Crecimiento en función de la temperatura y caracterización magnética de láminas delgadas de FePt para aplicaciones avanzadas de

Este contenido procede de una beca de 2025 de la Stanford Advanced Materials College presentada por Frank Efe.

Resumen

La Inteligencia Artificial (IA) sigue dando nueva forma a la tecnología moderna, planteando grandes exigencias a las capacidades de procesamiento y almacenamiento de datos. La mejora de la velocidad y la capacidad de los sistemas electrónicos de almacenamiento de datos, en particular las unidades de disco duro (HDD), es esencial para satisfacer estas demandas. Las películas delgadas de hierro-platino (FePt) se han revelado como materiales prometedores por sus excepcionales propiedades, como su elevada anisotropía magnética, fuerte magnetización, gran coercitividad y gran estabilidad térmica y química. Estas cualidades convierten a las láminas delgadas de FePt en candidatas ideales para tecnologías de almacenamiento avanzadas, como la grabación magnética asistida por calor (HAMR), diseñada para mejorar significativamente la densidad de datos de los discos duros. Aunque el FePt ha sido ampliamente estudiado, sigue habiendo una laguna notable en la comprensión del mecanismo que subyace al comportamiento de doble conmutación magnética que se observa cuando estas películas se depositan sobre sustratos de silicio. Esta investigación explora la síntesis y caracterización de películas delgadas de FePt crecidas sobre sustratos de vidrio, silicio y silicio oxidado a temperatura ambiente, 250 °C y 450 °C mediante pulverización catódica por magnetrón de corriente continua. La morfología superficial y la estructura cristalina se examinaron mediante microscopía de fuerza atómica (AFM) y difracción de rayos X (XRD), mientras que las características magnéticas se evaluaron mediante microscopía de fuerza magnética (MFM) y magnetometría de muestra vibratoria (VSM). La investigación del impacto de la temperatura de crecimiento en las propiedades estructurales y magnéticas de las películas de FePt proporciona información valiosa para adaptar su rendimiento a los sistemas de almacenamiento de datos de próxima generación y a las aplicaciones industriales.

Introducción

A lo largo de los años,las películas de aleaciones deneodimio se han estudiado ampliamente y se han empleado para aplicaciones de almacenamiento de datos (Emmelius et al., 1989; He et al., 2022). Sin embargo, al tratarse de elementos de tierras raras, son caros y se desmagnetizan fácilmente a temperaturas muy altas, existiendo poca información sobre sus propiedades eléctricas y magnéticas para la fabricación de dispositivos (Baloni et al., 2023; Shkir et al., 2022; Yumnam et al., 2020). Las películas de aleaciones ferromagnéticas de hierro han aumentado significativamente las aplicaciones de almacenamiento de memoria debido a su estructura bien definida y a sus intrigantes propiedades magnéticas. Varios estudios han investigado las fascinantes características de las películas delgadas de aleaciones binarias de hierro para aplicaciones de dispositivos como la espintrónica, los imanes permanentes y los medios de grabación magnética (Appel et al., 2019; Krupinski et al., 2019; Preller et al., 2020).

Entre las aleaciones binarias de hierro, las películas de hierro platino (FePt) tienen propiedades magnéticas excepcionales, como alta anisotropía magnética, características de acoplamiento de intercambio, fenómenos de doble conmutación, estabilidad térmica y química, y mucho más. Estas propiedades dependen en gran medida de las condiciones de crecimiento, como la temperatura, el tiempo de crecimiento y el caudal de gas. En consecuencia, la elección de las condiciones de crecimiento adecuadas es fundamental para conseguir las características magnéticas apropiadas de las láminas delgadas de FePt (Suzuki et al., 2021). Para mejorar la capacidad de almacenamiento de datos de los dispositivos de almacenamiento de datos de memoria, la alineación de bits de la grabación magnética debe cambiarse de alineación longitudinal a perpendicular, como se observa en la grabación magnética asistida por calor. Sin embargo, en la actualidad se están llevando a cabo investigaciones para cultivar alta textura y anisotropía magnética perpendicular asociada en películas delgadas de FePt (Liu et al., 2022; Shen et al., 2018; Yang et al., 2019).

El acoplamiento de sesgo de intercambio entre las fases dura y blanda de las películas delgadas de FePt surge de la interdifusión del contacto de transferencia en el límite de grano y el acoplamiento magnetostático causado por los campos parásitos presentes en la fase dura (Singh et al., 2018). Dependiendo de las condiciones de crecimiento, las películas de FePt pueden tener dos fases: fase cúbica y fase _L10 ordenada con una estructura de grano orientada aleatoriamente. A diferencia de las películas de FePt _L10 granulares, se produce un aumento de la resonancia ferromagnética de la película a altas temperaturas. Se ha demostrado que el tratamiento térmico aumenta la anisotropía magnética perpendicular de las películas de FePt, lo que se traduce en un aumento de la coercitividad y de la densidad de área para aplicaciones de almacenamiento de datos (Li & Wang, 2022; Liu et al., 2022). Además, el aumento de la temperatura por encima de cierta temperatura puede dar lugar a la formación de granos indeseables debido a la aglutinación de nanopartículas (Goyal et al., 2019). Además, Vashisht et al., (2021) co-depositaron películas multicapa FeCo/FePt sobre sustratos de Si, mostrando un aumento en el tamaño de cristal de los granos de FePt después del recocido, así como la confirmación del comportamiento magnético en fase blanda. El pinning dominado por las paredes de dominio es responsable del aumento de la coercitividad en el eje fuera del plano.

Preparación de la muestra y detalles experimentales

Las láminas delgadas de FePt se depositaron mediante pulverización catódica con magnetrón de corriente continua sobre sustratos de vidrio de 5 × 5 mm a temperaturas ambiente (23 °C), 250 °C y 450 °C. Los sustratos de vidrio se sometieron a ultrasonidos y a un proceso de pulverización catódica. Los sustratos de vidrio se limpiaron con ultrasonidos en acetona durante 90 minutos a 25 °C para eliminar los contaminantes superficiales, y a continuación se secaron al aire. Antes de la deposición, los sustratos se precalentaron a 100 °C durante 5 minutos para mejorar la adherencia. El calentador se montó dentro de la cámara de sputtering, que se evacuó a una presión base de 10-7 Torr. La deposición se llevó a cabo a una presión de argón de 5 mTorr y una potencia de pistola de 50 W durante 15 minutos, con una distancia constante entre el blanco y el sustrato de 40 cm. Después de cada deposición, el sistema se enfrió a temperatura ambiente. Estos parámetros de crecimiento fueron consistentes con los reportados en estudios relacionados (Alqhtany, 2017; Efe, 2023; Lisfi et al., 2017).

Resultados y discusiones

La morfología superficial y la topografía de las películas desmagnetizadas se analizaron mediante microscopía de fuerza atómica (AFM), mientras que las estructuras de dominio magnético se evaluaron mediante microscopía de fuerza magnética (MFM). La difracción de rayos X (XRD) se utilizó para investigar la estructura cristalográfica y la composición de fases, y la magnetometría de muestra vibrante (VSM) se empleó para evaluar las propiedades magnéticas bajo campos en el plano que oscilaban entre -20 y 20 kOe.

La AFM reveló que, a 23 °C, las películas mostraban una agrupación de granos con algunas grietas y huecos, lo que sugería una mala difusión superficial. A 250 °C, los granos aparecían distribuidos de forma más homogénea, formando rasgos esféricos sin grietas visibles. A 450 °C, se consiguió una superficie uniforme y sin grietas con una rugosidad media de 10 nm. Estos resultados indican que el aumento de la temperatura del sustrato mejora la calidad microestructural de las películas de FePt, haciéndolas prometedoras para aplicaciones en dispositivos, especialmente en tecnologías de almacenamiento magnético. Las tendencias observadas coinciden con los hallazgos publicados anteriormente (Skok et al., 2022; Weisheit et al., 2004). Esto se debe a la baja temperatura de deposición de 23 ℃, que es insuficiente para alinear el momento magnético. Como resultado, a temperatura ambiente, la película presenta una fase blanda de propiedades de estructura de fase FCC cúbica desordenada. Cuando se aumentó la temperatura a 250 ℃, se descubrió una estructura de isla de los dominios magnéticos, que están orientados aleatoriamente fuera del plano, como se ilustra en la figura 2b. Además, al aumentar la temperatura del sustrato a 450 ℃, se produjo un aumento del contraste de los dominios magnéticos en la imagen magnética de la película, que consiste en un contraste en blanco y negro que representa estructuras magnéticas con fuertes interacciones de respuesta positiva o negativa con la punta en voladizo, como se muestra en la Figura 2c. Se observó que estos dominios apuntaban típicamente a la componente fuera del plano de la magnetización.

Figura 1(a-c): Imagen de AFM de las películas de FePt sintetizadas que muestra la topografía de los granos a medida que la temperatura del sustrato aumenta de (a) a (b).
temperatura del sustrato aumentó de (a) 23 ℃, (b) 250 ℃, a (c) 450 ℃.

Además, la porción pardusca del dominio magnético refleja dominios débiles, que podrían deberse a elementos magnéticos con un eje fácil de magnetización casi en el plano que interactúan débilmente con la punta en voladizo. Como resultado, se altera toda la estructura de magnetización de la película. Esto se debe a la elevada anisotropía magnética perpendicular de la película depositada, en la que la dirección de magnetización se alinea hacia arriba y hacia abajo dentro de la pared de dominio. La estructura tetragonal centrada en la cara (FCT) _L10 ordenada de las películas crecidas podría explicar la importante anisotropía perpendicular de las películas a temperaturas de sustrato más altas (Lisfi et al., 2017).

Figura 2 (a-c): Imagen MFM de la película delgada de FePt sintetizada que muestra los dominios magnéticos a
(a) 23 ℃ (b) 250 ℃ (c) 450 ℃.

Conclusión

Las películas delgadas de FePt se han depositado con éxito sobre un sustrato de vidrio a tres temperaturas diferentes: temperatura ambiente, 250 ° C y 450 ° C. El aumento de la temperatura de deposición conduce a un aumento en el crecimiento de grano sin huecos y agujeros de alfiler, según lo observado por el AFM y SEM. La microscopía de fuerza magnética mostró que los momentos magnéticos están orientados perpendicularmente al plano de la película. A medida que aumenta la temperatura del sustrato en el sistema cerrado que contiene el gas inerte, las fases magnéticas de la película de fcc-FePt en fase blanda, cuyos átomos están orientados aleatoriamente, transicionan hacia la formación de una película ordenada de fct-FePt L10 sobre el sustrato de vidrio.

Recomendaciones

Este estudio se centra en la síntesis y caracterización de láminas delgadas de FePt, una prometedora
aleación de metales raros, diseñada para aplicaciones industriales en el almacenamiento de datos magnéticos, en particular la grabación magnética asistida por calor (HAMR). Mediante la optimización de las condiciones de crecimiento
sustrato, mejoramos las propiedades estructurales y magnéticas de la película (trabajo en curso),
lo que las hace adecuadas para dispositivos de almacenamiento de alta densidad. El trabajo se ajusta a las tendencias actuales de
en la utilización de metales raros, atendiendo a la demanda mundial de materiales duraderos y de alto rendimiento para la electrónica.
en electrónica. El avance de las tecnologías basadas en el FePt favorece el cambio estratégico hacia la eficiencia, la miniaturización y el ahorro energético,
miniaturizados y ahorradores de energía en el cambiante panorama industrial impulsado por los datos.

Referencias

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