Crescimento dependente da temperatura e caracterização magnética de filmes finos de FePt para aplicações avançadas de armazename

Este conteúdo é de uma bolsa de estudos da Stanford Advanced Materials College 2025 enviada por Frank Efe.

Resumo

A Inteligência Artificial (IA) continua a remodelar a tecnologia moderna, exigindo muito dos recursos de processamento e armazenamento de dados. Melhorar a velocidade e a capacidade dos sistemas eletrônicos de armazenamento de dados, principalmente das unidades de disco rígido (HDDs), é essencial para atender a essas demandas. Os filmes finos de ferro-platina (FePt) surgiram como materiais promissores devido às suas propriedades excepcionais, como alta anisotropia magnética, forte magnetização, grande coercividade e alta estabilidade térmica e química. Essas qualidades tornam os filmes finos de FePt candidatos ideais para tecnologias avançadas de armazenamento, incluindo a gravação magnética assistida por calor (HAMR), que foi projetada para aumentar significativamente a densidade de dados do HDD. Embora o FePt tenha sido amplamente estudado, ainda há uma lacuna notável na compreensão do mecanismo por trás do comportamento de comutação magnética dupla observado quando esses filmes são depositados em substratos de silício. Esta pesquisa explora a síntese e a caracterização de filmes finos de FePt cultivados em substratos de vidro, silício e silício oxidado à temperatura ambiente, 250 °C e 450 °C usando pulverização catódica magnetrônica DC. A morfologia da superfície e a estrutura cristalina foram examinadas por meio de microscopia de força atômica (AFM) e difração de raios X (XRD), enquanto as características magnéticas foram avaliadas por meio de microscopia de força magnética (MFM) e magnetometria de amostra vibratória (VSM). A investigação do impacto da temperatura de crescimento sobre as propriedades estruturais e magnéticas dos filmes de FePt fornece informações valiosas para a adaptação de seu desempenho em sistemas de armazenamento de dados de última geração e aplicações industriais.

Introdução

Os filmes de liga deneodímio têm sido estudados extensivamente e amplamente empregados em aplicações de armazenamento de dados ao longo dos anos (Emmelius et al., 1989; He et al., 2022). No entanto, por serem elementos de terras raras, eles são caros e se desmagnetizam facilmente em temperaturas muito altas, com poucas informações sobre suas propriedades elétricas e magnéticas para a fabricação de dispositivos (Baloni et al., 2023; Shkir et al., 2022; Yumnam et al., 2020). Os filmes de liga de ferro ferromagnético aumentaram significativamente as aplicações de armazenamento de memória devido à sua estrutura bem definida e propriedades magnéticas intrigantes. Vários estudos investigaram as características fascinantes de filmes finos de ligas de ferro binárias para aplicações em dispositivos como spintrônica, ímãs permanentes e mídia de gravação magnética (Appel et al., 2019; Krupinski et al., 2019; Preller et al., 2020).

Entre as ligas binárias de ferro, os filmes de ferro-platina (FePt) têm propriedades magnéticas excepcionais, como alta anisotropia magnética, características de acoplamento de troca, fenômenos de comutação dupla, estabilidade térmica e química e muito mais. Essas propriedades são significativamente influenciadas por suas condições de crescimento, como temperatura, tempo de crescimento e taxa de fluxo de gás. Como resultado, a escolha da condição de crescimento correta é fundamental para obter características magnéticas adequadas de filmes finos de FePt (Suzuki et al., 2021). Para aumentar a capacidade de armazenamento de dados dos dispositivos de armazenamento de dados de memória, o alinhamento de bits da gravação magnética deve ser alterado do alinhamento longitudinal para o perpendicular, como visto na gravação magnética assistida por calor. No entanto, a pesquisa atual está sendo conduzida para desenvolver alta textura e anisotropia magnética perpendicular associada em filmes finos de FePt (Liu et al., 2022; Shen et al., 2018; Yang et al., 2019).

O acoplamento de polarização de troca entre as fases dura e mole dos filmes finos de FePt surge da interdifusão do contato de transferência no limite do grão e do acoplamento magnetostático causado por campos dispersos presentes na fase dura (Singh et al., 2018). Dependendo das condições de crescimento, os filmes de FePt podem ter duas fases: fase cúbica e fase _L10 ordenada com uma estrutura de grãos orientada aleatoriamente. Ao contrário dos filmes granulares de FePt _L10, há um aumento na ressonância ferromagnética do filme em altas temperaturas. Foi demonstrado que o tratamento térmico aumenta a anisotropia magnética perpendicular dos filmes de FePt, resultando em maior coercividade e maior densidade de área para aplicações de armazenamento de dados (Li & Wang, 2022; Liu et al., 2022). Além disso, o aumento da temperatura acima de uma determinada temperatura pode resultar na formação indesejável de grãos devido à aglomeração de nanopartículas (Goyal et al., 2019). Além disso, Vashisht et al. (2021) depositaram filmes multicamadas de FeCo/FePt em substratos de Si, mostrando um aumento no tamanho do cristal dos grãos de FePt após o recozimento, bem como a confirmação do comportamento magnético de fase macia. A fixação dominada por paredes de domínio é responsável pelo aumento da coercividade no eixo fora do plano.

Preparação da amostra e detalhes experimentais

Os filmes finos de FePt foram depositados por pulverização catódica magnetrônica em substratos de vidro de 5 × 5 mm em temperaturas de substrato de temperatura ambiente (23 °C), 250 °C e 450 °C. Os substratos de vidro foram limpos por ultrassom em acetona por 90 minutos a 25 °C para remover os contaminantes da superfície, seguido de secagem ao ar. Antes da deposição, os substratos foram pré-aquecidos a 100 °C por 5 minutos para melhorar a adesão. O aquecedor foi montado dentro da câmara de pulverização catódica, que foi evacuada a uma pressão de base de 10-7 Torr. A deposição foi realizada com pressão de argônio de 5 mTorr e potência da pistola de 50 W por 15 minutos, com uma distância constante entre o alvo e o substrato de 40 cm. Após cada deposição, o sistema foi resfriado à temperatura ambiente. Esses parâmetros de crescimento foram consistentes com os relatados em estudos relacionados (Alqhtany, 2017; Efe, 2023; Lisfi et al., 2017).

Resultados e discussões

A morfologia e a topografia da superfície dos filmes desmagnetizados foram analisadas por meio de microscopia de força atômica (AFM), enquanto as estruturas de domínio magnético foram avaliadas por meio de microscopia de força magnética (MFM). A difração de raios X (XRD) foi usada para investigar a estrutura cristalográfica e a composição de fase, e a magnetometria de amostra vibratória (VSM) foi usada para avaliar as propriedades magnéticas sob campos no plano que variam de -20 a 20 kOe.

A AFM revelou que, a 23 °C, os filmes apresentavam agrupamento de grãos com algumas rachaduras e vazios, sugerindo uma difusão superficial deficiente. A 250 °C, os grãos pareciam estar distribuídos de forma mais homogênea, formando características esféricas sem rachaduras visíveis. A 450 °C, foi obtida uma superfície uniforme e sem rachaduras com uma rugosidade média de 10 nm. Esses resultados indicam que o aumento da temperatura do substrato melhora a qualidade microestrutural dos filmes de FePt, tornando-os promissores para aplicações em dispositivos, especialmente em tecnologias de armazenamento magnético. As tendências observadas se alinham com as descobertas relatadas anteriormente (Skok et al., 2022; Weisheit et al., 2004). Não foi detectada nenhuma força magnética entre o filme e a ponta do cantilever, conforme observado na Figura 2a. Isso se deve à baixa temperatura de deposição de 23 ℃, que é insuficiente para alinhar o momento magnético. Como resultado, à temperatura ambiente, o filme apresenta uma fase macia de propriedades desordenadas da estrutura da fase cúbica FCC. Quando a temperatura foi aumentada para 250 ℃, descobriu-se uma estrutura de ilha dos domínios magnéticos, que são orientados aleatoriamente fora do plano, conforme ilustrado na Figura 2b. Além disso, à medida que a temperatura do substrato aumentou para 450 ℃, houve um aumento no contraste do domínio magnético na imagem magnética do filme, que consiste em um contraste preto e branco que representa estruturas magnéticas com fortes interações de resposta positiva ou negativa com a ponta do cantilever, conforme mostrado na Figura 2c. Descobriu-se que esses domínios normalmente apontam para o componente de magnetização fora do plano.

Figura 1(a-c): Imagem AFM dos filmes de FePt sintetizados mostrando a topografia dos grãos à medida que a temperatura do substrato
temperatura do substrato aumentou de (a) 23 ℃, (b) 250 ℃, para (c) 450 ℃

Além disso, a parte marrom do domínio magnético reflete domínios fracos, o que pode ser devido a elementos magnéticos com um eixo fácil de magnetização quase no plano que interage fracamente com a ponta do cantilever. Como resultado, toda a estrutura de magnetização do filme é alterada. Isso se deve à alta anisotropia magnética perpendicular do filme depositado, em que a direção da magnetização é alinhada para cima e para baixo dentro da parede do domínio. A estrutura tetragonal centrada na face _L10 (FCT) ordenada dos filmes crescidos poderia explicar a anisotropia perpendicular significativa dos filmes em temperaturas de substrato mais altas (Lisfi et al., 2017).

Figura 2 (a-c): Imagem MFM do filme fino de FePt sintetizado mostrando os domínios magnéticos em
(a) 23 ℃ (b) 250 ℃ (c) 450 ℃

Conclusão

Os filmes finos de FePt foram depositados com sucesso em um substrato de vidro em três temperaturas diferentes: temperatura ambiente, 250°C e 450°C. O aumento da temperatura de deposição leva a um aumento no crescimento de grãos sem vazios e buracos, conforme observado pelo AFM e pelo SEM. A microscopia de força magnética mostrou que os momentos magnéticos são orientados perpendicularmente ao plano do filme. À medida que a temperatura do substrato aumenta no sistema fechado que contém o gás inerte, as fases magnéticas do filme de fcc-FePt de fase macia, cujos átomos são orientados aleatoriamente, fazem a transição para a formação de um filme L10 fct-FePt ordenado no substrato de vidro.

Recomendações

Este estudo enfoca a síntese e a caracterização de filmes finos de FePt, uma promissora
promissora liga metálica rara, adaptada para aplicações industriais em armazenamento de dados magnéticos, especialmente a gravação magnética assistida por calor (HAMR). Ao otimizar as condições de crescimento por meio da variação da temperatura do substrato
variação da temperatura do substrato, aprimoramos as propriedades estruturais e magnéticas do filme (trabalho em andamento),
tornando-os adequados para dispositivos de armazenamento de alta densidade. O trabalho se alinha às tendências atuais de desenvolvimento
tendências atuais de desenvolvimento na utilização de metais raros, atendendo às demandas globais por materiais duráveis e de alto desempenho
em eletrônica. O avanço das tecnologias baseadas em FePt apóia a mudança estratégica em direção à eficiência,
eficientes, miniaturizados e com economia de energia no cenário industrial em evolução orientado por dados.

Referências

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