第7章磁信息材料.

第七章磁信息材料•7.1磁记录材料•7.2磁泡材料•7.3矩磁材料•7.4磁信息材料的进展教学目标及基本要求•掌握对磁头材料、磁记录介质材料、磁光记录介质材料的要求，磁光效应，磁泡材料及其特征值，矩磁材料及其特征值。•熟悉磁带材料和磁信息材料的进展。•了解磁头材料、磁记录介质材料、磁光记录介质材料的种类，磁泡材料和矩磁材料的种类和应用。教学重点和难点•（1）对磁头材料的要求•（2）对磁记录介质材料的要求•（3）矩磁材料•（4）磁晶各向异性•（5）磁泡的形成过程思考题•（1）对磁头材料的要求？•（2）对磁记录介质材料的要求？•（3）矩磁材料？•（4）磁晶各向异性？•（5）磁泡的形成过程？第七章磁信息材料•磁信息材料是利用磁学原理存储和记录信息的磁载体材料。•按原理和方法，磁记录可分为磁记录和磁光记录，磁存储可分为磁泡存储和矩磁存储。7.1磁记录材料磁记录是利用磁头气隙中随信息变化的磁场将经过气隙的磁记录介质磁化，将随时间变化的信息磁场转化为磁记录介质中按空间变化的强度分布，经过相反的过程可将记录的信息经磁头重放出来。磁记录发展至今，已有百年的历史、它广泛应用于录音、录像技术；计算机中的数据存贮、处理、科学研究的各个领域；军事及日常生活中。磁记录主要有纵向磁记录、磁垂直记录和磁光记录三种模式。纵向磁记录是利用磁头的位于磁记录介质面内的磁场纵向矢量分量来写入信息。磁垂直记录是利用磁场的垂直分量在具有各向异性的记录介质上写入信息。磁光记录是用光学头，靠激光束加磁场来写入信息，利用磁光效应来读出信息。一、磁头材料磁头的基本结构如右图所示，由带缝隙的铁芯、线圈、屏蔽壳等部分组成。主要是利用磁体在气隙产生足够强的磁场，利用磁极与磁极的相互作用，磁场对带电物体或粒子或载电流导体的相互作用来做功，或实现能量，信息的转换。磁记录材料包括磁头材料、磁记录介质和磁光记录介质三类。•磁头材料是磁头铁芯用的高密度软磁材料，用它做成记录或重放信息的换能器件。要求有较高的能量转换效率，具体要求有：①最大磁导率μm，饱和磁化强度Bs要高。②矫顽力Hc和剩余磁化强度Br要低。③电阻率ρ要高。④起始磁导率μi要高。⑤磁导率的截止频率fr（记录信号频率）要高。⑥耐磨损，抗剥落，机械加工性好。•磁头材料分为金属磁头和铁氧体磁头材料两类。•二、磁记录介质材料•磁记录介质材料是涂敷在磁带、磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的磁性材料。磁性能要求：①矫顽力Hc要适当高（16~80kA/m）。②磁滞回线矩形比高，即Br/Bs、Hc/Br要高，Hc附近的磁导率尽量高。③剩余磁感应强度Br高；饱和磁化强度Bs要高。④温度稳定性好，老化效应小。⑤用于垂直记录的介质，其垂直方向磁晶各向异性系数要高，另两个方向要低，最好是薄膜。1）磁层均匀(愈薄，记录密度越高)，厚度适当2）磁性粒子尺寸均匀，呈单畴状态；3）磁致伸缩小，不产生明显的加压退磁效应；4）基本磁特性的温度系数小，不产生明显的加热退磁效应；5）磁粉粒子易分散，在磁场作用下容易取向排列，不形成磁路闭合的粒子集团。对制做记录介质的磁性材料（磁粉及磁性薄膜）提出以下要求：磁记录介质种类:磁带、磁盘、磁鼓、磁卡片等。从结构上看可分为磁粉涂布型介质和连续薄膜型介质，前者有利于水平记录模式，而垂直记录宜采用薄膜介质。a）颗粒（磁粉）涂布型介质将磁粉与非磁性粘合剂等含少量添加剂形成的磁浆涂布于聚脂薄膜(涤纶)基体上制成，磁粉主要有γ-Fe2O3磁粉、包钴的γ-Fe2O3磁粉、CrO2磁粉、钡铁氧体磁粉、金属磁粉等几类。纯铁的饱和磁化强度大约为氧化铁的四倍，从理论上说是理想的磁记录材料。其缺点是稳定性差，易氧化。通常采用合金化或有机膜保护的方法控制表面氧化，但这种方法会使磁粉的磁化强度降低。b）连续薄膜型磁记录介质研究表明，为提高记录密度，要求磁记录介质减小磁层厚度，增大矫顽力，同时保持适当的Br；提高磁特性和其它性能的均匀性及稳定性。连续磁性薄膜无须采用粘合剂等非磁性物质，所以剩余磁感应强度及矫顽力比颗粒涂布型介质高很多，是磁记录介质发展的重要方向。制备连续薄膜型磁记录介质的方法有两种：湿法（或称化学法，如电镀及化学镀）和干法（或称物理法，如溅射法、真空蒸饺法及离子喷镀法等）。三、磁光记录介质材料•磁光记录介质是利用磁光效应原理来工作的。•磁光效应是指光与磁场中的物质或光与具有自发磁化特性的物质之间相互作用所产生的各种现象。•对磁光记录介质的要求是：①有垂直磁各向异性。②克尔效应（线偏振光入射到磁化介质表面时其发射光的偏振面发生偏转，这种由反射而引起的偏振面旋转的效应）尽量大。③居里温度尽量低。④高矫顽力。⑤工艺简单，价格便宜。•四、磁带材料•磁带是由一定强度的带基均匀地涂上磁性或磁光记录介质涂层（厚约3~12μm）所构成。而涂层由磁性材料、粘结剂和添加剂组成。•带基一般是（聚酯）高聚物，厚度约10-30μm，要求软化点高，强度、耐磨、耐热和耐湿性好。添加剂主要有分散剂、润滑剂（石墨等）、耐磨剂（Al2O3）和抗静电剂等。7.2磁泡材料•“磁泡”是指某些磁性材料薄膜(片)的性能和尺寸满足一定条件时，在适当的偏磁场作用下，其反磁化畴变为1~100μm的圆柱形磁畴，在偏振光显微镜下观察，这些圆柱畴在薄膜表面好像浮着一群圆泡，故称为磁泡。磁泡材料就是在垂直薄膜平面的外磁场作用下，能产生圆柱形磁畴的薄膜材料。•外斯假说认为自发磁化是以小区域磁畴(磁化方向一致的区域)存在的。各个磁畴的磁化方向是不同的，所以大块磁铁对外不显示磁性，如图7-1所示。图7－1磁畴示意图•磁畴已被实验观察所证实。从对磁畴组织的观察中，可以看到有的磁畴大而长，称为主畴，其自发磁化方向必定沿晶体的易磁化方向；小而短的磁畴叫副畴，其磁化方向就不一定是晶体的易磁化方向。图7－2磁畴壁的种类•相邻磁畴的界限称为磁畴壁，可分为两种，一种为180°磁畴壁，另一种称为90°磁畴（见图7-2）。•技术磁化过程，就是外加磁场对磁畴的作用过程，也就是外加磁场把各个磁畴的磁矩方向转到外磁场方向的过程。它与自发磁化有本质的不同。•技术磁化是通过两种形式进行的，一是磁畴壁的迁移，一是磁畴的旋转。•磁化曲线和磁滞回线是技术磁化的结果。图7－3圆柱形磁泡示意图•图7-3为圆柱形磁泡示意图，利用这种圆柱形磁泡可凭借外加一定的脉冲或旋转磁场和磁路使磁泡产生、传输和消失，这种在特定位置上产生和消失状态正好对应“0”和“1”，并能快速位移，其速度可达10m/s以上，因此可利用磁泡进行存储、记录和逻辑运算等。图7－4磁泡形成过程示意图•产生磁泡需要单轴各向异性材料并制成薄膜(片)，使易磁化轴垂直于表面。当各向异性场大于或等于饱和磁化强度Ms时，如未加偏场，薄膜中会有带状磁畴形成，正反磁畴面积相等(图a)；加偏磁场Hb后，磁化方向和磁场方向相同的磁畴变宽，磁化方向相反的磁畴变窄（图b）；磁场再加强，那些变窄的反磁化畴就局部地缩成分立的圆柱形畴，即磁泡(图c)。•一、磁晶各向异性的概念•对铁磁和亚铁磁单晶体而言，不同晶向磁化时，磁性随晶向显示出各向异性，称为磁晶各向异性。•将最容易磁化和最难磁化的晶向称为易磁化方向（易轴）和难磁化方向（难轴）。•磁晶各向异性反映了磁畴沿不同晶向排列时自由能不同，常用磁晶各向异性能表示。•磁化强度矢量（Ms）在不同方向取向时的能量不同。Ms沿易磁化轴时能量最低，沿难磁化轴时能量最高。磁晶各向异性能是磁化矢量的函数。对于立方晶体，单位体积内所具有的磁晶各向异性能F为•αβ为自以磁化矢量对三个主轴的方向余弦。)(KF222222•二、磁泡材料的特征值（6）•1、（单晶）磁晶各向异性常数K1•形成饱和磁化强度垂直于薄膜的稳定畴结构条件：•K1≥1/2μ0Ms•2、合适的饱和磁化强度Ms•3、特征长度Ld•磁泡材料特性可用特征长度Ld表征：σw:畴壁能量密度；Ms2:单位平面的退磁能2s0dMLLd是材料单位平面的磁畴能与退磁能之比。Ld表示了基本厚度h，并决定了泡径d。薄膜最佳厚度h=4d，对应的最佳工作泡径d=8Ld。•4、磁泡的位移矫顽力Hc•要使磁泡位移，除外加偏场Hb外，还要外加一定大小的调制梯度场ΔH，经计算，要求Hc小。•ΔH8Hc/π（A/m）•5、材料的畴壁迁移率μω•磁泡位移速度与梯度磁场ΔH及材料的磁畴迁移率μω有关，即•v=1/2ΔHμω•6、品质因素Q•阻止磁泡材料的磁化偏离薄膜的垂直方向（即稳定性）是由材料的品质因数Q决定的：•Q=2K1/μ0Ms21•还要求缺陷密度很低，温度稳定性要高。三、磁泡材料的种类•能满足上述性能参数的材料不多，已有的磁泡材料主要有四种：•①钙钛石型正铁氧体，RFeO3•②磁铅石型铁氧体，MFe12O19•③柘榴石型铁氧体，R3Fe5O12•④非晶态材料四种。四、磁泡材料的应用•磁泡材料主要用于制造磁泡存储器。磁泡存储器具有存储密度大，消耗功率小，信息非易失性等优点，存储速度低于半导体存储器而高于磁盘、磁鼓，是一种正在发展，很有希望的存储器。矩磁材料磁滞回线磁滞回线近似矩形，剩余磁感应强度Br接近于饱和磁感应强度Bs，即Br/Bs0.8的磁滞回线。结晶和应力各向异性。7.3矩磁材料•矩磁材料主要特征值为：•1、矩形比（Br/Bs）或称剩磁比要高。•2、矫顽力要小。•3、开关时间（反转磁化所需的时间t）或开关系数Sw要小。Sw=（Hs-H0）×t•4、在脉冲磁场Hs的作用下，磁芯的读“1”电压（V1’）与破“0”电压（V0’）的比值越大越好。•5、要求低损耗。•6、对温度、振动和时效等的稳定性要高。常用的矩磁材料：在常温使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系，(Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65℃~+125℃较宽范围使用的矩磁铁氧体有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等矩磁材料的应用：若矩磁材料在不同方向磁场下磁化，当电流为零时，总是处于+Bm和-Bm两种不同的剩磁状态。由于计算机采用两进制，即只有“0”和“1”两个数码，所以采用这种材料的两种剩磁状态+Bm和-Bm就可以分别代表两个数码，起到记忆作用。因此可做信息存储元件的磁性开关。7.4磁信息材料的进展•随着信息技术的迅速发展，磁信息材料也取得了不少进展，磁信息材料的进展和磁性材料的进展是紧密联系的，只是各有侧重。•1、高记录密度磁膜材料。•2、高频和自旋阀磁头材料。•3、巨霍尔效应磁性材料。•4、低磁场庞磁电阻材料。•5、巨磁阻抗丝材料。•6、巨磁光克尔效应材料。