磁泡

科学名词

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。

概念

“磁泡”是指在磁性薄膜中观察到的圆形磁畴，因为这种柱状磁畴从其柱轴方向看好像浮在表面的圆泡。已研究出的磁泡材料主要为稀土石榴石型铁氧体系，其他还有稀土RFeO3系、 BaFe12O19系等。制备磁泡材料主要采用液相外延法、气相法、溅射法和共沉淀法等。

磁泡技术是60年代末发展起来的一种新型信息存储技术。它利用磁泡的有无来表示二进制的“1”或“0”。在工作时通过各种功能的脉冲电流来控制磁泡的产生、传输、存储、检测和清除，以达到信息存储的目的。磁泡存储器是一种全固体化电子式存储器，它没有机械运动部分，性能可靠性高，同时它有具有磁性存储器特有的长处，信息可长期保存而不丢失，操作时功耗小，且具有抗振动、抗辐射、耐恶劣环境等特点。

磁泡存储器除了在计算机、通信领域中应用外，在空间技术和军事上也有较广的应用。

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《磁泡形成示意图》所示。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。

磁性薄膜材料

磁性薄膜材料(magnetic thin film material)厚度在1微米以下的强磁性（铁磁性和亚铁磁性）材料。简称磁膜材料。制备方法主要有真空蒸发法、电沉积法、溅射法等。

其制备方法主要有：

①真空蒸发法。即在真空状态下将加热蒸发的磁性材料沉积在基片上。

②电沉积法。即将磁性材料和基片做成阳极和阴极，在电解液中通过电化学作用，磁性阳极材料沉积到阴极基片上。

③溅射法。即将磁性阳极材料和基片分别作为阴极和阳极，在抽真空后又充入惰性气体电离成离子并高速轰击阴极，使阴极表面溅射出的原子附着于阳极基片上。此外，还有外延生长法、化学镀膜法等。

各种磁性材料几乎都可制成成分和厚度可以控制的磁膜材料。一般按材料性质分为金属和非金属磁膜材料；按材料组织状态分为非晶、多层调制和微晶磁膜材料。磁膜材料广泛用于制造计算机存储，光通信中的磁光调制器、光隔离器和光环行器等；也用作磁记录薄膜介质和薄膜磁头，以及磁光记录盘等。

磁泡技术

60年代末期，开始提出用磁泡作存储器的想法。利用在磁性薄膜的某一位置上“有”和“无”磁泡的两种物理状态代表“1”和“0”，可实现信息的存储。控制磁泡的产生、消灭、移动和检出等可实现信息的写入、传输和读出。利用磁泡间的排斥作用还可以实现逻辑功能。用磁泡存储、处理信息的技术称为磁泡技术。

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。

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。

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