基本介紹
- 中文名：磁泡材料
- 外文名：bubble material
- 主要製法：外延生長法
- 領域：工程技術
介紹,製備,套用,磁泡,形成原理,優點缺點,製備方法,氣相法,濺射法,
介紹
強磁性材料在一定的外加磁場作用下，其表面形成圓柱狀反磁化疇。在進行磁疇觀察時，因這種圓柱狀磁疇從其柱軸方向看去好像浮在材料表面的圓泡，在磁場作用下這些圓柱形磁疇可以移動，故稱為磁泡疇，簡稱磁泡。在磁場作用下這些圓柱形磁疇可以移動。磁泡材料主要為薄膜型材料，其單軸各向異性強，疇壁矯頑力小，遷移率高，在機械應力、溫度等影響下穩定性好，化學穩定性高。
製備
磁泡材料薄膜的製備主要採用外延生長法，即將具有與待制磁泡材料相同或相近晶體構造和晶格常數的單晶基片，置於含有待制磁泡材料組分的熔體或溶液中，在一定條件下，磁泡材料沉積在基片上，形成具有一定晶面的磁泡材料薄膜。已實用的磁泡材料主要是稀土石榴石型鐵氧體，可用以製造存取速度快、結構簡單、功耗低、存儲密度高的信息存儲、記錄和邏輯元件。
套用
能滿足產生磁泡條件的磁性材料。對某些薄膜或薄片磁性材料，當外磁場垂直於膜面時，在一定條件下與磁場方向相反的磁疇將變成圓柱形的磁疇，也垂直於膜面。自從在鈣鈦礦型正鐵氧化YFeO3薄片(厚度約為40～200/μm)上利用磁光效應觀察到圓柱形的磁疇以來出現了正鐵氧體型、磁鉛石型、石榴石型等多種磁泡材料。其中，以石榴石型研究得較多，其磁泡泡徑小，疇壁遷移率高，溫度穩定性好。正鐵氧體型疇壁遷移率雖較高，但泡太大，溫度穩定性差。磁鉛石型泡徑很小(0.3μm左右)，但疇壁遷移率很低。磁泡材料主要用於製作磁泡存儲器。這是一種全固體化的電子式存儲器。它沒有機械部分，不僅具有抗振動，抗輻射、抗惡劣環境等性能和很高的信息存儲密度，而且具有體積小、重量輕、速度高、功耗低、信息不易丟失等優點。現已廣泛用於軍事、衛星通信、航天、航空、數控工具機等領域中。
磁泡
在某些磁性單晶薄片或非晶態RE-TM(稀土-過渡族元素)合金薄膜中，沒有外加磁場時，如果材料具有垂直於膜面的磁各向異性，並且磁晶各向異性常數K和飽和磁化強度MS滿足一定條件，則形成許多蜿蜒曲折的條狀磁疇。如果沿薄單晶片(或薄膜)的法線方向加一偏磁場H，則隨H的增大，磁化方向與H反向的那些條狀疇縮小，在一定的偏磁場下會收縮成圓柱形磁疇。從薄膜的表面上看，是一些圓形的磁疇，就象漂浮在水面上的小泡一樣，且在磁場的作用下它們會移動。因此，把這種圓柱狀的磁疇稱為磁泡，有時也稱作泡疇。利用磁泡的移動可以構成移位暫存器。如果能夠控制磁泡的產生和消滅，將磁泡的產生和消滅作為寫“1”和寫“0”，並能檢測磁泡的有無，從而讀出原先寫入的數碼“1”和“0”，那么就可以製成磁泡存儲器。
形成原理
磁性材料薄膜在外磁場作用下產生的圓柱形穩定磁化區域，其磁化方向垂直於薄膜材料的平面。
磁性晶體一般是由許多被稱為磁疇的小區域構成。在每個磁疇內部，原子的磁矩由於交換作用成平行排列狀態，即表現為自發磁化。在某些磁性石榴石單晶薄膜中，垂直於膜面的方向是易磁化方向，且滿足條件ku≥2πMs2，其中ku是單軸磁晶各向異性常數，Ms是飽和磁化強度，即磁疇的磁化在易磁化方向時能量最低。用偏光顯微鏡垂直於膜面觀察，可以清楚地看到膜中磁疇的形狀。在退磁狀態下呈彎彎曲曲的條狀磁疇。大約一半的磁疇磁化方向垂直於膜面向上，另一半垂直於膜面向下。垂直於膜面方向加一向上的外磁場HB，逐漸增加磁場強度。外磁場使磁化方向向上的磁疇逐漸擴張，使磁化方向向下的磁疇逐漸縮小。當外磁場增加到某一定程度時，磁化方向向下的磁疇便縮成圓柱狀（如圖）。這些圓柱狀的磁疇在用偏光顯微鏡垂直於膜面方向觀察時呈圓形，運動起來很像一群浮在水面上的小水泡,故被稱為磁泡。這類磁性石榴石單晶薄膜的例子之一是在無色透明無磁性的釓鎵石榴石(Gd3Ga5O12)，簡稱 GGO)單晶基片上(晶體的〈111〉方向垂直於膜面)，用同構異質液相外延方法生長的一層數微米厚的成分為(YSmLuCa)3(GeFe)5O12的薄膜。
優點缺點
磁泡存儲器具有非易失性，存儲密度高，可靠性高，無高速旋轉的機械部分，適合在運動條件下工作。缺點是速度慢，取數時間是數毫秒，比磁碟稍快，但較半導體存儲器慢得多。
當然，使用磁性進行信息的存儲和處理，受到環境和時間的影響，總歸有去磁的那一天，這點在使用磁性和磁能的時候，是必需要注意到的。
由於磁泡存儲器有上述的優點和缺點，它將在某些領域獲得套用。
製備方法
氣相法
化學氣相沉積(CVD)是半導體工業中套用最為廣泛的用來沉積多種材料的技術，包括大範圍的絕緣材料，大多數金屬材料和金屬合金材料。從理論上來說，它是很簡單的：兩種或兩種以上的氣態原材料導入到一個反應室內，然後他們相互之間發生化學反應，形成一種新的材料，沉積到晶片表面上。沉積氮化矽膜(Si3N4)就是一個很好的例子，它是由矽烷和氮反應形成的。
然而，實際上， 反應室中的反應是很複雜的，有很多必須考慮的因素，沉積參數的變化範圍是很寬的：反應室內的壓力、晶片的溫度、氣體的流動速率、氣體通過晶片的路程、氣體的化學成份、一種氣體相對於另一種氣體的比率、反應的中間產品起的作用、以及是否需要其它反應室外的外部能量來源加速或誘發想得到的反應等。額外能量來源諸如電漿能量，當然會產生一整套新變數，如離子與中性氣流的比率，離子能和晶片上的射頻偏壓等。
然後，考慮沉積薄膜中的變數：如在整個晶片內厚度的均勻性和在圖形上的覆蓋特性(後者指跨圖形台階的覆蓋)，薄膜的化學配比(化學成份和分布狀態)，結晶晶向和缺陷密度等。當然，沉積速率也是一個重要的因素，因為它決定著反應室的產出量，高的沉積速率常常要和薄膜的高質量折中考慮。反應生成的膜不僅會沉積在晶片上，也會沉積在反應室的其他部件上，對反應室進行清洗的次數和徹底程度也是很重要的。
化學家和物理學家花了很多時間來考慮怎樣才能得到高質量的沉積薄膜。他們已得到的結論認為：在晶片表面的化學反應首先應是形成“成核點”，然後從這些“成核點”處生長得到薄膜，這樣澱積出來的薄膜質量較好。另一種結論認為，在反應室內的某處形成反應的中間產物，這一中間產物滴落在晶片上後再從這一中間產物上澱積成薄膜，這種薄膜常常是一種劣質薄膜。
化學氣相沉積法是傳統的製備薄膜的技術，其原理是利用氣態的先驅反應物，通過原子、分子間化學反應，使得氣態前驅體中的某些成分分解，而在基體上形成薄膜。化學氣相沉積包括常壓化學氣相沉積、電漿輔助化學沉積、雷射輔助化學沉積、金屬有機化合物沉積等。
濺射法
磁控濺射法是在高真空充入適量的氬氣，在陰極（柱狀靶或平面靶）和陽極（鍍膜室壁） 之間施加幾百K 直流電壓，在鍍膜室內產生磁控型異常輝光放電，使氬氣發生電離。
目前最常用的製備CoPt 磁性薄膜的方法是磁控濺射法。氬離子被陰極加速並轟擊陰極靶表面，將靶材表面原子濺射出來沉積在基底表面上形成薄膜。通過更換不同材質的靶和控制不同的濺射時間，便可以獲得不同材質和不同厚度的薄膜。磁控濺射法具有鍍膜層與基材的結合力強、鍍膜層緻密、均勻等優點。
