고급 데이터 저장 애플리케이션을 위한 FePt 박막의 온도 의존적 성장 및 자기 특성 분석

이 콘텐츠는 Frank Efe가 제출한 2025년 스탠포드 어드밴스드 머티리얼즈 대학 장학금 신청서에서 발췌한 것입니다.

요약

인공지능(AI)은 현대 기술을 지속적으로 재편하면서 데이터 처리 및 저장 기능에 대한 높은 요구 사항을 제시하고 있습니다. 이러한 요구를 충족하기 위해서는 전자 데이터 저장 시스템, 특히 하드 디스크 드라이브(HDD)의 속도와 용량을 개선하는 것이 필수적입니다. 철-백금(FePt) 박막은 높은 자기 이방성, 강한 자화, 큰 보자력, 높은 열 및 화학적 안정성 등 탁월한 특성으로 인해 유망한 소재로 부상했습니다. 이러한 특성 덕분에 FePt 박막은 HDD 데이터 밀도를 크게 향상시키는 열 보조 자기 기록(HAMR)을 비롯한 첨단 스토리지 기술에 이상적인 후보입니다. FePt는 널리 연구되어 왔지만, 이 박막이 실리콘 기판에 증착될 때 관찰되는 이중 자기 스위칭 동작의 메커니즘을 이해하는 데는 상당한 격차가 남아 있습니다. 이 연구에서는 DC 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 상온, 250°C 및 450°C에서 유리, 실리콘 및 산화 실리콘 기판 위에 성장한 FePt 박막의 합성 및 특성화를 탐구합니다. 표면 형태와 결정 구조는 원자력 현미경(AFM)과 X-선 회절(XRD)을 사용하여 조사했으며, 자기적 특성은 자기력 현미경(MFM)과 진동 샘플 자기계측법(VSM)을 통해 평가했습니다. 성장 온도가 FePt 필름의 구조적 및 자기적 특성에 미치는 영향을 조사하면 차세대 데이터 스토리지 시스템과 산업 응용 분야에서 성능을 조정하는 데 유용한 통찰력을 얻을 수 있습니다.

소개

네오디뮴 합금 필름은 수년 동안 데이터 저장 애플리케이션에 광범위하게 연구되어 왔으며 널리 사용되어 왔습니다(Emmelius et al., 1989; He et al., 2022). 그러나 희토류 원소이기 때문에 가격이 비싸고 매우 높은 온도에서 쉽게 자성을 잃으며, 소자 제작을 위한 전기 및 자기 특성에 대한 정보가 거의 없습니다(Baloni 외., 2023; Shkir 외., 2022; Yumnam 외., 2020). 강자성 철 합금 필름은 잘 정의된 구조와 흥미로운 자기 특성으로 인해 메모리 저장 애플리케이션이 크게 증가했습니다. 여러 연구에서 스핀트로닉스, 영구 자석, 자기 기록 매체와 같은 디바이스 애플리케이션을 위한 이원 철 합금 박막의 매력적인 특징을 조사했습니다(Appel 외, 2019; Krupinski 외, 2019; Preller 외, 2020).

이원 철 합금 중 백금(FePt) 필름은 높은 자기 이방성, 교환 결합 기능, 이중 스위칭 현상, 열 및 화학적 안정성 등 뛰어난 자기적 특성을 가지고 있습니다. 이러한 특성은 온도, 성장 시간, 가스 유량과 같은 성장 조건에 따라 크게 영향을 받습니다. 따라서 적절한 성장 조건을 선택하는 것은 FePt 박막의 적절한 자기 특성을 달성하는 데 매우 중요합니다(Suzuki et al., 2021). 메모리 데이터 저장 장치의 데이터 저장 용량을 향상시키기 위해서는 열 보조 자기 기록에서 볼 수 있듯이 자기 기록의 비트 정렬을 종방향 정렬에서 수직 정렬로 변경해야 합니다. 그러나 현재 FePt 박막에서 높은 텍스처와 이와 관련된 수직 자기 이방성을 성장시키기 위한 연구가 진행 중입니다(Liu et al., 2022; Shen et al., 2018; Yang et al., 2019).

FePt 박막의 경상과 연상 사이의 교환 바이어스 결합은 결정립 경계에서의 전달 접촉의 상호 확산과 경상에 존재하는 표유장에 의한 자기적 결합으로 인해 발생합니다(Singh et al., 2018). 성장 조건에 따라 FePt 필름은 입방상과 무작위 배향 입자 구조를 가진 정렬된 _L10 상이라는 두 가지 상을 가질 수 있습니다. 입상 _L10 FePt 필름과 달리 고온에서 필름의 강자성 공명이 증가합니다. 열처리는 FePt 필름의 수직 자기 이방성을 증가시켜 데이터 저장 애플리케이션의 보자력 증가와 면적 밀도 향상을 가져오는 것으로 나타났습니다(Li & Wang, 2022; Liu et al., 2022). 또한, 특정 온도 이상으로 온도가 상승하면 나노 입자 응집으로 인해 바람직하지 않은 입자 형성이 발생할 수 있습니다(Goyal et al., 2019). 또한, Vashisht 등(2021)은 Si 기판 위에 FeCo/FePt 다층 필름을 공동 증착하여 어닐링 후 FePt 입자의 결정 크기가 급증하고 연상 자기 거동을 확인했습니다. 도메인 벽에 의해 지배되는 고정은 평면 외 축의 보자력 증가의 원인이 됩니다.

샘플 준비 및 실험 세부 사항

실온(23°C), 250°C, 450°C의 기판 온도에서 DC 마그네트론 스퍼터링을 사용하여 5×5mm 유리 기판 위에 FePt 박막을 증착했습니다. 유리 기판은 25°C에서 90분 동안 아세톤으로 초음파 세척하여 표면 오염 물질을 제거한 후 공기 건조했습니다. 증착 전에 기판을 100°C에서 5분간 예열하여 접착력을 높였습니다. 히터는 스퍼터링 챔버 내에 장착되어 기본 압력 10-7 Torr로 배기되었습니다. 증착은 40cm의 일정한 타겟-기판 거리에서 5mTorr 아르곤 압력 및 50W 건 출력으로 15분 동안 수행되었습니다. 각 증착 후 시스템을 실온으로 냉각했습니다. 이러한 성장 매개변수는 관련 연구에서 보고된 것과 일치했습니다(Alqhtany, 2017; Efe, 2023; Lisfi et al., 2017).

결과 및 논의

자화 필름의 표면 형태와 지형은 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 분석하고, 자기 영역 구조는 자기력 현미경(MFM)을 사용하여 평가했습니다. 결정 구조와 상 구성을 조사하기 위해 X-선 회절(XRD)을 사용했고, -20~20kOe 범위의 평면 내 자기장 하에서 자기 특성을 평가하기 위해 진동 샘플 자력 측정법(VSM)을 사용했습니다.

AFM 결과, 23°C에서 필름은 일부 균열과 공극이 있는 입자 군집을 보였으며, 이는 표면 확산이 좋지 않음을 시사합니다. 250°C에서는 입자가 더 균일하게 분포되어 눈에 보이는 균열 없이 구형의 특징을 형성했습니다. 450°C에서는 평균 거칠기가 10nm인 균일하고 균열이 없는 표면을 얻을 수 있었습니다. 이러한 결과는 기판 온도를 높이면 FePt 필름의 미세 구조적 품질이 향상되어 특히 자기 저장 기술에서 장치 응용 분야에 유망하다는 것을 나타냅니다. 관찰된 경향은 이전에 보고된 결과와 일치합니다(Skok 외, 2022; Weisheit 외, 2004). 그림 2a에서 볼 수 있듯이 필름과 캔틸레버의 팁 사이에서 자력이 감지되지 않았습니다. 이는 23℃의 낮은 증착 온도로 인해 자기 모멘트를 정렬하기에 불충분하기 때문입니다. 결과적으로 상온에서 필름은 무질서한 입방정육면체 FCC 상 구조 특성의 부드러운 상이 특징입니다. 온도를 250 ℃로 높였을 때, 그림 2b에서와 같이 자성 영역이 평면을 벗어나 무작위로 배향되어 있는 섬 구조가 발견되었습니다. 또한 기판 온도가 450℃로 증가함에 따라 필름의 자기 이미지에서 자기 영역 대비가 증가했는데, 이는 그림 2c와 같이 캔틸레버 팁과 양 또는 음의 강한 상호 작용을 하는 자기 구조를 나타내는 흑백 대비로 구성됩니다. 이러한 영역은 일반적으로 자화의 평면 외 성분을 가리키는 것으로 밝혀졌습니다.

그림 1(a-c): 입자의 지형을 보여주는 합성된 FePt 필름의 AFM 이미지.
기판 온도가 (a) 23 ℃, (b) 250 ℃, (c) 450 ℃로 증가했습니다.

또한 자성 영역의 갈색 부분은 약한 영역을 반영하며, 이는 캔틸레버 팁과 약하게 상호 작용하는 거의 평면 자화 쉬운 축을 가진 자성 요소 때문일 수 있습니다. 결과적으로 필름의 전체 자화 구조가 변경됩니다. 이는 증착된 필름의 높은 수직 자기 이방성으로 인해 자화 방향이 도메인 벽 내에서 위아래로 정렬되기 때문입니다. 성장된 필름의 정렬된 _L10 면 중심 정사면체(FCT) 구조는 더 높은 기판 온도에서 필름의 상당한 수직 이방성을 설명할 수 있습니다(Lisfi et al., 2017).

그림 2 (a-c): 합성 된 FePt 박막의 MFM 이미지에서 자성 영역을 보여줍니다.
(a) 23 ℃ (b) 250 ℃ (c) 450 ℃

결론

실온, 250°C, 450°C의 세 가지 온도에서 유리 기판 위에 FePt 박막을 성공적으로 증착했습니다. 증착 온도가 높아질수록 공극과 핀홀 없이 입자 성장이 증가하며, 이는 AFM과 SEM으로 관찰할 수 있습니다. 자기력 현미경은 자기 모멘트가 필름 평면에 수직으로 배향되어 있음을 보여주었습니다. 불활성 가스를 포함하는 폐쇄 시스템에서 기판 온도가 증가함에 따라 원자가 무작위로 배향된 연상 fcc-FePt 필름의 자기상은 유리 기판 위에 정렬된 L10 fct-FePt 필름의 형성으로 전환됩니다.

권장 사항

이 연구는 유망한 희귀 금속 합금인 FePt 박막의 합성 및 특성화에 초점을 맞추고 있습니다.
희귀 금속 합금으로, 자기 데이터 저장, 특히 열을 이용한 자기 기록(HAMR)의 산업 응용 분야에 맞춤화되어 있습니다. 기판 온도 변화를 통해 성장 조건을 최적화함으로써
온도 변화를 통해 성장 조건을 최적화하여 필름의 구조적 및 자기적 특성을 향상시켰습니다(진행 중),
고밀도 저장 장치에 적합하게 만들었습니다. 이 연구는 현재 개발 중인
희귀 금속 활용 트렌드에 부합하며, 내구성이 뛰어난 고성능 소재에 대한 전 세계적인 수요에 부응합니다.
전 세계적인 수요에 부응합니다. FePt 기반 기술의 발전은 효율적이고,
소형화 및 에너지 절약형 디바이스로의 전략적 전환을 지원합니다.

참고 문헌

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