Korean Journal of Materials Research, Vol.9, No.4, 341-344, April, 1999
Co-Cr 자성합금 박막의 조성적 상분리 현상의 열역학적 고찰
A Study on Thermodynamics for Compositional Separation in Co-Cr Magnetic Alloy Films
초록
Rf 스퍼터링 법으로 제조된 Co-Cr 자성합금 박막에서 소퍼터링 조건에 따라 결정립 안에 Co- 과잉상과 Cr- 과잉상으로 조성적 상분리 현상이 발생하는 것으로 알려져 왔다. 기판온도를 실온요로부터 200℃ 까지, 스퍼터링타켓의 Cr 조성을 5~25%까지 변화시키면서 이 때 조성적 상분리 현상의 발생 여부를 확인하였다. 조성적 상분리 현상은 기판옹도 150~200℃, Cr 조성이 5~25% 인 범위에서 관찰되어 기판온도와 스퍼터링타켓의 조성에 매우 민감하게 의존함을 확인하였다. 이러한 현상을 스피노달 상분해와 갈은 모델로 설명하여 보았다. 2상의 고용체에서 발생하는 혼합엔트로피와 자성물질간의 자가결합 (magnetic ordering interaction) 엔탈피를 가정하고 또한 스퍼터링의 동적인 과정에서 기판온도에 의존하여 생기는 과잉결합력 (excess interaction energy) 엔탈피를 고려하여 이들의 전체 깁스자유에너지가 스피노달 분해와 같이 전체에너지를 Cr 조성에 대해서 두 번 미분한 결과가 음수를 만족하는 공정조건에서 실험결과와 비슷하게 조성적 상분리가 발생하는 것을 알 수 있었다. 이러한 모델로부터 Co-Cr 자성합금박막에서 관찰되는 조성적 상분리는 톡정한 온도, 조성 범위에서 단시간에 발생한 스피노달 분해와 같은 준 안정상임을 확인하였다. 이러한 결정립내의 상분리 현상에 의해 강자성체인 Co- 과잉상을 비자성체인 Cr- 과잉상이 자기적으로 고립시켜 매우 미세한 Co- 과잉상 하나가 자기 기록장소가 되므로, 초고밀도자기기록 애체로서의 긍정적인 응용이 기대된다.
We reported compositional separation(CS) into Co-enriched and Cr-enriched components inside the grains of Co- Cr based thin films prepared by rf sputtering. CS strongly depends on the sputtering conditions of substrate temperature and target composition. Tuning the microstructure of the Co-Cr films is important in order to employ the CS for high-density magnetic recording. We investigated the origin of CS from thermodynamic viewpoint. We employ a spinodal decomposition-like model to describe the origin of the CS in Co-Cr films. We consider the total free energy of the Co-Cr films as the sum of several free energies of; 1) thermodynamic mixing entropy of a binary solid solution, 2) magnetic ordering interaction(MOl) energy below the Curie temperature, and 3) excess interaction energy(XS) caused by the sputtering process as a function of temperature and comp'osition. Those energies distorted the total free energy like the spinodal decomposition and caused the compositionally separated fine microstructure inside the grains. If the second derivative of the total free energy with respect to Cr composition becomes negative at a given substrate temperature, we may observe a metastable compositional separation inside the Co-Cr alloy films. We expect to exploit the microstructure of CS for ultra- high density magnetic recording.
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