Perpendicular magnetic recording media designs $require^{1-4}$ high perpendicular anisotropy ($K_u$) energy to resist the large demagnetization effects from the perpendicular recording geometry and to maintain thermal stability with ever-smaller grain volumes. The thermal stability is dependent on the factor $K_uV/k_BT$, where V denotes the grain volume. Clearly, the reduction in grain volume required for noise reduction can be balanced by the increase in anisotropy, as long as the coercivity of the medium remains within the tolerable limit. As a result, it is essential to consider high anisotropy materials such as FePt. $L1_0$ ordered equiatomic FePt alloy thin $films^5$ have high saturation magnetization $(~ 1100 emu/cm^3)$ and large $K_u(7 \times 10^7 ergs/cm^3)$.
So, we obtained ordered FePt alloy thin films and studied the variation of magnetic properties as well as structural change. $L1_0$ ordered FePt thin film which was obtained from high temperature annealing showed out-of-plane magnetic anisotropy both in the low and high temperature. However, disordered FePt exhibits in-plane anisotropy in the room temperature and spin glass like phase in the low temperature below 50 K.
The effects of film thickness on the degree of ordering and the switching field distribution have been studied. As the film thickness increased, the degree of ordering decreased and the switching field distribution got worse by the existence of disordered region and irregular granular structure. For the aspect of low media noise, the optimum film thickness is 7 nm where we can get the most narrow switching field distribution.
To reveal the domain reversal behavior of FePt thin films, static and dynamic domain patterns were investigated. Static domain patterns are affected by both the magnetic anisotropy and surface morphology as the substrate temperature increases. However, domain evolution patterns are affected by only magnetic anisotropy dominantly and changed from nucleation to wall motion dominant patterns with increasing the substrate temperature in FePt thin films.
To fabricate FePt thin film in the low temperature, we deposited FePt magnetic layer on the PtMn underlayer The normal-to-plane coercivity of 10 nm FePt film on 15 nm PtMn underlayer deposited at $300^\circ C$ was 6 kOe, while the corresponding pure FePt sample has to be annealed beyond $600^\circ C$ to achieve the same coercivity. The ordering temperature of 10 nm FePt film has been efficiently reduced to $300^\circ C$. This is mainly due to the low temperature $L1_0$ ordering of PtMn underlayer, which coherently induces disorder-order transformation in FePt films.
Since pure FePt thin film show irregular granular structure, C-doping effect was investigated. The room-temperature magnetic properties and structural variation of ordered $(FePt)_{1-x}C_x$ thin films, prepared by cosputtering technique on MgO (100) substrates held at $400^\circ C$ substrate temperature, have been studied. Perpendicular magnetic anisotropy was obtained for the films with Carbon concentration up to 25 volume % and coercivity enhancement was observed with small Carbon-doped FePt thin films. A clear spin-reorientation transition from perpendicular to in-plane direction was observed with increasing Carbon concentration. The observed magnetic properties are inter-correlated to the microstructural changes, occurring as a function of C-doping. We have investigated time-resolved domain evolution patterns and static domain patterns. The domain reversal behavior of Carbon-doped FePt system is found to change from domain wall-motion dominant process to nucleation dominant one with increasing C-doping. The observed result is understood with considering the coercivity fluctuation caused by different granular structure.
Magnetically well-ordered patterned FePt nanodot arrays with regular dot size down to sub-100 nm were successfully fabricated using capillary force lithography over large area of $2.7 \times 2.7 mm^2$ . These nanodots exhibit large perpendicular magnetic anisotropy with high degree of $L1_0$ ordering after post annealed at $600^\circ C$. The magnetization reversal behavior controlled by single domain process and high saturation magnetization make FePt dots amenable for perpendicular magnetic recording media. The coercive field is much higher than the strength of magnetic stray field emanating from the neighboring dots, making the switching behavior of dots free from the noise caused by magnetostatic interaction.
수직 자기기록 매체는 큰 demag 효과를 줄이고 열적 안정성을 늘리기 위하여 높은 수직자기 이방성 에너지를 필요로 하게 된다. 열정 안정성은 $K_uV/k_B$ T 에 의하여 결정되는데 잡음을 줄이기 위하여 입자의 부피를 줄임으로써 나타나는 불안정성을 수직 자기이방성을 늘임으로써 보완할 수 있게 된다. 결과적으로, FePt 과 같은 높은 수직자기 이방성을 가지는 물질을 고려할 필요가 있게 된다. $L1_0$ 규칙구조를 가지는 FePt 합금 박막은 큰 포화자화값 $(~ 1100 emu/cm^3)$ 과 큰 수직 자기 이방성 $(7 \times 10^7$ ergs/cm^3)$. 을 가지는 물질이다. 그리하여 규칙화된 FePt 합금 박막을 얻었으며 구조적, 자기적 특성을 연구하였다. 고온의 열처리에 의해 얻어지 $L1_0$ 규칙화된 FePt 합금 박막은 고온과 저온 모두에서 큰 수직자기 이방성을 가짐을 알 수 있었다. 그러나 불규칙 구조의 FePt 합금박막은 상온에서는 수평 자기 이방성을 보였지만 50 K 이하의 저온에서는 spin glass 와 같은 상을 얻음을 알 수 있었다.
규칙화 구조와 자화 반전분포에 영향을 미치는 필름의 두께 영향에 대하여 알아보았다. 필름의 두께가 증가함에 따라서, 규칙화 정도는 줄어들었으며 그로 인해 자화 반전분포도 나빠지는 것을 알 수 있었다. 잡음의 최소화 측면에서 최적의 필름 두께는 7 nm 인 것을 알 수 있었으며 이 두께에서 가장 작은 자화 반전분포를 가졌다.
정적인 자구 모습은 기판온도에 따른 자기이방성과 표면 구조에 의하여 결정이 된다. 그러나 자구의 변화 모습은 자기 이방성에너지에 의존하며 기판온도가 증가함에 따라 핵 형성 위주의 자구반전에서 자구벽 이동에 의존한 자구반전 모습으로 변화함을 알 수 있었다.
FePt 합금 박막을 낮은 온도에서 증착 하기 위하여 FePt 을 PtMn 하지층 위에 증착 하였다. 10 nm 두께의 FePt 이 15 nm 두께의 PtMn 위에 증착 되었을때, 수직방향의 보자력의 크기는 300 도에 서 6 kOe 을 보였으며, 이 값은 순수한 FePt 만을 증착 하였을 때의 온도보다 300 도 더 작은 값이다. 이러한 온도의 감소는 PtMn 의 낮은 규칙화 온도에 기인하여 FePt 이 PtMn 과 알맞은 원자배열을 이루기 때문이라고 할 수 있다.
400도에서 MgO 기판위에 증착된 규칙화된 $(FePt)_{1-x}C_x$ 합금 박막의 구조적 자기적 특성에 대하여 연구하였다. 수직자기 이방성은 25 부피 % 의 탄소함량까지 유지되었으며 보자력은 작은 탄소함량이 작을 때 증가하였다. 탄소함량이 많을 경우, 수직자기 이방성이 수평자기 이방성으로 바뀌는 것을 알 수 있었는데 이러한 변화는 구조적 특성 변화와 관련이 있음을 알 수 있었다. 우리는 FePtC 에서의 시간적 흐름에 따른 자구 반전의 모습과 정적 자구의 모양을 관찰하였다. 탄소의 함량이 증가함에 따라 자구벽 이동에 의한 자구반전에서 핵 형성 위주의 자구반전으로 이동함을 알 수 있었다. 이러한 결과는 공간적 자기이방성의 변화에 의해서 설명할 수 있다.
규칙화된 구조의 100 nm 이하의 크기를 가지는 FePt 입자를 CFL 방법을 사용하여 $2.7 \times 2.7 mm^2$ 의 큰 면적에서 성공적으로 제조하였다. 이러한 입자는 600도에서의 후열처리에 의하여 큰 수직자기 이방성을 가지게 된다. 자화반전은 하나의 자구에 의하여 이루어지며 큰 포화자기값은 FePt 입자를 수직자기 기록매체로의 사용을 가능하게 한다. 보자력의 크기는 이웃 입자에 미치는 자기장의 크기에 비하여 월등히 큼으로써 이웃 입자간에 작용하는 자기력에 의하여 발생하는 잡음에 대하여 안정적으로 자화 반전을 이룰 수 있게 한다.
