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磁记录与磁记录材料什么是磁记录一种利用电和磁的方法将可转换为电信号的信息输入、记录和存储于强磁性介质内，并又能从其中取出和重现该信息的过程。此种信息可以是声音、图像、数字或其他可转换为电信号的信息，故磁记录技术可应用于录音、录像、记录数字和其他信息等最早的磁录音开始于19世纪末，到20世纪40年代磁录音技术才逐渐成熟，有了较广的实际应用。50年代以后磁记录又应用到电子计算机和电视技术，以及人造卫星和宇宙飞船的信息记录和传送，应用领域不断扩大。模拟记录和数字记录按照信息记录的方式，磁记录可以分为连续的模拟式记录（如录音和录像）和分立的数字式记录（如计算机记录数字）两种。模拟磁记录是将信息转化为连续的电信号，在将电信号对应为磁信号，存入记录介质中。主要要求磁记录材料的剩余磁化强度和输入信号成正比，以保证被记录信号和输入信号之间有较好的线性关系数字磁记录将信息数字化，转化为二进制数字信号而被存入介质中。记录后，磁记录材料只有+Mr和−Mr两个剩磁状态，这时记录信号和输入信号的线性关系并不重要。目前，多用数字记录。磁记录的发展第一个硬盘用于IBM305RAMAC1956年，50张24英寸的盘片，存储量仅为5M比特，一个月租金为$3,200，相当于$160,000的销售价格。2004年,Toshiba生产的0.85英寸的硬盘,能储存4G。磁记录的发展过去二十年内,硬盘的存储密度飞速提高,每个比特的价格不断下降。?Toshiba硬盘的结构磁头臂组合磁头臂读写头主轴拼盘磁道硬盘中的磁性材料:1)磁记录介质(盘片)2)写头(高磁极化率的软磁材料）3)读头(包括GMR器件以及辅助器件)磁记录介质材料的要求对于磁记录介质的主要要求是：高的矫顽力Hc，以提高存储信息的密度和抗干扰性；适当高的饱和磁化强度4πMs,以提高输出信息强度;高的剩磁比Mr/Ms(Mr为剩余磁化强度),以提高信息记录效率和减小自退磁效应;陡直的磁滞回线,以提高记存信息分辨率；低的磁性温度系数和老化效应，以提高稳定性；对于垂直磁记录材料，还需要高的垂直膜面的单轴磁各向异性ku。磁记录介质磁记录介质为晶化了的薄膜，最小的记录单元叫比特,一个比特由几十个纳米颗粒组成。硬盘片的基本结构信息高密度地存储在硬盘片内并非连续,有很多磁轨,每个磁轨上又分有许多的区域。同一区域内，晶粒的磁矩同向排列形成一个记录比特(bit).磁记录密度：磁轨密度线密度或记录密度面密度=轨道密度×线密度磁记录介质的读写每个比特的数据被转化为矩形波形的电流-写入电流,输入写头,从而产生在介质与磁头的间隙间产生相应磁场。通过改变电流的方向，可以把数据写入介质。在读的时候，读头感受不同比特的附近的磁场，将其转化为电信号，从而将相应的数据读出。磁记录材料的热稳定性磁记录材料的热稳定性有每个磁性颗粒决定比特的基本组成单位是磁性颗粒每个磁性颗粒的热稳定性与本身的性能和其尺寸有关超顺磁极限热稳定性制约着存储密度的提高平行磁记录每个磁矩平行于介质表面。环形感应写头，靠芯的缝隙处的磁通来写入数据平行磁记录介质介质材料CoPtCrB两层结构，通过ＲＲＫＹ交换耦合来提高稳定性垂直磁记录每个比特的磁矩都是垂直于介质表面。介质下有个软铁磁底层。写头为单极头垂直磁记录的优越性垂直磁记录比平行磁记录有更高的记录面密度上限。平行：100-200GB/in2垂直：理论预测：10TB/in2记录方法的优越性:1)由于退极化场小，垂直记录可以用更大的介质厚度.2)单极写头通过软铁磁底层的产生两倍于平行磁记录磁头产生磁场，因而可以用更高磁各向性的材料为介质。3)软铁磁底层使垂直记录介质中的信号强度高于同等的平行记录介质，因而垂直记录介质读取的信噪比相对较高。4)垂直记录介质的磁轨边界更清晰，噪声更小。锐的磁轨边界可以得到更高的磁轨密度以及更小的比特尺寸，从而有利于进一步提高储存面密度。FePt的晶体结构PtatomFeatom无序的FCC结构有序的FCT结构FCC结构只出现基本的衍射峰(111),(200),...FCT结构基本的衍射峰和超晶格衍射峰(111),(200),(002),...;(001),(110),...退火c-axisXRDKu:~7x107erg/ccFePt薄膜的磁特性无序态为软铁磁，易轴在平面内。有序态的FePt薄膜为硬磁材料，且具有非常大的磁晶各向异性，易轴沿[001]方向。如果能够制备(001)取向的FePt薄膜则可以得到非常大的垂直各向异性，可用于垂直磁记录。(001)取向的获得(001)织构、外延薄膜(001)FePt薄膜的制备基片处理：在溅射前对基片进行加热去气处理。外延生长基片的选取：考虑晶格匹配FePt：a=b=3.85ÅMgO:a=b=4.212Å减小晶格失配种子层的选取：Cr：a=b=c=4.115ÅPt：a=b=c=3.92保护层防止氧化FePtPtCrMgOPt5nm50nm5nm3nm获得有序相的方法：1)后续退火2)在溅射中给基片加热，加热温度为700ºC。比较：后续退火需要更高的温度使薄膜充分有序化在薄膜沉积过程中给基片加热的方法，可以使薄膜在较地的温度下有序化，而且可以减少工序。(001)FePt薄膜的制备FePt薄膜的结构、取向与有序度分析(111)面四度对称,且与MgO的(111)峰出现在同样的角度,说明很好的外延生长(001)(002)FePt有很好的（001）取向常温下制备的FePt为无序的FCC700ºC下制备的为FCT有序相FePt薄膜的结构与磁性与基片温度的关系随基片温度的升高(001)峰强度增大,经过分析,发现薄膜的有序度随基片温度升高而增大,薄膜的晶格常数c则随基片温度的升高而减小。相应的，薄膜的磁性能也随基片温度的改变而发生很大改变，易轴的方向随着温度的升高从膜面内转到垂直膜面。软铁磁底层垂直磁记录介质中的软铁磁底层作用：1)使单极写头的磁通形成回路2)使写头形成镜像，从而加大了写入的磁场。3)提高了信号强度。材料的选取要求：高的饱和磁化强度，底的矫顽力。软铁磁底层需解决的问题•垂直记录优于平行磁记录的一个要素之一是它采用了软铁磁底层。然而，要软铁磁底层充分发挥其作用，需要解决噪声问题。软铁磁底层产生的噪声是因为在写入数据的过程中，随着写头的移动，其在软铁磁底层中的镜像也会移动，从而软铁磁底层的磁化强度发生改变，磁化强度的改变一般带来畴壁运动。畴壁运动会产生Barkhausen噪声。•解决的方法：消除磁畴，使软铁磁底层单畴化。软铁磁底层的单畴化glasssubstrateFeCoCuIrMnIrMnFeCo}repeat4timesradialanisotropy软铁磁底层的单畴化可以通过设计底层的结构，加入耦合作用来实现。磁记录的困难达到足够的热稳定性：大晶粒或高的磁各向异性提高可写性的要求：大的晶粒要达到足够的信噪比：需要颗粒小从而改善比特间的边界。磁记录介质的设计要求：同时考虑热稳定性和可写性提高热稳定性可以采用具有大的磁各向异性能材料减小写入场的方法：1)双层乃至多层介质，利用交换弹簧作用－交换耦合复合介质2)利用凑壁辅佐反转机制－磁各向异性梯度介质3)局域加热-热辅助磁记录交换耦合的复合介质Softhard由软磁层和硬磁层耦合而成，硬磁层有高的各向异性能，能够保持介质的热稳定性软磁层容易反转，通过耦合作用可以带动硬磁层的反转，从而大大减小所需的磁场交换耦合复合介质的制备Si(2nm)/FeSiO(6.5nm)/PdSi(tnm)/[Co(0.26nm)/PdSiO(0.87nm)]/PdSiO(4nm)/Ru(4nm)/Cu(2nm)/Glass矫顽场可以大大缩小，且和两个磁层间的耦合强弱有关。耦合的强弱可以由插入的非磁性层的厚度来调制。热辅助磁记录原理磁性材料在加热到居里点附近轿顽力大大下降。对写入的比特进行局域加热，使写入场下降激光加热FePt薄膜居里点高，需加热到600ºC，需要降低其加热的温度。FeRh/FePt双层膜FeRh具有特殊的性能常温下为反铁磁性，随温度升高，会经历反铁磁-铁磁相变。铁磁相的FeRh合金为软铁磁体。FeRh/FePt双层膜当温度加到150ºC以上，FeRh成为软铁磁体，容易反转，通过交换耦合作用，带动FePt层的反转，大大降低FePt的反转场。FeRh/FePt双层膜的制备FePt需要在有（001）取向基片选取：MgOFeRh为BCC结构，其晶格常数与FePt的a相近，因此，FeRh也可以在MgO基片上外延生长，而FePt容易在FeRh上外延生长。选取适当的种子层以减小晶格失配种子层的选取可以参照FePt单层膜的制备中。位元规则介质特点：•通过光刻将连续膜变成分离的点阵。•一个点一个比特。•材料本身与普通的材料无异。然每个点需由大磁性颗粒组成，最好是单晶。热稳定性由大的磁性颗粒或柱子本身决定。由于体积大，所以可以达到很高的热稳定性。存储密度受刻蚀技术的分辨率制约。利用位元规则介质可以存储的面密度大大提高。与普通垂直记录介质相比在相同密度下，可写性大大改善。磁各向异性梯度介质沿膜厚方向，磁各向异性能呈梯度变化。在保持热稳定性的同时，可以大大降低写入需要的磁场。最佳的各向异性分布为抛物线分布：目前还只是概念，实际的实现很困难，主要是因为磁各向异性能很难严格控制。最硬端最软端磁各向异性逐步增强）为最软端的各向异性能020(KzKK特点：反转为畴壁移动辅助反转。写入的基本过程：畴壁在软磁端形成、畴壁在晶粒中运动和畴壁从硬磁端溢出。要求：介质厚度不能太小，需大于畴壁的宽度。写头的基本结构写头包括激磁线圈和铁芯铁心材料的要求：对激磁次线圈产生的磁通有大的放大作用，因而需有高的饱和磁化强度和搞的磁导率。比较：激磁线圈产生的磁通一般在200Oe左右。而写头端的磁通可以达到2.4T.写头铁心材料FeCoAlO饱和磁化强度接近2.4TFe65Co35饱和磁化强度达2.4TFe/Co多层膜Fe层为0.1-4nm,Co层为0.1-2nm.总厚度100nm。可以比Fe65Co35高５%.读头的基本结构磁阻传感器绝缘层屏蔽层ＮＳ核心为磁阻传感器，可以灵敏的感受微弱的磁场变化。永磁体用来确定自由层的激化方向。屏蔽层用来屏蔽来自相邻比特的杂散场，提高磁头的灵敏度。永磁体软磁屏蔽层，需用高磁导率的软磁材料，目前所用的为坡镆合金Ni80Fe20，制备方法为电镀。用非晶软磁合金用作软磁屏蔽也在考虑中。读写头的结构Permalloyshields~2mmCu线圈读头传感器写头RF磁场Airbearingsurface2mm在实际的中,写头和读头被集成在一起。写头的产生的磁场被屏蔽层限制在写入的比特范围内，从而避免误写相邻的比特。自旋电子学及相关磁性器件巨磁阻效应(GMR)1986年,德国人P1Grunberg在Fe/Cr/Fe三明治结构中发现,当Cr层厚度合适时,两Fe层之间存在反铁磁耦合作用.根据这一结果,几十年来一直致力于研究薄膜中磁致电阻现象的法国巴黎大学的物理学家A.Fert设计了图1所示的(Fe/Cr)n多层膜,成功地使磁电阻效应得到放大,使之成为巨磁电阻.随后,大量的工作表明,GMR效应广泛存在于过渡金属多层膜，自旋阀，以及颗粒膜。GMR(%)=(RAP-RP)/RPRAP:磁矩反平行时的电阻RP:磁矩平行时的电阻巨磁阻效应原理两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的一个磁层后,遇到另一个磁矩取向与其自旋方向相反的磁层,并在那里受到强烈的散射作用,也就是说,没有哪种自旋状态的电子可以穿越两个或两个以上的磁层．当相邻磁性层的磁矩平行排列时，在传导电子中,自旋方向与磁矩取向相同的那一半电子可以很容易地穿过许多磁层而只受到很弱的散射作用,而另一半自旋方向与磁矩取向相反的电子则在每一磁层都受到强烈的散射作用.二流体模型电子导电有并联的两个通道，当磁矩反平行的的时候，两个通道的电阻都很高，因而，系统处于高阻态。而当磁矩平行的时候，有一个