，而且目前科研人员对退火引起的原子扩散对SmCo薄膜晶化过程和磁各向异性能的影响研究甚少。近日，来自华南理工大学的邱兆国助理研究员和曾德长教授（共同通讯）联合在Acta Materialia上发表文章，题为“Influencing mechanisms of atomic diffusion and compositional distribution on the magnetic anisotropy of Cr/SmCo/(Cu)/Cr thin films”。本工作通过引入Cu层的形式掺杂Cu原子，研究其对Cr/SmCo/(Cu)/Cr薄膜磁各向异性的影响。Cu层的添加和退火处理后可有效地调控磁各向异性，从各向同性到各向异性的转变和磁畴结构形成。微磁学模拟结果表明，Co和非晶相作为晶界相，其各向异性场的差异会影响畴壁运动和矫顽力，实验结果也印证了类似的趋势。此外， Sm (Co，Cu)合金的各向异性常数的提高以及少量SmCo₅边界相的存在也有利于矫顽力的增强。由于SmCo₅相c轴具有面内择优取向，有效地改善面内磁各向异性，。这项工作通过调控原子扩散来提高磁各向异性能及优化晶界相分布，为今后制备高性能SmCo基薄膜提供了理论和实验指导。

【图文导读】

图1. SmCo相结构与磁性

纳米晶相对材料的磁性有显著影响，如饱和磁化强度和磁各向异性能。一旦出现磁性纳米晶相，磁畴的数量就会增加。非晶相和纳米晶相之间的相互作用降低了各向异性能，并导致磁畴尺寸的减小。在图1d中，制备态SmCo基薄膜面内和面外的矫顽力只有0.1 kOe。

图2. Cr/SmCo/Cu/Cr 薄膜磁结构与磁性能

Cu层( 20nm )的厚度比SmCo层(大约250 nm )的厚度小得多，在该工作中，各层都是在室温下沉积的。在高温(600°C)下进行退火后，由于Cu的扩散激活能较低，Cu原子得以完全扩散到SmCo层中，并取代Co在晶格中的位置。Cu的掺杂有助于诱导SmCo₅相结晶，并通过热扩散增加各向异性场。

图3. 薄膜界面元素分布图

一些富Sm (SmCo₅)的区域开始出现。富Sm区域(虚线圆)在整个SmCo层中几乎是均匀分布的，并被大部分的富Co ( Sm₂Co₁₇)相包覆。通过引入Cu层来诱导SmCo₅相的形成。铜层在退火后消失的主要原因如下:结晶激活能与熔点有关。Cu的激活能低于Cr，因为前者的熔点(1083℃)低于后者(1853℃)。因此，Cr原子的扩散并不明显。

图4. Cr/SmCo/Cr薄膜的磁结构与磁性能

退磁曲线表现出明显的两相行为，显示Sm₂Co₁₇硬相颗粒和非晶相之间存在弱交换耦合作用。

图5. Cr/SmCo/Cr薄膜的元素分布截面图

在未添加Cu层的薄膜中，Sm和Co在Sm (Co，Cu)膜层中的分布是均匀的，成分偏析(富含Sm的区域或富含Co的区域)几乎找不到。由于没有SmCo₅晶界相的存在，因此与退火后的Cr/SmCo/Cu/Cr薄膜相比，矫顽力降低。从元素分布图可以表明晶界相的成分和磁各向异性场的变化对于调控SmCo基合金薄膜磁性能是非常重要的。

图6. 微磁学模拟

进行微磁学模拟是为了进一步理解成分变化、磁畴演变和磁性能之间的关系。作者比较了几幅TEM图像，选择了一幅由颗粒衍射条纹表示的高分辨图像作为原始图像 (图6a )。这张图像中的实际尺寸约为56 nm×56 nm (误差小于0.5 % )，该区域内的几十个晶粒被用来代表均匀样品的微观结构。然后以红线作为指引，根据原子阵列的不同取向划分出不同的颗粒(图6b )。所有的颗粒都填充有不同的颜色，因此每个颗粒的参数可以基于单独的颜色或配色方案来定义。不同的晶粒对应于不同的相，包括SmCo₅、Sm₂Co₁₇、Co或非晶SmCo。这些实验结果为模型的建立提供了参考。厚度沿z轴方向增加，以获得矩形区域作为真实薄膜的一部分。模型尺寸为56 nm×56 nm×10 nm，网格尺寸为0.5 nm×0.5 nm×1 nm，其尺寸小于不同类型SmCo相的交换长度。SmCo相的晶粒尺寸约为10 - 20nm。

图7. 模拟和实验结果的磁滞回线

磁矩优先在通常被视为晶界相的非晶相中发生反转，具有弱钉扎效应。然而，当成核完成后，Sm₂Co₁₇磁畴迅速反转，达到负饱和。模拟结果显示了与实验结果类似的趋势，并表现出各向同性的行为。

图8. 模拟和实验结果的磁滞回线

图8a显示了模拟和实验结果的磁滞回线。模拟结果与实验结果吻合完好。面内方向退磁曲线在不同阶段的表面磁矩分布如图8b所示。添加Cu层后，由于有Sm₂Co₁₇、SmCo₅Co相的的共存现象，故在Cr/SmCo/Cu/Cr薄膜中，我们应该同时考虑三相的影响作用。在Cr/SmCo/Cr 和Cr/SmCo/Cu/Cr 两个模型中存在两个不同点：一是非晶相被Co相取代；另一个是部分Sm₂Co₁₇颗粒被SmCo₅颗粒所取代。

【总结】

通过XRD、HR-TEM、MFM和微磁学模拟，作者系统研究了成分变化和原子扩散行为对Cr/SmCo/(Cu)/Cr薄膜磁畴结构和矫顽力的影响。当引入Cu层并施加外部热场时，Sm(Co,Cu)薄膜从磁各向同性变为明显的面内各向异性。由于Cu原子扩散的影响，面内矫顽力从10.3 kOe增加到16.5 kOe。作者认为Cu在SmCo晶格中的扩散可促进结晶度和磁各向异性场的增强。微磁学模拟进一步阐明了SmCo基合金晶界相的成分变化和晶格取向对磁畴演变和磁各向异性的影响。具有Cu层的SmCo膜中的晶界相包括Co和少量SmCo₅相，而在没有添加Cu层的膜中仅存在非晶晶界相。高K和A会阻碍磁化反转和畴壁运动，从而产生高矫顽力。作者的工作为通过控制原子热扩散和晶界相分布来提高SmCo基薄膜的磁性能提供了理论和实验依据。

文献连接：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)

相关参考文献：

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 SmCo₅multilayers with high coercivity, (Journal of Alloys and Compounds 733 (2018) 45-52)

团队介绍：

邱兆国博士与曾德长教授所在的“磁性材料与功能薄膜”学术团队，隶属于华南理工大学材料科学与工程学院金属材料科学与工程系。团队以磁性材料和器件、功能薄膜、纳米材料、超硬膜以及热喷涂耐磨涂层为主要研究方向，兼顾工业装备失效分析、预测及预防研究。学术团队提倡以应用为背景，充分发挥高校在基础和应用基础研究方面的优势，研究和开发具有广泛应用前景的新型磁性功能材料、半导体器件功能膜材料和高性能耐磨与耐蚀涂层等新材料、新技术及新工艺。近五年，团队承担了国家及省部委科研项目和企业技术攻关项目近50项, 总研究经费4000多万元。在国际、国内重要学术刊物上发表论文200多篇；申请国家发明专利70余件（已授权~30余件）。团队现有双聘院士1名，教授2名，副教授1名，副研究员1名，助理研究员1名，在读博/硕士研究生30余人。

本文由材料人金属组Z. Chen编译。

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