第6章磁记录材料

第6章磁记录材料本章将要介绍的主要内容：☞磁记录概述；☞磁头及磁头材料；☞磁记录介质及介质材料；☞磁光记录材料；☞磁泡及磁泡材料6.1磁记录概述我们已经进入信息社会？“知识大爆炸”？记忆靠人脑？杭州电子科技大学磁记录的起源标志性事件：人们一般认为磁记录是从1898年丹麦人普尔生(ValdemarPoulsen)发明钢丝录音机开始的。这是磁记录技术的开端！人们称他为“磁记录之父”杭州电子科技大学磁记录的起源时间：1888年—早在普尔生发明磁性录音机十年前人物：美国人奥·史密斯(0berlinSmith)事件：发表了关于磁性录音可能性的论文观点：史密斯认为将随时间变化的声音转换为电流进而转换为磁性的变化而被记录，再以相反的过程重放是可行的意义：这一观点为今天的磁记录奠定了基础杭州电子科技大学时间：1898年人物：普尔生事件：发明钢丝录音机，即在钢丝上记录声音，再把它再生出来，并用听筒听所录的声音意义：标志着磁记录技术的开端杭州电子科技大学磁记录的起源时间：1900年人物：普尔生事件：在巴黎万国博览会上，展出“钢丝录音机”这一发明，轰动了整个博览会。后续：由于钢丝录音机发出的声音太小，后来他又发现使用一定的直流电流通过电磁铁可以得到较大的输出，于是在1907年他又发明了直流偏磁的录音方式杭州电子科技大学磁记录1.模拟磁记录通过磁头把输入的电流信号转化为变化的磁场来磁化磁介质，并通过磁头把磁介质上的磁信号转换成电信号输出（或把信号擦除）2.数字磁记录将数字代码信息以电流的形式输入到磁头线圈中，形成磁场后磁化磁介质，并以磁化状态的形式保存在磁记录介质上。通过磁头把磁介质上的磁信号转换成电信号，再还原成数字形式输出6.1.1磁记录的基本过程（b）（a）（c）抹音磁头录音磁头放音磁头驱动器记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流将电磁铁磁化，在气隙处产生溢出磁场。当磁带转动通过磁头气隙时，气隙处的溢出场将磁带磁化。磁带转动离开气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号。放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从而在磁头线圈中产生感应电压，该电压正比于磁通的变化率。虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复，但是经过适当的电路处理以后，就能重现记录信号。存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场的强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误。抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场，就可以抹除原先记录的信息，抹除之后，记录介质又可准备记录新的信息。6.1.2模拟式磁记录模拟式磁记录无调制记录无偏磁记录偏磁记录调频制FM调幅制AM脉冲时间调制PTM脉冲宽度调制PWM脉冲编码调制PCM偏磁信号本身并不反映在磁介质的记录信号上。通过磁头（电磁转换器）实现模拟信号或脉冲信号反映在磁介质的记录信号上。通过电子管、晶体管等调制器来实现的；调制记录无偏磁记录信号转换成电流后，直接送入磁头线圈而记录在磁介质上缺点：信号失真、能量转换效率差、信噪比低等；偏磁记录直流偏磁交流偏磁记录调幅高频载波：调制信号：调制后：sincccuUtsinmmmuUtsinsinccmmcuUUtt＝（＋）调频coscccuUt载波信号：调制信号：调频波为：cosmmmuUt0cos(sin)ccfmuUtmt5.1.3数字式磁记录数字式记录数字记录采用on和off这两种有一定间隔的脉冲信号，主要采用“1”和“0”这两种数值的信号。数字信号记录有利用磁化方向记录和利用磁化反转记录两种方式，记录原理如下：101100a.利用磁化方向进行记录b.利用磁化反转进行记录数字信号调制原理tb01001111+I-I磁头行走方向数字信号记录介质记录电流脉冲电压（再生）两种磁化模式NNSS排斥厚度d比特间距b（因排斥而发生退磁效应）a.水平磁化模式（b》d）NSbdb.垂直磁化模式（bd）逐渐过渡大幅度提高记录密度水平磁记录环形磁头运动方向（a）（b）（c）基体磁性层水平磁记录模式的记录和再生原理垂直磁记录☞使晶粒生长为柱状晶而引起的形状磁各向异性；☞界面磁各向异性；☞生长诱导磁各向异性；☞晶体磁各向异性；☞伸缩诱导磁各向异性；202sMK为实现垂直磁化，磁体垂直磁各向异性K┴应满足：实际上，上述各种磁各向异性机制是相互迭加而其作用的。垂直磁记录头与介质材料基板基板坡莫合金膜Co-Cr合金主磁极（坡莫合金膜）铁氧体励磁线圈磁记录层打底层6.2磁头与磁头材料磁头是指能对磁介质进行信息记录、再生及读取功能的器件。采用磁头与磁记录介质相组合的形式，通过磁头间隙产生的漏磁通使磁性膜磁化高密度存储要求：磁记录介质：高剩磁，高矫顽力，矩形比接近1；磁头：高磁通密度，高磁导率再生时获得足够大的输出保持相对稳定的磁化状态对记录介质进行有效地磁化有效地再生记录信号典型磁头示例6.2.1磁头的种类体型磁头薄膜磁头磁电阻磁头磁性合金：坡莫合金、仙台斯特合金、Fe-Al合金和Fe-Al-B合金；铁氧体磁头：Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体；MIG磁头：铁氧体磁芯间隙中沉积一层软磁合金薄膜工作缝隙小、磁场分布陡河磁迹宽度窄，故可提高记录速度和读出分辨率利用磁电阻效应制成电磁感应原理电磁感应型磁头和GMR磁头电磁感应磁头记录与再生原理磁电阻磁头结构示意IIIHMθ电极电极I：电流H：外加磁场M：磁化强度6.2.2磁头材料☞合金磁头材料☞铁氧体磁头材料☞非晶态磁头材料☞微晶薄膜磁头材料☞多层膜磁头材料☞磁电阻磁头材料主要包括下面几类：含钼坡莫合金和仙台斯特合金镍锌铁氧体和锰锌铁氧体Co-（Zr，Hf，Nb，Ta，Ti）二元系合金薄膜和Co-Fe-B类金属非晶态薄膜Fe-Ta-C，Fe-Ta-N等Fe-C/Ni-Fe；Fe-Al-N/Si-N；Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N等坡莫合金6.3磁记录介质及介质材料日常生活中的磁记录媒体6.3.1磁记录介质应具备的特性1）饱和磁通密度2）矩形比大3）矫顽力在磁头允许的范围内尽可能的大4）作为磁化反转的单位的体积应尽量小，大小及分布均匀5）磁学特性分布均匀，随机偏差小6）表面光滑，耐磨损，耐环境性好7）磁学特性对于加压、加热等反应不敏感8）化学的、机械的耐久性优良9）不容易导电高出力高记录密度低噪声高可靠性基本要求记录介质应具备的条件6.3.2颗粒状涂布介质对颗粒介质的要求颗粒状介质最好是单畴的；颗粒的形状以针状为最佳；颗粒状介质信噪比与成正比，N为单位体积内磁性颗粒数样品开关场分布尽可能窄矫顽力在磁头允许的情况下足够高居里温度必须比记录介质材料在使用、存贮和运输过程中的环境温度要高。N颗粒状涂布介质结构Al2O3微颗粒带基记录层有机粘接剂及润滑剂磁性粉Al2O3粉/铁丹粉/碳粉涂布型磁带结构示例涂布型磁带主要由带基和附着其上的磁性涂覆层构成基板记录层有机粘接剂磁性粉Al2O3补强剂涂布型磁盘结构示例常用磁盘分硬盘和软盘两大类：硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金盘基上附着磁记录层软盘是在可挠性PET盘基上附着磁记录层磁性粉（1）-Fe2O3（2）包覆Co的-Fe2O3（3）CrO2（4）金属磁粉（5）氮化铁（6）钡铁氧体矫顽力范围为20～32kA/m矫顽力范围为55～70kA/m矫顽力范围为35～50kA/m矫顽力可达51kA/m矫顽力范围为100～900kA/m纯铁的MS＝1700kA/m磁化强度和矫顽力比氧化物高，但易腐蚀颗粒状介质的优缺点（1）介质的磁性能由颗粒本身决定，其磁性能和非磁性能可独立改造和控制；（2）颗粒状涂布介质生产速度块，产量高，成本低；（3）可提供或可开发的颗粒选择范围宽，只是受到磁头材料的限制。优点：缺点：（1）磁性颗粒所占比重较小，使得涂层的磁性能和记录性能变差；（2）介质厚度较大；（3）磁性颗粒分散性难以控制，很难产具有理想记录特性的颗粒；（4）在涂布过程中用磁场对颗粒进行定向或打乱定向不是很有效。6.3.3薄膜介质基底附加层磁性层保护层薄膜记录介质的一般结构薄膜记录介质由基底、附加层、磁性层和保护层组成。在磁层和附加层之间也可增加一层缓冲层。保护层可以是单层的，也可以是多层的。在保护层上还可以增加一层润滑层基底和附加层要求薄膜与基底之间有很强的粘结力，因此必须保持基底清洁度和材料的兼容性为了使磁盘表面形貌均匀，基底必须有很好的抛光对于硬盘来说，基底的硬度很重要，因此需要添加非磁性附加层来提高硬度附加层除了可提高硬度外，还可以减少缺陷磁性层磁性层制备方法很多，有电镀法、真空蒸镀法、溅射法等，可根据不同的介质灵活采用。真空蒸镀溅射早期现今溅射镀膜基板单晶体AB岛状生长模式工艺控制因素：入射原子速度、能量；基板温度影响形核及成膜的因素：表面扩散；停滞时间；再蒸发；体扩散Co的单方向生长模式基板c轴[0001]方向为了获得高矫顽力，薄膜通常选用高各向异性的Co基合金保护层和润滑层记录层（Co-Cr-Ta，Co-Cr-Pt等）缓冲层（Cr，Cr-Mn，Cr-Ta等）基底和附加层保护层和润滑层Co-Cr-Ta记录层（10nm~130nm）Ni-Fe软磁层（7000nm）基底和附加层水平磁记录盘片结构示意垂直磁记录盘片结构示意保护层保护层应尽可能薄、不粗糙、耐磨，同时应不使磁头磨损，还应尽可能具有强的抗腐蚀性保护层材料应该是比较硬的、化学性质不活泼的、能与磁性层很好粘结但与磁头不粘结的材料，同时应有高的抗张强度，并且不易碎裂常用的保护层材料有硬质碳，除此之外，保护层材料还有TiC、TiN、SiC、CrC3、Al2O3等典型磁记录介质示例常用的磁记录介质有磁带、磁盘和磁卡等磁带是在基板上，沉积磁性层并构成复合材料膜层结构下面覆层底面覆层磁带水平方向磁性层（磁性粉＋粘结剂）厚度为1～4m左右，表面粗糙度0.1m以下10～15m基板（带基）磁带断面结构磁盘磁性层基板（如PET等）磁性层基板（如PET等）Ti膜倾斜蒸镀可挠性软盘准二层膜垂直记录可挠性软盘软盘是在可挠性PET盘上附着磁记录层磁盘由在圆盘状盘基表面附着磁记录介质层构成。常用磁盘分为硬盘和软盘两类：硬盘基板（铝合金）基板（铝合金）NiP磁性层SiO2保护膜TiNi-Fe膜磁性层碳保护膜硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金基盘上附着磁记录层电镀磁性膜硬盘垂直磁性膜硬盘磁盘制备工艺基盘制作（坯料）如Al-5%Mg合金熔炼、铸造，压延，圆板冲切，加压退火内外径切削，两面研磨电镀Ni，研磨，洗净磁性膜溅射，碳膜溅射，润滑液镜面研削，研磨，铬酸盐光泽处理，洗净磁性膜涂布（磁性粉、粘接剂、添加剂），树脂硬化，润滑膜凹凸检查，磁性检查，膜缺陷检查基盘制作（成膜基板）洁净基板制作工程洁净基板制作工程记录介质形成工程记录介质形成工程检查工程薄膜型涂布型磁卡磁卡方便信息的存储、读出，使用方便、安全、快捷，保密性好磁性条纹类型基体基体附着磁性条纹磁性层附着磁性条纹卡全磁性涂布卡俯视图侧视图磁卡构造基体（PET188~250m）中心部分（PVC，0.56mm）过渡片（PVC，0.1mm）保护层银灰层磁性层（5~15m）磁性条纹磁卡制备工艺流程设计组版，校正制版印刷覆膜数据写入最终检查成品出厂贴磁条整平断截，成形扩充，加工磁检查，消磁6.4磁光记录材料磁光记录实际上是光辅助式磁记录本节主要讲述下面内容：6.4.1磁光效应6.4.2磁光记录和读出原理6.4.3磁光记录介质材料6.4.1磁光效应赛曼效应法拉第效应和科顿-莫顿对发光物质施加磁场，光谱发生分裂无应用入射光透射光磁场H磁场H异常光线正常光线法拉第效应科顿-莫顿效应克尔效应xyzMMM（a）（b）（c）克尔效应（a）极向克尔效应；（b）横向克尔效应；（c）纵向克尔效应当光入射到被磁化物质，或入射到外磁场作用下的物质表面时，其反射光的偏振面发生旋转的现象称为克尔效应记录层克尔效应的应用kk利用极向克尔效应进行磁光记录的原理非记录点记录点记录位极向克尔效应是目前应用最为广泛的一种克尔效