磁泡材料

磁泡材料是指在一定外磁场作用下，表面呈现磁泡阵列的磁性材料。其主要为薄膜型材料，其单轴各向异性强，畴壁矫顽力小，迁移率高，在机械应力、温度等影响下稳定性好，化学稳定性高。

介绍强磁性材料在一定的外加磁场作用下，其表面形成圆柱状反磁化畴。在进行磁畴观察时，因这种圆柱状磁畴从其柱轴方向看去好像浮在材料表面的圆泡，在磁场作用下这些圆柱形磁畴可以移动，故称为磁泡畴，简称磁泡。在磁场作用下这些圆柱形磁畴可以移动。磁泡材料主要为薄膜型材料，其单轴各向异性强，畴壁矫顽力小，迁移率高，在机械应力、温度等影响下稳定性好，化学稳定性高。

制备磁泡材料薄膜的制备主要采用外延生长法，即将具有与待制磁泡材料相同或相近晶体构造和晶格常数的单晶基片，置于含有待制磁泡材料组分的熔体或溶液中，在一定条件下，磁泡材料沉积在基片上，形成具有一定晶面的磁泡材料薄膜。已实用的磁泡材料主要是稀土石榴石型铁氧体，可用以制造存取速度快、结构简单、功耗低、存储密度高的信息存储、记录和逻辑元件。

应用能满足产生磁泡条件的磁性材料。对某些薄膜或薄片磁性材料，当外磁场垂直于膜面时，在一定条件下与磁场方向相反的磁畴将变成圆柱形的磁畴，也垂直于膜面。自从在钙钛矿型正铁氧化YFeO3薄片(厚度约为40～200/μm)上利用磁光效应观察到圆柱形的磁畴以来出现了正铁氧体型、磁铅石型、石榴石型等多种磁泡材料。其中，以石榴石型研究得较多，其磁泡泡径小，畴壁迁移率高，温度稳定性好。正铁氧体型畴壁迁移率虽较高，但泡太大，温度稳定性差。磁铅石型泡径很小(0.3μm左右)，但畴壁迁移率很低。磁泡材料主要用于制作磁泡存储器。这是一种全固体化的电子式存储器。它没有机械部分，不仅具有抗振动，抗辐射、抗恶劣环境等性能和很高的信息存储密度，而且具有体积小、重量轻、速度高、功耗低、信息不易丢失等优点。现已广泛用于军事、卫星通信、航天、航空、数控机床等领域中。1

磁泡在某些磁性单晶薄片或非晶态RE-TM(稀土-过渡族元素)合金薄膜中，没有外加磁场时，如果材料具有垂直于膜面的磁各向异性，并且磁晶各向异性常数K和饱和磁化强度MS满足一定条件，则形成许多蜿蜒曲折的条状磁畴。如果沿薄单晶片(或薄膜)的法线方向加一偏磁场H，则随H的增大，磁化方向与H反向的那些条状畴缩小，在一定的偏磁场下会收缩成圆柱形磁畴。从薄膜的表面上看，是一些圆形的磁畴，就象漂浮在水面上的小泡一样，且在磁场的作用下它们会移动。因此，把这种圆柱状的磁畴称为磁泡，有时也称作泡畴。利用磁泡的移动可以构成移位寄存器。如果能够控制磁泡的产生和消灭，将磁泡的产生和消灭作为写“1”和写“0”，并能检测磁泡的有无，从而读出原先写入的数码“1”和“0”，那么就可以制成磁泡存储器。2

形成原理磁性材料薄膜在外磁场作用下产生的圆柱形稳定磁化区域，其磁化方向垂直于薄膜材料的平面。

磁性晶体一般是由许多被称为磁畴的小区域构成。在每个磁畴内部，原子的磁矩由于交换作用成平行排列状态，即表现为自发磁化。在某些磁性石榴石单晶薄膜中，垂直于膜面的方向是易磁化方向，且满足条件ku≥2πMs2，其中ku是单轴磁晶各向异性常数，Ms是饱和磁化强度，即磁畴的磁化在易磁化方向时能量最低。用偏光显微镜垂直于膜面观察，可以清楚地看到膜中磁畴的形状。在退磁状态下呈弯弯曲曲的条状磁畴。大约一半的磁畴磁化方向垂直于膜面向上，另一半垂直于膜面向下。垂直于膜面方向加一向上的外磁场HB，逐渐增加磁场强度。外磁场使磁化方向向上的磁畴逐渐扩张，使磁化方向向下的磁畴逐渐缩小。当外磁场增加到某一定程度时，磁化方向向下的磁畴便缩成圆柱状（如图）。这些圆柱状的磁畴在用偏光显微镜垂直于膜面方向观察时呈圆形，运动起来很像一群浮在水面上的小水泡,故被称为磁泡。这类磁性石榴石单晶薄膜的例子之一是在无色透明无磁性的钆镓石榴石(Gd3Ga5O12)，简称 GGO)单晶基片上(晶体的〈111〉方向垂直于膜面)，用同构异质液相外延方法生长的一层数微米厚的成分为(YSmLuCa)3(GeFe)5O12的薄膜。

优点缺点磁泡存储器具有非易失性，存储密度高，可靠性高，无高速旋转的机械部分，适合在运动条件下工作。缺点是速度慢，取数时间是数毫秒，比磁盘稍快，但较半导体存储器慢得多。

当然，使用磁性进行信息的存储和处理，受到环境和时间的影响，总归有去磁的那一天，这点在使用磁性和磁能的时候，是必需要注意到的。

由于磁泡存储器有上述的优点和缺点，它将在某些领域获得应用。

制备方法气相法化学气相沉积(CVD)是半导体工业中应用最为广泛的用来沉积多种材料的技术，包括大范围的绝缘材料，大多数金属材料和金属合金材料。从理论上来说，它是很简单的：两种或两种以上的气态原材料导入到一个反应室内，然后他们相互之间发生化学反应，形成一种新的材料，沉积到晶片表面上。沉积氮化硅膜(Si3N4)就是一个很好的例子，它是由硅烷和氮反应形成的。

然而，实际上， 反应室中的反应是很复杂的，有很多必须考虑的因素，沉积参数的变化范围是很宽的：反应室内的压力、晶片的温度、气体的流动速率、气体通过晶片的路程、气体的化学成份、一种气体相对于另一种气体的比率、反应的中间产品起的作用、以及是否需要其它反应室外的外部能量来源加速或诱发想得到的反应等。额外能量来源诸如等离子体能量，当然会产生一整套新变数，如离子与中性气流的比率，离子能和晶片上的射频偏压等。

然后，考虑沉积薄膜中的变数：如在整个晶片内厚度的均匀性和在图形上的覆盖特性(后者指跨图形台阶的覆盖)，薄膜的化学配比(化学成份和分布状态)，结晶晶向和缺陷密度等。当然，沉积速率也是一个重要的因素，因为它决定着反应室的产出量，高的沉积速率常常要和薄膜的高质量折中考虑。反应生成的膜不仅会沉积在晶片上，也会沉积在反应室的其他部件上，对反应室进行清洗的次数和彻底程度也是很重要的。

化学家和物理学家花了很多时间来考虑怎样才能得到高质量的沉积薄膜。他们已得到的结论认为：在晶片表面的化学反应首先应是形成“成核点”，然后从这些“成核点”处生长得到薄膜，这样淀积出来的薄膜质量较好。另一种结论认为，在反应室内的某处形成反应的中间产物，这一中间产物滴落在晶片上后再从这一中间产物上淀积成薄膜，这种薄膜常常是一种劣质薄膜。

化学气相沉积法是传统的制备薄膜的技术，其原理是利用气态的先驱反应物，通过原子、分子间化学反应，使得气态前驱体中的某些成分分解，而在基体上形成薄膜。化学气相沉积包括常压化学气相沉积、等离子体辅助化学沉积、激光辅助化学沉积、金属有机化合物沉积等。

溅射法磁控溅射法是在高真空充入适量的氩气，在阴极（柱状靶或平面靶）和阳极（镀膜室壁） 之间施加几百K 直流电压，在镀膜室内产生磁控型异常辉光放电，使氩气发生电离。

目前最常用的制备CoPt 磁性薄膜的方法是磁控溅射法。氩离子被阴极加速并轰击阴极靶表面，将靶材表面原子溅射出来沉积在基底表面上形成薄膜。通过更换不同材质的靶和控制不同的溅射时间，便可以获得不同材质和不同厚度的薄膜。磁控溅射法具有镀膜层与基材的结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学