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自1980年代，鈷鉻合金(Co-Cr base alloy)一直是硬碟機中主要的記錄層材料。主要原因是因為1.)鈷具有足夠的磁晶異相性能(Ku)可以對抗熱擾動，使得記錄位元可以穩定地儲存；2.)因為鉻元素會偏析在鈷晶粒周圍，可以有效降低鈷鉻合金中晶粒間的交互耦合，大幅減少雜訊，提高記錄媒體的訊雜比(Signal Noise Ratio)。
因此，在過去20年中，全球對鈷鉻合金的研究相當廣泛，許多研究著重於添加第三元素調控其微結構以及磁性質。例如：增加適量的鉑(Pt)可以增進磁晶異相性能；添加少量鉭(Ta)可以促進鉻的偏析並且減少雜訊；而在00年代的水平記錄媒體大多基於鈷鉻鉑硼(Co-Cr-Pt-B)四元合金系統，同時加入鉑和硼可以提高磁晶異相性以及更好的訊雜比。 本實驗室的研究著重在運用於垂直記錄媒體的鈷鉻鉑二氧化矽(Co-Cr-Pt-SiO2)系統上，由於二氧化矽會偏析在鈷晶粒周圍，添加二氧化矽不僅可以減少晶粒間交互耦合、提高訊雜比；同時也可以有效地縮小晶粒尺寸、增加記錄密度。
下圖為垂直記錄媒體結構示意圖，各層功能簡單介紹如下：黏著層(adhesion layer)可以加強基板(substrate)和軟鐵磁層(soft underlayer)之間的附著性；因為垂直記錄媒體寫入機制的關係，需要鍍上一層軟鐵磁層(soft underlayer)來導通寫入磁場；中介層(intermediate layer)有兩個主要功能：降低軟鐵磁層與記錄層(recording layer)間的交互耦合、減少雜訊；同時也做為記錄層成長的平台，引導記錄層織構(texture)的成長，以達到垂直記錄媒體的目標；覆蓋層(capping layer)則提供了保護記錄層的功能。
藉由調控最佳二氧化矽濃度，具有高磁晶異相性能、高訊雜比、小晶粒尺寸的鈷鉻鉑二氧化矽是相當具有潛力，能夠成為超高密度記錄媒體的材料。目前我們已有能力製備記錄密度超高的垂直記錄媒體。從本實驗室自行組裝的讀寫測試機結果可推算其密度高達200GB/in2。 .jpg)
自從磁記錄技術問世後，記錄密度一直不斷的往上增加，近10幾年來更是以每年增加60~100%的速度在進步當中。在05年以前，所有硬碟都是”水平記錄”的技術，意思是磁記錄位元較偏向於”平躺在”硬碟膜面上。而早在70年代就有日本團隊認為”垂直記錄”的技術會優於”水平記錄”，此一論點造成了頗大的爭議，許多研究者懷疑垂直記錄是否真的可以取代水平記錄。在同一時間，許多公司都嘗試著商業化垂直式記錄媒體，但都失敗了，而水平記錄在這段時間中則是一直在硬碟市場中提供大眾所需。
一直到90年代底，隨著記錄密度的日漸增加，水平記錄技術將會面臨”超順磁效應”帶來的衝擊，記錄密度將無法像往年一樣再順利地往上增加。這是因為在硬碟技術中，將磁碟中的晶粒縮小可以增加記錄密度，並且得到高訊雜比(Signal Noise Ratio)的記錄媒體，但是晶粒體積(V)縮小後，會造成磁晶異相性能(KuV)變小，而無法與熱能(kBT)抗衡，會使得記錄位元會受到熱擾動的干擾而無法長期穩定儲存，這就是所謂的”超順磁效應”。其中Ku是磁異相性常數，kB是波茲曼常數，T是絕對溫度。
提高磁晶異相性能但又要將晶粒做小，其中一個辦法是尋找高Ku的材料來當作記錄層，提高磁晶異相性能，讓記錄位元不受到熱干擾的影響。但高Ku的材料往往需要較大的磁場來寫入。因此，從設計面來看，磁記錄媒體受到了三方面的限制，訊雜比、熱擾動以及寫入性的三難(trilemma)。藉由垂直記錄技術的演進，我們可以讓記錄密度增加且延緩此限制發生的時間。
Fig. 2 記錄媒體的訊雜比、熱穩定、寫入性三者需要互相妥協(HJ, Richter, JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS 40, R149-R177, 2007)
鐵鉑合金(FePt)具有超高Ku值的特性(Ku~7x107erg/cm3)，因此一直被認為是下一個世代超高密度磁記錄的選擇。鐵鉑合金薄膜在室溫鍍製後是未序化的FCC(face centered cubic)相，為一軟磁材料，需要在高溫(>500℃)退火後轉變成序化的FCT(face centered tetragonal)相，且具有垂直膜面方向的強單軸異相性。此結構可想像成一層鐵、一層鉑···依序往上堆疊，因鐵和鉑晶體常數稍微不同的關係，使得c軸稍微短於a軸，形成FCT結構。
Fig. 3 鐵鉑合金未序化-序化轉變
由於序化相的鐵鉑合金需要高溫退火的程序，在製程上會面臨到許多問題，因此本實驗室致力於降低鐵鉑合金的序化溫度，並已有數篇相關論文發表於國外期刊且被引用多次。以下簡單介紹本實驗室部分對於降低序化溫度的研究。
藉由在鐵鉑合金多層膜插入一層極薄的氧化層(SiO2)，可增進鐵鉑合金的序化行為，大幅降低序化溫度至350℃，且具有極強的垂直膜面單軸異相性。在氧化層厚度為0.56奈米時(膜層組織為[Fe/Pt/SiO2]18)，在350℃退火60秒後晶粒大小只有5.14奈米，且晶粒大小相當平均。我們認為這是因為二氧化矽的表面能遠小於鐵鉑合金，使得二氧化矽擴散至表面以達到較低的總表面能，帶動鐵鉑合金的擴散，可以大幅降低表面能，因而形成Ku值高達到4.2x107erg/cm3的晶粒狀結構，未來相當有希望應用在超高密度垂直式記錄媒體上。
Fig. 4 [Fe/Pt/SiO2(0.56)]18在350℃退火60秒後的晶粒狀結構，平均大小為5.14奈米。
Fig. 5 [Fe/Pt/SiO2(0.56)]18在350℃退火60秒後的磁滯曲線，Ku=4.2x107erg/cm3。
藉由調控膜層數目、退火溫度以及退火時間可以控制鐵鉑合金多層膜微結構。膜層組織為[Fe/Pt/SiO2]3的多層膜在700℃下退火12小時後，因為鐵鉑奈米顆粒嵌埋在二氧化矽中，所以在長時間退火後晶粒並不會粗化，而得到平均大小為5.6nm的鐵鉑奈米顆粒，其矯頑場高達31 kOe並具有很好的垂直膜面單軸異相性。值得一提的是，由微結構圖可推算此奈米顆粒密度高達1.0x1013dots/in2，是首次以物理方法得到如此高密度且長程有序的奈米陣列。若用於磁記錄技術將有機會做出容量高達50TB的硬碟。
Fig. 6 [Fe/Pt/SiO2]3在700℃退火12小時，顆粒大小為5.6奈米，密度高達1.0x1013dots/in2
Fig. 7 [Fe/Pt/SiO2]3剖面圖，可清楚看到奈米顆鑲嵌埋在二氧化矽中。
另外方面，引進動態應力的觀念，在鐵鉑合金加入一層銅的底層也可以大幅降低鐵鉑合金形成序化相的溫度。因為在退火溫度慢慢升高的同時銅會和矽產生反應，漸漸形成矽化銅(Cu3Si)，因為矽化銅的體積較大，所以引發出平行於膜面的拉伸應力，因而能夠有效的加速鐵鉑合金的序化，進而降低鐵鉑合金所需序化溫度。與先前他人所研究的靜態應力不同的是，此應力會在退火過程中逐漸釋放，在矽化銅反應完成後應力也釋放完畢，因此不會有殘留應力的問題發生。
參考資料：
HJ, Richter, JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS 40, R149-R177, 2007
S. N. Piramanayagam, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 102, 011301, 2007
Yun-Chung Wu et al, APPLIED PHYSICS LETTERS 93, 242501, 2008
Liang-Wei Wang et al, JOURNAL OF APPLIED PHYSICS 105, 07A713, 2009
Chih-Huang Lai et al, APPLIED PHISICS LETTERS 85, 4430-4432, 2004