專利名稱：磁光盤存儲合金材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種存儲信息的材料，更具體地說是涉及一種磁光盤存儲合金材料及其制作方法，這種材料的特點是以錳鉍合金為基，摻入鋁和硅(或硼)原子。使用本發(fā)明的磁光盤存儲合金材料，可以克服目前通常使用的各種磁光膜所存在的一些缺陷，以滿足信息存儲和聲、像技術(shù)對磁光盤的需要。
目前，隨著計算機(jī)信息存儲技術(shù)的發(fā)展，需要這樣一種材料，它可以存儲大量的信息，可以用激光器在其上反復(fù)寫入和擦除信息而其存儲信息的功能不變。同時材料具有下述特點信噪比大，不受溫度變化的影響，而且工藝簡單易行。
當(dāng)前，磁光盤已得到廣泛應(yīng)用，通?？捎脕碇谱鞔殴獗P的材料有以下幾種(1)非晶態(tài)鋱鐵鈷(TbFeCo)或釓鋱鐵鈷(GdTbFeCo)材料，這類材料的優(yōu)點是非晶態(tài)，即原子排列是無序的，其中沒有晶粒，也沒有晶粒邊界產(chǎn)生的噪聲。但是用這種材料制作的磁光盤，其信噪比小，因為信噪比(S/N)正比于材料的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK，TbFeCo或GdTbFeCo的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK一般為0.35°-0.40°左右;此外，由于這種材料是非晶態(tài)的，受熱后容易老化，存在對溫度的不穩(wěn)定性;同時，由于這是一種稀土元素材料，非常容易氧化，材料的價格昂貴。
(2)石榴柘YIG薄膜，這種材料是結(jié)晶態(tài)，其缺點是生長溫度高達(dá)600℃，為此，在制作這種材料時，必須用耐高溫的材料例如石英作襯底。此外，這種材料的晶粒尺寸(d)一般來說較大，材料表面粗糙，實用效果不好，而且需用的激光寫入功率高。
(3)超晶格薄膜，這種材料分別使用過渡族金屬如鐵(Fe)和稀土金屬如鋱(Tb)相間隔的重疊層的調(diào)制膜，這也是一種非晶態(tài)材料，由于有很多層的重疊，使材料內(nèi)部尤其在其界面上存在內(nèi)應(yīng)力，各層的鐵(Fe)和鋱(Tb)之間的晶格格子失配，因此，這種材料制作的磁光盤在使用中性能有可能變化，不穩(wěn)定。而且磁光克爾轉(zhuǎn)角也不大。
(4)錳鉍(MnBi)合金膜，這是一種微晶材料，這種材料的磁光克爾轉(zhuǎn)角Q較大，約為0.7°，但它的居里溫度Tc較高。此外，當(dāng)把材料從高于居里溫度的375℃淬冷到室溫時，也就是相應(yīng)于在磁光盤上寫入或擦除的過程，該材料的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK明顯下降;錳鉍(MnBi)合金材料的晶粒尺寸(d)約為數(shù)微米，這種較大的晶粒尺寸使磁光盤的讀出信噪比下降，由于上述諸方面的原因致使該材料的實用性幾乎不可能。
與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)，例如有(1)D.Chen，etal.J.Appl.phys，pp1395，Vol41，No.3，1March1970公開。
(2)MorioMasuda，JapaneseJournalofAppl，phys.pp707-712，vol.26，No.5，May1987發(fā)表。
(3)D.ChenandY.Gondo，J.Appl.phys，pp1024，vol35，No.3，March1964發(fā)表。
本發(fā)明的一個目的是克服上述各種材料所存在的缺點，以滿足信息儲存和聲像技術(shù)對磁光盤存儲材料的需要;
本發(fā)明的另一個目的是提供一種新型的磁光盤存儲合金材料，使其具有較大的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK;
本發(fā)明的另一個目的是提供一種新型的磁光盤存儲合金材料，使其具有較小的晶粒尺寸d;
本發(fā)明的另一個目的是提供一種新型的磁光盤存儲合金材料，使其具有較大的信噪比S/N;
本發(fā)明的另一個目的是提供一種新型的磁光盤存儲材料，使其在受熱時，例如當(dāng)溫度高于該材料的居里溫度Tc并淬冷時，材料的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不變;
本發(fā)明的另一個目的是提供這種新型磁光盤存儲材料的制備方法用真空蒸發(fā)法將多種原材料依次進(jìn)行疊加，然后在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶稹?br> 本發(fā)明的另一個目的是提供這種新型磁光盤存儲材料的制備方法，用真空濺射法將多種原材料依次進(jìn)行疊加，然后在適當(dāng)?shù)臏囟认峦嘶?
本發(fā)明制備方法簡單易行，適于大規(guī)模地進(jìn)行生產(chǎn)，成本低。用本發(fā)明的方法制備出來的磁光盤存儲材料具有諸多優(yōu)越特性，例如該材料在室溫時有大的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK，測量波長為633nm時一般達(dá)到1.67。比現(xiàn)在有實用價值的非晶材料的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK′≈0.35°高出4倍多，晶粒尺寸d低到400
，因此會具有大的信噪比S/N;通過x光測定證明該材料具有穩(wěn)定的六角密排的晶體結(jié)構(gòu)，六角的C軸垂直六角基面(002);材料表面晶粒細(xì)密具有金屬光澤，反射率高，而且材料的特性不受使用溫度變化的影響。


圖1表示用本發(fā)明的方法制備的錳(Mn)鉍(Bi)鋁(Al)硅(Si)磁光盤存儲合金材料中各種元素在材料不同層內(nèi)的原子百分比濃度曲線，橫座標(biāo)表示材料的剝層時間(分)，代表材料內(nèi)的不同層次，縱座標(biāo)表示原子百分比濃度;
圖2表示對本發(fā)明的方法制備的錳(Mn)鉍(Bi)鋁(Al)硅(Si)磁光盤存儲合金材料所作的x光結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果(用CoKa靶)，橫座標(biāo)表示衍射角2v，縱座標(biāo)表示衍射強(qiáng)度，從圖中可見錳(Mn)鉍(Bi)在2v≈35°時有一個峰值，說明本發(fā)明材料是取向完整的六角密排晶體結(jié)構(gòu)，c軸垂直基面(002)，無雜相。
圖3表示用本發(fā)明方法制備的錳(Mn)鉍(Bi)鋁(Al)硅(Si)磁光盤存儲合金材料所測量到的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK與淬冷溫度(T)的關(guān)系曲線，飽和磁化強(qiáng)度(Mc)與淬冷溫度(T)的關(guān)系曲線，以及矯頑力(Hc)與淬冷溫度(T)的關(guān)系曲線，從圖中可見材料的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK、飽和磁化強(qiáng)度Ms以及矯頑力Hc基本不隨淬冷溫度變化，而現(xiàn)有技術(shù)中的錳鉍合金膜的θ′K，Ms′及H′c隨溫度卻有很大的變化。
圖4表示用本發(fā)明的方法制備的錳(Mn)鉍(Bi)鋁(Al)硅(Si)磁光盤存儲合金材料，測量到的反射率R與波長λ的關(guān)系曲線，以及磁化克爾轉(zhuǎn)角θK與波長λ之間的關(guān)系曲線，從圖中可見，在波長為633毫微米時，磁光優(yōu)值θK·R]]>很大，約為目前試用的非晶鋱鐵鈷或釓鋱鐵鈷的4倍多。
下面分別詳細(xì)說明磁光盤存儲合金材料及其制備方法。
磁光盤存儲合金材料圖1-圖4給出了本發(fā)明方法提供的磁光盤存儲合金材料的各個特性，這種材料包括錳Mn、鉍Bi和鋁Al硅Si，它是以錳Mn鉍Bi為基，摻入鋁Al硅Si原子?？捎梅肿邮組n1BixAlySiz表示，其中各種元素的較佳比例含量如下設(shè)Mn的原子數(shù)為1則Bi的原子數(shù)為x≈0.7-1.0Al的原子數(shù)為y≈0.2-0.5Si的原子數(shù)為z，z≈0.5-2將上述各種元素按上述原子比依次在真空條件下蒸發(fā)或濺射到透明基片上，透明基片可以采用玻璃或塑料基片，塑料基片例如用聚甲基丙烯酸甲酯?？稍谙磧舻耐该骰弦来蔚矸eSiO2、Mn、Bi、Al，或Al、Mn、Bi、SiO2;也可以用氮化硼B(yǎng)5N3代替二氧化硅則依次沉積B5N3、Mn、Bi、Al，或Al、Mn、Bi、B5N3，從而在透明基片上形成磁光盤存儲合金材料的多層薄膜。將上述多層薄膜在真空條件下，在300°-380℃之間退火3-5小時，然后冷卻到室溫。經(jīng)過上述退火的上述薄膜具有優(yōu)良的性能。
一般表示磁光盤存儲合金材料性能優(yōu)劣是用稱為磁光優(yōu)值的物理量的大小來標(biāo)志。
磁光優(yōu)值＝θK·R]]>其中θK為磁光克爾轉(zhuǎn)角R為材料的反射率如果θK和R越大，標(biāo)志磁光存儲合金材料的性能越好。本發(fā)明磁光存儲合金材料的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK約為1.7°，比現(xiàn)有技術(shù)中非晶材料的磁光克爾轉(zhuǎn)角大4倍;反射率R約為40%，與現(xiàn)有技術(shù)中材料的反射率相當(dāng);同時測到的晶粒尺寸d約為400 。本發(fā)明中材料退火溫度降低到300℃，退火溫度的下降，便可使用廉價的磁光盤盤基玻璃基片，同時，使晶粒尺寸d更小。晶粒尺寸d的減小，有利于材料的信噪比增大，從而有利于高密度地存儲信息或錄制聲像。此外，從圖3可見，當(dāng)溫度從約500℃淬冷到室溫，上述磁光盤存儲合金材料的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK和飽和磁化強(qiáng)度Ms以及磁矯頑力Hc基本不變。這樣，就有利于材料的反復(fù)使用和十分便于一般在室溫條件下長期保存存儲的信息和錄制過聲像的磁光盤。
制備磁光盤存儲合金材料的方法蒸發(fā)法首先準(zhǔn)備一塊透明基片，或是玻璃基片，或是聚甲基丙烯酸甲脂。將基片清洗干凈放入真空制內(nèi)。同時放入二氧化硅(SiO2)，錳(Mn)，鉍(Bi)或予制的錳鉍(MnBi)合金，以及鋁(Al)，其用量按照上述各種元素的原子比進(jìn)行配比，例如，按照分子式Mn1BixAlySiz若其中錳(Mn)的用量為1克原子，鉍(Bi)的用量x為0.7-1.0克原子，鋁(Al)的用量y為0.2-0.5克原子，硅(Si)的用量Z為0.5-2克原子。要求錳(Mn)、鉍(Bi)、鋁(Al)、二氧化硅(SiO2)的純度不低于化學(xué)純。當(dāng)真空室內(nèi)的真空度達(dá)到10-6-10-7乇時，先后依次將盛有二氧化硅(SiO2)、錳(Mn)，鉍(Bi)、和鋁(Al)的坩堝分別加熱，使其溫度稍高于各自的熔點即可，從而在透明基片上先后蒸發(fā)上二氧化硅(SiO2)、錳(Mn)、鉍(Bi)、和鋁(Al)，形成透明基片、SiO2、Mn、Bi、Al多層薄膜。也可以先蒸發(fā)鋁(Al)。最后蒸發(fā)SiO2形成透明基片、Al、Mn、Bi、SiO2多層薄膜。當(dāng)然，如果將蒸發(fā)Mn、Si的次序互相交換，形成透明基片、SiO2、Bi、Mn、Al多層薄膜或透明基片、Al、Bi、Mn、SiO2多層薄膜均可。蒸發(fā)完成后，把上述薄膜在真空室內(nèi)溫度為300℃-380℃下退火3-5小時，再冷卻到室溫。退火的作用是使錳(Mn)鉍(Bi)充分反應(yīng)，形成具有整齊取向的密排的六角晶體結(jié)構(gòu)，使C軸垂直六角基面(002)，同時使硅(Si)、鋁(Al)原子擴(kuò)散到六角晶體中的間隙位和晶粒間界中，從而獲得如圖所示的優(yōu)良特性的材料，并使晶粒細(xì)化，克服了現(xiàn)有技術(shù)中的錳(Mn)鉍(Bi)合金材料經(jīng)過高溫淬冷性能惡化的現(xiàn)象。通過測量，薄膜內(nèi)二氧化硅(SiO2)層厚度為1000-2000
，錳(Mn)鉍(Bi)合金層厚度為500-1000
，鋁(Al)層厚度為200
左右。
濺射法用濺射工藝制作MnBiAlSi存儲合金材料之前，需要先制作鋁(Al)靶二氧化硅(SiO2)靶、錳(Mn)靶、鉍(Bi)靶。制靶的技術(shù)是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的，這里不必贅述。
將洗凈的透明基片，或用玻璃基片，或用聚甲基丙烯酸甲酯基片放在濺射室內(nèi)，當(dāng)真空度達(dá)到10-6-10-8乇時將濺射室充以惰性氣體氬(Ar)，外加電壓使氬(Ar)離子依次先后轟擊前面制成的二氧化硅(SiO2)靶、錳(Mn)靶、鉍(Bi)靶和鋁(Al)靶，或者先轟擊鋁(Al)靶，再依次轟擊錳(Mn)靶，鉍(Bi)靶和二氧化硅(SiO2)靶，從而形成透明基片、SiO2、Bi、Al薄膜，或透明基片、Al、Mn、Bi、SiO2薄膜;如果將轟擊錳(Mn)與鉍(Bi)的次序相互調(diào)換，可形成透明基片、SiO2、Bi、Mn、Al多層薄膜，或透明基片、Al、Bi、Mn、SO2多層薄膜。其中二氧化硅(SiO2)層厚度為1000-2000 ，錳鉍(MnBi)層厚度為500-1000 ，鋁(Al)層厚度為200 左右。將鍍好的薄膜放在真空度為10-6-10-8乇的真空室內(nèi)，溫度為300-380℃下退火，退火時間為3-5小時，再冷卻到室溫。制成基片/、SiO2/Mn/Bi/Al多層薄膜，或基片/Al/Mn/Bi/SiO2多層薄膜，而具有基片/Al/Mn/Bi/SiO2結(jié)構(gòu)的多層薄膜是較佳的磁光盤存儲合金材料。
如果在上述制備過程中，用B5N3代替SiO2、其他工藝不變，則可形成基片/B5N3/Mn/Bi/Al多層薄膜或基片/Al/Mn/Bi/B5N3多層薄膜。同樣是很好的磁光盤存儲合金材料。
這里介紹一種制作磁光盤存儲合金材料的最佳實施方案。此處以濺射工藝法為例制備磁光盤存儲合金材料的多層薄膜。
首先制作鋁(Al)靶、二氧化硅(SiO2)靶、錳(Mn)靶和鉍(Bi)靶。
同時把洗凈的透明基片例如玻璃基片放入濺射室內(nèi)。當(dāng)真空度達(dá)到1×10-6-1×10-8乇時，濺射室充以惰性氣體氬(Ar)，在濺射靶上加電壓，使氬(Ar)電離并使氬離子首先轟擊鋁(Al)靶，將鋁(Al)濺射到上述基片上，控制鋁層厚度約為200 ，增加轟擊時間，可增加鋁層厚度。然后根據(jù)要求重復(fù)地轟擊錳(Mn)靶和鉍(Bi)靶，(或鉍(Bi)靶和錳(Mn)靶)重復(fù)的次數(shù)可以從1-100次以上，形成多層的MnBi(或BiMn)、MnBi(或BiMn)，MnBi(或BiMn)…的重疊層，總厚為500-1000 。最后濺射一層二氧化硅(SiO2)層，厚度為1000-2000 ，形成玻璃基片/Al/MnBi/MnBi/Mn·Bi/…/SO2多個重疊層的薄膜;或者形成玻璃基片/Al/BiMn/BiMn/BiMn/…/SiO2多個重疊層的薄膜。將上述薄膜在真空度為10-6-10-8乇的真空室內(nèi)，溫度為300°下退火3小時，然后冷卻到室溫。這里的退火溫度比錳鉍(MnBi)合金材料的退火溫度降低50°-80℃。當(dāng)薄膜在較低的溫度下退火時，形成近鄰之間的Mn，Bi原子的相互擴(kuò)散，而不是在較大距離范圍內(nèi)的擴(kuò)散，使Mn原子和Bi原子在較低的退火溫度下可以充分地構(gòu)成整齊的密排的具有六角的晶體結(jié)構(gòu)和良好的晶體取向。同時減小晶粒尺寸d，可使d 400 ，從而減少晶界產(chǎn)生的噪聲，使信噪比S/N提高。
在退火時，鋁(Al)硅(Si)原子占據(jù)了錳鉍(MnBi)晶體結(jié)構(gòu)中的空位，使上述薄膜材料具有良好的溫度穩(wěn)定性，如圖3所示，θK，MS和HC曲線基本不隨淬冷溫度變化。說明本發(fā)明的最佳實施方案克服了MnBi合金材料中所存在的淬冷使材料特性惡化的現(xiàn)象。同時使θK大大增加，晶粒尺寸大大細(xì)化，這一切是一個好的磁光盤存儲材料所需要的。
綜上所述，本發(fā)明的磁光盤存儲合金材料的磁光優(yōu)值遠(yuǎn)優(yōu)于非晶態(tài)的TbFeCo，本發(fā)明材料的性能也優(yōu)于晶態(tài)的錳鉍(MnBi)合金材料。本發(fā)明的磁光盤存儲合金材料與現(xiàn)有技術(shù)中的MnBi合金材料相比，其特點是具有更大的磁光效應(yīng)，克服了淬冷后材料性能變壞及晶粒尺寸大的缺點;與非晶態(tài)TbFeCo或GdTbFe相比，其特點是具有大的磁光克爾轉(zhuǎn)角θK，克服了非晶態(tài)材料的老化和容易氧化的缺點。本發(fā)明的材料具有高的反射率和整齊密排的晶體取向，晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不受溫度變化的影響。制備本發(fā)明材料的方法簡單，易于操作，成本低廉，便于大規(guī)模生產(chǎn)，為實現(xiàn)磁光盤的普遍使用展現(xiàn)有利的前景。
權(quán)利要求
1.一種磁光盤存儲合金材料，其中包括錳鉍(MnBi)合金其特征在于上述材料還包括鋁(Al)、硅(Si)原子，并以錳(Mn)鉍(Bi)為基，摻入鋁(Al)、硅(Si)原子；其中的錳(Mn)、鉍(Bi)、鋁(Al)、二氧化硅(SiO2)是在一個基片上真空淀積形成的一個多層薄膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光盤存儲合金材料，薄膜中的錳(Mn)、鉍(Bi)、鋁(Al)、硅(Si)是以下列原子比形成的，若薄膜的分子式為MnlBix·Aly·Siz，則x≈0.77-1.0，y≈0.2-0.5，z≈0.5-2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光盤存儲合金材料，其中Mn、Bi、Al、SiO2在透明基片上的排列次序為基片/SiO2/Mn/Bi/Al，或基片/SiO2/Bi/Mn/Al。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光盤存儲合金材料，其中Mn、Bi、Al、SiO2在基片上的排列次序為基片/Al/Mn/Bi/SiO2，或基片/Al/Bi/Mn/SiO2。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種磁光盤存儲合金材料，其中MnBi(或BiMn)層的重疊次數(shù)可從1-100層以上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光盤存儲合金材料，其中使用的透明基片是玻璃基片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光盤存儲合金材料，其中使用的透明基片是塑料基片，例如是聚甲基丙烯酸甲酯。
8.一種制備磁光盤存儲合金材料的方法，包括的步驟為(1)準(zhǔn)備一個透明基片;其特征在于(2)將Mn、Bi、Al、SiO2分別蒸發(fā)到上述基片上，形成一個多層薄膜;(3)將上述薄膜在真空室內(nèi)溫度為300-380℃下退火3-5小時，再冷卻到室溫。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種制備磁光盤存儲合金材料的方法，其中Mn、Bi、Al、SiO2在基片上的蒸發(fā)次序為(1)蒸發(fā)一層SiO2;(2)蒸發(fā)一層Mn(或Bi);(3)蒸發(fā)一層Bi(或Mn);(4)蒸發(fā)一層Al。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種制備磁光盤存儲合金材料的方法，其中Mn、Bi、Al、SiO2在基片上的蒸發(fā)次序為(1)蒸發(fā)一層Al;(2)蒸發(fā)一層Mn(或Bi);(3)蒸發(fā)一層Bi(或Mn);(4)蒸發(fā)一層SiO2。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的一種制備磁光盤存儲合金材料的方法，其特征在于蒸發(fā)Mn.Bi(或Bi、Mn)的次數(shù)從1-100次以上。
12.一種制備磁光盤存儲合金材料的方法，包括的步驟有(1)準(zhǔn)備一個透明基片;其特征在于(2)將Mn，Bi，Al，SiO2依次分別濺射到上述基片上，形成一個多層薄膜;(3)將上述薄膜在真空室內(nèi)溫度為300-380℃下退火3-5小時，再冷卻到室溫。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種制備磁光盤存儲材料的方法，其中在透明基片上濺射Mn、Bi、Al、SiO2的次序為(1)濺射一層SiO2;(2)濺射一層Mn(或Bi);(3)濺射一層Bi(或Mn);(4)濺射一層Al。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種制備磁光盤存儲合金材料的方法，其中在透明基片上濺射Mn、Bi、Al、SiO2的次序為(1)濺射一層Al;(2)濺射一層Mn(或Bi);(3)濺射一層Bi(或Mn);(4)濺射一層SiO2。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的一種制備磁光盤存儲合金材料的方法，其中濺射Mn、Bi(或Bi、Mn)的次數(shù)從1-100次以上，形成多層重疊的薄膜。
16.根據(jù)權(quán)利要求8或12所述的制備磁光盤存儲合金材料的方法，其中使用的原材料純度應(yīng)不低于化學(xué)純。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種磁光盤存儲合金材料，其中的硅(Si)原子可以用硼(B)原子代替。
18.根據(jù)權(quán)利要求8或12所述的制備磁光盤存儲合金材料的方法，其中使用的二氧化硅(SiO2)可以用氮化硼(BN)代替。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種磁光盤存儲合金材料及其制備方法，該材料以錳，鉍為基，摻入鋁、硅原子，或以錳、鉍為基，摻入鋁、硼原子。用蒸發(fā)或濺射法將上述原材料按一定次序淀積在透明基片上，并進(jìn)行真空退火，形成六角密排的晶體結(jié)構(gòu)。該材料有大的磁光克爾轉(zhuǎn)角，小的晶粒尺寸，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，而且制備工藝簡單易行。
文檔編號G11B5/85GK1046238SQ8910207
公開日1990年10月17日 申請日期1989年4月5日 優(yōu)先權(quán)日1989年4月5日
發(fā)明者王蔭君, 沈建祥, 唐 謙, 李肇輝 申請人:中國科學(xué)院物理研究所