Perpendicular magnetic thin films of L10 FePt has been subject to an extensive study because of its attractive property for the ultra high density recording media. However, ordered L10 FePt thin film was known to be highly sensitive to a noise problem. The problem became worse for high recording density. The transition noise was closely related to the magnetic microstructure. However, the magnetic microstructure of L10 FePt thin film was rarely been subject to a detailed study with respect to the film microstructure such as film texture and growth defects. The objective of the present work was to study using HRTEM and electron holography the magnetic microstructure of epitaxial L10 FePt thin film grown with its c-axis normal to the film plane.
DC magnetron co-sputtering technique was used to grow, on top of (002) MgO substrate, an epitaxial L10 FePt thin film with its c-axis normal to the film plane. The magnetization hysteresis curve was measured using VSM. The cross-sectional TEM specimen was prepared using a back side ion milling technique, which was shown to produce uniform foil-thickness. The growth type of FePt films changed by controlling heating process and Fe deposition rate.
Firstly, discontinuous(columnar) epi-layer FePt 50 nm thick thin films were fabricated. The hysteresis curve confirmed that perpendicularly magnetized. The contrast lines(bright lines, dark lines) could not be recognized in Lorentz TEM results, but the stray fields were observed by the electron holography analysis. In the case of discontinuous FePt films, the magnetic domain size was determined by the columnar size from the results of measuring the magnetic domain size and the columnar size.
Secondly, continuous epitaxial FePt film (60 nm), with its c-axis normal to the film plane, was successfully grown on top of MgO substrate uniformly over a large lateral distance of 0.5 ㎛. The epitaxial growth of the perpendicular magnetic L10 ordered FePt film was also confirmed by the electron diffraction pattern and the magnetic hysteresis curve. The results of Lorentz TEM and electron holography suggested that the continuous epitaxial FePt thin film formed 180° magnetic domain. From the results of the electron holography, a new analysis technique for the determination of the magnetization direction was developed by measuring fringe spacing. The construction of induction mapping confirmed that the perpendicular magnetization behavior inside the FePt film.
Finally, the FePt thin films and the FePt:C thin films with thickness of 20 nm, 50 nm and 80 nm were deposited and the effect of the film thickness and the addition of carbon on the magnetic property, the microstructure and the magnetic domain structure of the thin films was studied. In both cases, all the films showed the epitaxial growth. The thin films with thickness of 50 nm and 80 nm were found to be continuous film structure, while the films with thickness of 20 nm were found to be discontinuous film structure. It is confirmed that the 180° magnetic domains were formed from the analysis of Lorentz TEM and the electron holography. The intensity of induction field inside the thin film was determined by using the B-field calculation. In addition, the distribution of the magnetization of the thin films and the stray field were analyzed through the induction mapping.
This research suggested that the method to evaluate the distribution of the magnetization and intensity through directly observing the cross-section of the perpendicular magnetized FePt thin films even to the level of the thickness with 20 nm. The analysis technique to determine the direction of magnetization was first developed by using the variation of fringe spacing in the electron hologram.
수직자화 된 L10 FePt 박막은 초고밀도 자기저장기록 매체를 위한 재료로서 활발한 연구가 이루어지고 있다. 하지만 L10 FePt 박막은 noise 문제에 매우 민감하다. 이 문제는 기록밀도가 높아질수록 더욱 커진다. Transition noise는 자기 미세조직과 매우 밀접한 관련이 있다. 하지만 박막의 texture와 결정결함과 같은 미세조직만의 연구가 이루어지고 있을 뿐, 자구조직에 대한 연구는 거의 이루어지지 않고 있다. 따라서 본 연구의 목적은 HRTEM과 electron holography를 이용하여 수직성장한 L10 FePt 박막의 자구조직에 대해 분석하고자 한다.
DC-magnetron co-sputtering 방법으로 MgO 기판을 사용하여 수직성장한 L10 FePt 박막을 증착하였다. 박막의 자기적 특성인 자기이력곡선은 VSM을 이용하여 측정하였다. 단면 관찰용 TEM 시편은 일정한 foil 두께를 만들 수 있는 back side ion milling으로 제작하였으며, FePt 박막의 성장형태는 Fe의 증착속도에 따라 조절되었다.
위의 방법으로 불연속적으로 epitaxial하게 성장한 FePt 50 nm박막을 제조하였다. 자기이력곡선은 수직자화를 나타낸다. Lorentz TEM의 결과에서는 contrast line이 관찰되지 않았으나, electron holography의 관찰에서는 stray field가 관찰되었다. 불연속적으로 성장한 FePt 박막의 경우, columnar size와 자구조직 크기의 비교를 통하여 columnar의 크기가 자구조직의 크기를 결정한다는 것을 알 수 있었다.
다음으로 연속적으로 성장한 epi-layer FePt 60 nm 박막을 0.5 ㎛ 이상의 면적에 걸쳐 증착하였다. 전자회절패턴과 자기이력곡선으로부터 FePt 박막이 ordering된 것과 수직자화가 되었음을 알 수 있었다. Lorentz TEM과 electron holography 분석으로부터 180° 자구가 형성된 것을 확인할 수 있었으며, electron holography 분석에서는 fringe의 간격 변화를 이용한 자화의 방향을 결정할 수 있는 해석 기법을 도출하였다. 또한 induction mapping을 통하여 박막 내부 및 stray field의 자구조직 분포에 대한 분석을 할 수 있었다.
위의 연구에서 개발한 해석기법을 적용시키기 위하여 FePt 박막의 두께와 carbon을 변수로 한 박막을 제작하여 특성 평가와 미세조직 및 자구조직을 관찰하였다. FePt 박막의 두께는 20, 50, 80 nm로 변화시켰으며, carbon은 layer-by-layer 형태로 20 % 첨가하여, FePt 박막과 동일하게 20, 50, 80 nm로 증착하였다. 모든 경우에서 epitaxial 성장을 나타내었으며, 50, 80 nm의 박막은 연속적인 박막의 형태로, 20 nm 박막에서는 불연속적인 성장형태를 나타내었다. Lorentz TEM과 electron holography의 분석을 통하여 180° 자구가 형성된 것을 알 수 있었으며, B-field 계산을 통하여 박막 내부의 induction field의 강도를 평가할 수 있었다. 또한 induction mapping을 통하여 전체적인 자화분포를 파악할 수 있었다.
본 연구에서는 수직자화 된 FePt 박막의 직접적인 단면관찰을 통하여 20 nm 두께 수준까지의 박막에 대하여 자화분포 및 강도 평가를 할 수 있는 방안을 제시하였다. 또한 electron hologram에서의 fringe 간격변화를 이용하여 자화의 방향을 결정할 수 있는 해석기법을 개발하였다.
