第6章磁记录材料.ppt

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1、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？,6.1.1 磁记录的基本过程,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，在气隙出产生溢出磁场。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

2、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

3、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,调频,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：,a.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,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,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

4、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；（例）晶体磁各向异性；伸缩诱导磁各向异性；,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

5、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,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,磁电阻磁头再生原理,6.2.2 磁头材料,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

6、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。,颗粒状涂布介质结构,

7、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,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12mm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2032kA/m,矫顽力范围为5570kA/m,矫顽力范围为3550kA/m,矫顽力可达51kA/m,矫顽力范围为100900kA/m,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

8、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,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

9、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,溅射镀膜,A,B,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,为了获得高矫顽力，薄膜通常选用高各向异性的Co基合金,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

10、、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,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）,硬盘是在厚度为12mm的铝合金基盘

11、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,硬盘驱动器结构示意图,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

12、条纹卡,全磁性涂布卡,俯视图,侧视图,磁卡构造,基体（PET188250m）,中心部分（PVC，0.56mm）,磁卡制备工艺流程,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,异常光线,正常光线,法拉第效应,科顿-莫顿效应,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,克尔效应的应用,利用极向克尔效应进行磁光记录的原理,非记录点,记录

13、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应，当具有直线偏振的激光入射到磁记录介质的表面时，反射光的偏振面因磁性膜的磁化作用而旋转 或 角度。,6.4.2磁光记录和读出原理,磁光记录原理,基本原理是利用热磁效应来改变微小区域的磁化矢量取向,记录时，用聚焦激光局部照射希望记录的部位，该处温度升高，矫顽力下降，在该处施加反向磁场，使该部位磁化发生翻转，从而实现磁记录。,两种记录方式,（a）居里温度写入方式,（b）补偿温度写入方式,磁光记录中两种不同的写入方式,磁光记录分居里温度（TC）写入和补偿温度（Tcomp）写入两种方式,两种记录方式共同的特点：记录温度TL下的矫顽力HCL比室温T

14、r下的矫顽力HCr要低得多,磁光记录读出原理,激光功率低于记录时功率,光盘记录、再生、擦除原理汇总,大体分为三类：再生专用型（便携音响用光盘(CD)等）；一次写入型（文书文件，录像文件等）；可擦除重写型,再生专用型,形成沟槽,一次写入型,开孔,合金层1,合金层2,光强度小,光强度大,基板,相互扩散,内部变形,可擦除重写型,记录：光磁记录再生：克尔效应消除：高温+磁场,记录：高温+急冷再生：光强变化消除：低温徐冷,6.4.3 磁光记录介质材料,本节讲述的主要内容：,磁光记录介质的基本性能要求 Mn-Bi多晶膜 稀土-过渡族元素非晶态薄膜 石榴石氧化物薄膜 Pt/Co超晶格和Pt-Co合金薄膜,磁

15、光记录介质基本性能要求,垂直磁化，要求：为了产生良好的记录开关特性，要求矩形比等于或接近于1；居里温度适中，否则记录用半导体激光器的功率必须很大；稳定的最小记录位尺寸d可粗略地表示为：，因此要求材料的矫顽力要足够大 另外还要求低噪声，化学结构等稳定，便于大面积均匀成膜，具有很强的市场竞争性等,Mn-Bi多晶膜,六方晶体Mn-Bi是最早研究的磁光记录介质，晶体的c轴垂直于膜面（KU0），矫顽力大（160kA/m320kA/m）。Mn-Bi在晶体结构上有两个相，即低温相和高温淬火相。低温相居里温度较高，TC=360。当加热至居里温度以上时，部分转变为顺磁相，从而导致磁矩下降。高温顺磁相急冷至室温（

16、淬火）时，晶体将保持高温相的结构。高温相的居里温度低，TC=180，对磁光记录有利，但由于MS低，相应的F也低，读出信号变小。,稀土-过渡族元素非晶态薄膜,非晶态的优点是可获得成分连续变化的合金体系，这样可大范围调节记录介质的磁光性能，因此对设计理想的磁光记录介质十分有利。,非晶态R-TM合金中，当R为轻稀土类时，磁矩基本上是相互平行的（铁磁性）；R为重稀土类时，磁矩为反平行的（亚铁磁性）。因此，重稀土-过渡族金属合金，可以使整体磁化强度MS较小。同时，单原子各向异性大的Tb、Dy和Co感生的非晶薄膜的各向异性能也大。因此，Tb-Fe-Co非晶态薄膜成为磁光盘中使用最为普遍的合金成分。,Tb-

17、Fe-Co非晶膜有以下优点：（1）在近红外区（例如光波长为800m）能长期使用；（2）可容易地获得垂直磁化膜；（3）为非晶态结构，可避免晶界等造成的再生噪声；（4）居里温度TC为200，与现在半导体激光功率可良好对应等,稀土-过渡族元素非晶态薄膜发展趋势,轻RE(Nd，Ce)-Co和重RE(Cd，Tb，Y)-Co非晶态合金薄膜的与激光波长变化关系的比较,高密度存储要求记录波长变短，但重RE-TM化合物的 值变小，因此，短波长磁光记录应采用轻稀土-过渡族金属非晶态薄膜,石榴石氧化物薄膜,石榴石氧化物在短波长时有很大的磁光效应，波长为510nm时的法拉第效应达7.5/m，非常利于用作磁光存储介质。

18、,RE-TM非晶态薄膜虽成功用于第一代磁光盘，但由于以下原因难以在记录密度上有更大的突破：首先，稀土抗氧化能力差，对需永久保护的文档资料是一个安全隐患；其次，RE-TM靶材的制作和回收困难，不利于降低盘片的制作成本,1958年发现YIG单晶能传递红光和近红外光，且法拉第旋转角较大；1963年用它的单晶作成磁光调节器；70年代初，液相外延石榴石单晶薄膜成功地用于磁泡器件；80年代初期石榴石薄膜的磁光盘研究成了热门话题；利用石榴石氧化物记录介质的高度抗氧化性和抗辐照性，其可用于特殊用途，如军事、航空、航天等。,薄膜各向异性和磁光效应,主要考虑石榴石薄膜各向异性常数KU和磁光效应特性 其各向异性主要

19、源于感生应力：其中：,磁光效应主要来自电子自旋-轨道相互作用，其能量大小为：,Pt/Co超晶格和Pt-Co合金薄膜,Pt/Co超晶格在波长400nm下，K0.3，其磁和磁光性能已达到实际使用的要求；另外，Pt/Co超晶格的反射率高，其磁光品质因子在短波长范围内优于RE-TM薄膜，是下一代超高密度的磁光存储介质。一般认为，其有效单轴各向异性来源于：Pt/Co超晶格一般采用溅射成膜的方法制备,CoPt合金薄膜也具有强的垂直各向异性、高的矫顽力和大的极向克尔旋转，是下一代短波长磁光记录的后备材料,6.5磁泡及磁泡材料,6.5.1磁泡材料应具备的条件,磁泡材料应具备如下条件：（1）材料应能垂直磁化，要

20、求：（2）磁泡的直径要小，磁学特性与温度相关性要小。磁泡的最小直径取决于材料自身的磁学特性：（3）磁泡的迁移率要比较大。为提高磁泡的迁移率，材料的K不宜过大。同时，若材料的K值过大，还会导致磁泡直径大，不利于高密度记录，因此必须探求最佳磁学特性的范围,6.5.2磁泡材料,磁泡材料主要有单晶石榴石外延薄膜和非晶态合金薄膜两种类型,单晶石榴石外延膜 是目前使用的磁泡材料，研究内容主要包括：寻找小泡径材料，提高畴壁迁移率，改善温度系数等。目前常用的材料有：(EuEr)3(FeGa)5O12，(EuY)3(FeGa)5O12，(SmY)3(FeGa)5O12，(YSmLuCa)3(FeGe)5O12等

21、。,非晶态磁泡材料，泡径约在0.085m之间，畴壁迁移率为61.5376.9cm/sA/m。因此非常适合制造高密度，高操作速度的磁泡存贮器。因为是非晶态，所以制作薄膜时无需单晶基片，并省去了单晶生长、切割、研磨、抛光等大量繁琐的工艺，同时降低了成本。然而非晶态磁泡材料有温度性能差的明显缺点，所以很难用来制作磁泡器件,6.5.3磁泡器件的制作,GGG单晶生长,基片定向、切割、研磨、抛光,液相外延稀土石榴石磁泡薄膜,材料性能测试,芯片制备,中测及划片,装架及焊接,器件封装,器件测量,制备磁泡器件的工艺流程,磁性外延膜制备方法,磁性外延膜的制备方法主要有化学气相沉积和液相外延法,高频加热线圈,化学气相沉积（CVD）外延法,液相外延法,Thank you!,