Recently, Ultra-high density recording media demands high coercivity, high crystal anisotropy, small grain size and low media noise. To meet demands, FePt magnetic film has been intensively studied due to its potential as ultra-high density recording media. $L1_0$ ordered FePt film with face-centered tetragonal(fct) structure exhibits large magneto-crystalline anisotropy energy with Ku larger than about $10^7$erg/㎤. The extremely high magnetic anisotropy energy allows for thermally stable grain size down to around 2.5nm. FePt film deposited at RT exhibits disordered fcc structure. To achieve a high coercivity, a high temperature process is generally required because of the requirements of ordering transformation. However, the high temperature treatment leads to large grains and is incompatible with the manufacturing process of media.
So, two important issues in FePt films are how to lower the ordering temperature and how to grow the (001) preferred film orientation for the perpendicular recording media application.
In this work, we have investigated the variation of the magnetic domain structure of FePt and FePt/Cn (n=0,1,4) thin films with their ordering state using Lorentz TEM microscopy. All the specimen for the domain structure observation were DC demagnetized. Thin films of FePt 50nm were deposited at various substrate temperatures from RT to 400C. The films deposited at low substrate temperatures show soft magnetic properties because of weak ordering. White and dark lines of domain wall, sometimes accompanying a typical magnetic ripple structure, were clearly visible in the Lorentz images of these soft films. As the degree of ordering increases, the Lorentz Image changes from 180° or 90° damain wall to complicated network structure. This is because magnetic crystalline anisotropy energy increased and exchange and magneto-static energies are decreased.
FePt film is known to be prone to the occurrence of excessive grain growth during order-annealing and to high transition noise because of lack of magnetic granular isolation. In order to better control the magnetization structure of FePt thin film, carbon(20%) film was intercalated into FePt film in a form of FePt (20nm)/Cn(4nm) (n=0,1,4).
The Lorentz image showed that the domain structures in FePt/Cn films appeared to vary with annealing condition in a similar fashion as in FePt films; as the annealing is progressing, the magnetization structure changed from a magnetic ripple structure with 180 wall to a network structure consisting of white and black dotted-lines. Further progress of annealing led to a fine dotted-like maze structure. Comparison with FePt films showed that the magnetization structure became coarser in FePt/Cn films at a similar annealing condition and that this trend was more pronounced with a thinner carbon layer, i.e. with increasing n. This was because the carbon intercalations, especially in a form of thin layer, greatly retarded the ordering kinetics of FePt film. As a result, the effective Ku of FePt/Cn became much smaller at a comparative annealing condition and the magnetic domain structure appeared to be coarser. However, a more careful comparison at a similar coercivity showed that the magnetic structure is rather finer in the carbon intercalated films. This was because carbon was heavily segregated along grain boundaries of FePt grains and magnetically decoupled the grain-to-grain interactions. The TEM observation showed that the segregation along grain boundaries of FePt films was more uniform in FePt/Cn films with n=4 and the magnetic decoupling effect was more pronounced, which was confirmed in its magnetic hysteresis curve by its large squareness value.
The tendency of heavy carbon segregation along grain boundaries of FePt films was also shown to lead to the formation of fine grain structures in FePt/Cn films. The grain growth kinetics were observed to be largely suppressed by the intercalations of carbon layer, which was particularly true in the FePt/Cn films with n=4.
Finally, X-ray measurements showed that carbon intercalations promoted (001) texturing parallel to the surface and thereby perpendicular anisotropy of magnetization. This effect was also found to contribute to the formation of dotted maze-like domain structure in FePt/Cn films.
The magnetic domain structure was also studied using Electron holography technique and was generally in good agreement with the LTEM image analysis.
현재 하드 디스크용 기록매체에서 가장 중요한 이슈는 기록 밀도를 향상시키는 것이다. 이 목적을 달성시키기 위해서는 낮은 잡음(low noise)을 갖으면서도 매체에 기록되는 정보의 최소단위인 미소자석의 크기 즉 비트(bit) 크기를 줄일 수 있는 자성 물질의 개발이 필수적이다. 현재 미소자기학 계산 결과에 의하면 100Gb/inch2 급 미디어는 극 미세화된 비트 크기(B)와 트랙의 너비(W)인 B=41nm, W=160nm를 요구하고 있다.[1,2] 그러나 비트(bit)의 크기가 작아짐에 따라 비트와 비트 사이에서, 즉 천이영역(transition region)에서 발생되는 누설자계(field)가 작아져 헤드가 이 자계를 감지할 때 노이즈(noise)가 심하게 발생된다.
이 노이즈는 주로 천이영역의 폭(a)에 관계하여 발생함으로 이를 천이노이즈(transition noise)라고 부른다. 천이노이즈는 결정립의 크기 및 William - Comstock이라는 변수(aw-s)에 의존하는데, 결정립 크기 및 aw-s를 줄이면 감소한다. 따라서 천이노이즈를 줄이기 위한 미디어 박막의 미세구조 및 자성특성은 다음과 같다. 먼저 박막의 결정립은 균일하고, 자기적으로 고립된 형태로 가능한 한 자기적 분리(magnetic decoupling)가 되도록 하여야 한다. 100Gb/inch2 이상의 초고기록 밀도 미디어로 최근 크게 주목받고 있는 박막이 FePt 박막이다. 그것은 종래의 CoCr 박막에 비해 수십배 이상 큰 Ku값을 나타내어 높은 열적 안정성을 나타낼 수 있기 때문이다.[3,4] 그러나 이 재료를 미디어로 사용하기 위해 해결해야 하는 문제점은 FePt 자성특성이 500-700 고온 열처리를 통한 상변화에 의존하는데 이때 급격한 결정립 성장이 일어난다는 것이다. 이에 따라 발생하는 가장 큰 문제는 기록특성을 결정하는 미디어의 잡음 문제이다. 자성박막의 자구(magnetic domain)크기는 미디어 잡음의 크기와 밀접한 관계가 있으며 자구 크기가 작아질수록 미디어의 잡음은 감소하여 SNR(signal-to-noise ratio : 기록 신호)이 증가하는 것으로 알려지고 있다. 따라서 미디어의 기록특성을 지배하는 가장 중요한 인자는 미디어 자성박막의 자구 크기이고 이를 감소시키는 것은 매우 중요한 문제이다. 그리하여 자성특성을 이해하는데 있어서 자구구조(Magnetic domain structure)와 미세구조(Microstructure)을 연구하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 FePt 와 Carbon을 Multi-Layer로 증착하여 FePt/Cn(n=0,1,4)의다층박막을 구성한 후, 기판 온도 300C, 400C에서 In-situ 열처리를 행하여 이들 시편의 미세구조와 자구구조가 어떻게 변하는지 관찰하였다. 먼저 증착온도와 열처리 시간이 증가함에 따라 자구구조는 미세화 되었으며 이는 세가지 원인이 존재한다. 첫째, FCT 규칙구조로의 상변화로 Ku값이 증가하여 결정립간 자기적인 결합력이 약화되었기 때문이다. 둘째, Carbon은 FePt 결정립을 따라 편석되어 효과적으로 결정립을 고립시킨다. 이는 결정립 성장을 효과적으로 제어할 뿐만 아니라 FePt결정립 간의 자기적인 결합력을 약화시켜 자구구조의 미세화시킨다. 셋째. Cabon Layer가 삽입될 경우 수직이방성이 효과가 높아지기 때문이다.
