磁光记录材料

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1、 磁光记录材料一. 概述磁光效应与磁光材料：材料在磁场的作用下呈现光学各向异性，使透射或反射的光的偏振状态发生改变的现象，称为磁光效应, 具有磁光效应的材料称为磁光材料。磁场引起的光学各向异性的类型：磁场引起的光学各向异性的类型很多，主要包括，法拉第效应、克尔效应、磁双折射效应、塞曼效应等。当前研究最多和应用较多的法拉第效应和克尔效应。二. 法拉第效应与克尔效应1法拉第效应1845年法拉第发现的磁光效应。线偏振光透过材料时所引起的偏振面的旋转称为法拉第效应。见图121。图12-1 法拉第旋转效应2克尔效应偏振光在材料表面反射时所引起的偏振面的旋转称为克尔效应。反射光与入射光的偏振面之间的夹角称

2、为克尔角，记为k。根据入射光的传播方向相对于磁性材料表面的磁化强度的不同，有三种克尔效应：（1）极向克尔效应此时磁化方向垂直于反射面。 （2）纵向克尔效应此时磁化方向与反射面、入射面平 行。 （3）横向克尔效应此时磁化方向处于反射面内且垂直 于反射面。 见图12- 2a. b. c.图12-2 磁光克尔效应a. 极向 b.纵向 c.横向图12-3 法拉第效应和极向克尔效应三. 典型磁光材料 1磁光非晶薄膜(克尔效应)表12-1 一些典型R-TM非晶薄膜及其性能居里温度 克尔角 k(o)测定波长nm Gd-Co6000.35633Gd-Fe2200.30633Tb-Fe1300.25633Dy-

3、Fe700.41633Gd-Tb-Fe1600.42800Gd-Tb-Co3000.44633Tb-Fe-Co2800.44633Dy-Fe-Co 2500.42633(2) 法拉第旋转器件用材料(法拉第效应)材料YIG, 透明铁磁性体，（Y3Fe5O12,即铁钇石榴石）表12-2 短波长用法拉第旋转器件用材料材料波长mVerdet常数 min.Oe-1.cm-1含Tb的顺磁性玻璃0.633-0.331含Pb的反磁性玻璃0.6330.072含Eu的顺磁性玻璃0.65-0.366TGG(Tb3Ga5O12)0.633-0.461TAG(Tb3Al5O12)0.633-0.625Cd0.55Mn0

4、.45Te0.633-6CdMnHgTe0.86-5.6图12-4 克尔效应随波长的变化 四. 应用1光隔离器利用法拉第效应。 图12-5 光隔离器原理图2磁光记录利用克尔效应的磁记录。磁光记录的特点；兼有光记录的大容量和磁记录的可重写性。磁光记录膜：磁光记录薄膜是垂直记录薄膜，其易磁化方向垂直于膜面，磁 矩只能向上或向下排列，如图12-6 所示 图12-6 磁光记录膜 磁光记录过程：记录信息时，对磁光薄膜材料外加一个小于其矫顽力的记录磁场，同时加一个表示信息的脉冲激光。受到脉冲激光照射的材料区域，由于吸收光能而温度上升，矫顽力下降，如图12-7 所示。 图12-7 磁光薄膜材料的矫顽力当矫顽

5、力下降到小于外加的记录磁场时，该材料区域的磁矩就会反转为沿外加记录磁场的方向排列， 图12-8 。 图12-8 磁光记录示意图 如果磁矩向上为0，向下为1，这样就将光的强、弱以磁矩0、1的方式记录下来。磁光记录密度：反比于最小磁畴的直径、激光光束的直径。磁畴直径与畴壁能成正比，与记录材料的饱和磁化强度与矫顽力的乘积成反比。所以大的乘积有利于提高记录密度。 重写过程：先擦去原有信息，再重新记录。擦去过程：用连续光照射整个磁光盘，同时外加一个与记录磁场强度相同但方向相反的磁场，使磁光盘的磁矩全部沿外加磁场方向排列，便擦去了旧信息，图129。然后，再进行新信息的记录。 图12-9 擦去过程 磁光盘的

6、构造：磁光盘的构造如图12-10 所示。 图12-10 磁光盘的构造 1.纹间，纹间存贮信息， 2.导向纹路，寻址用3. 基片一般为聚碳酸脂，4.保护膜，常用SiN、SiO，作用使磁光薄膜性能稳定，不被氧化。5. 磁光薄膜，30微米6.反射层，常用铝,作用使入射光产生多次反射，从而使反射后的克尔角度增大。 磁光记录薄膜材料选择原则：（1）单轴各向异性（2）各向异性常数ku大（3）磁化强度与矫顽力的乘积比较大（4）材料具有高于室温但又不是太高的的居里 温度，100300（5）良好的热稳定性（6）有较大的且受温度影响较小的克尔角和反射率 常用磁光薄膜材料：（1） 多晶体优点：克尔角、矫顽力较大缺点

7、：存在大量晶界，使磁畴形状发生混乱，容易产生光的漫反射，因而噪声大，信噪比低。（2）金属非晶薄膜 R-TM非晶薄膜、HR-TM非晶薄膜、LR-TM非晶薄膜 （3）石榴石铁氧体薄膜（4）人工超晶格磁性膜 PtCo、PdCo表12-3 常用磁光薄膜材料 巨磁电阻材料一. 概述 1.磁电阻磁场可以使许多金属的电阻发生变 化，这种由磁场引起的电阻变化现象称 为磁电阻（magnetoresistance, MR）效 应。2表征参数表征磁电阻效应大小的常用参数为 MR比，其定义由以下几种:（ R0R）/ Rmin 100， 0 （R0R）/ R0 100， 0 100 R/ R0 ，103. 磁电阻材料的

8、类型 （1）各向异性磁电阻材料（ AMR ）铁磁性材料MR比: 26MR比与电流与磁场的夹角有关见图1211l+l-lNlS（2）巨磁电阻材料（GMR, giant magnetoresistance） 非常大的MR比 ，大于 6 a. 纳米颗粒材料MR比: 620b. 多层膜电阻变化率: 10100（3）庞磁电阻材料(CMR, colossal magnetoresistance)电阻变化率: 105108 MR效应与材料进展见图12-12图12-12 MR效应与材料进展 二. 纳米颗粒巨磁电阻材料1纳米颗粒直径小于100nm的颗粒称为纳米颗粒 。2纳米颗粒巨磁电阻材料是由纳米量级的铁磁性相

9、与非磁性导 体相所构成的具有巨磁电阻效应的材料 。 3.类型 （1）纳米颗粒薄膜 （2）纳米颗粒薄带 （3）纳米颗粒块体材料4合金系 （1）合金系二组元的特性a.其中一相是磁性相b.另一相为非磁性高导电相c.固态时即不形成化合物也互不溶解（ 溶 解度极小） （2）合金系磁性相：Fe、Co非磁性相：Ag、Cu5Co系纳米颗粒薄膜合金成分Co -CuCo-AgMR比与Co含量的关系，见图1213图12-13 Co-Ag颗粒薄膜的磁电阻效应与Co含 量的关系（3）微观结构图12-14 Co Cu的微观结构 (2)制备方法共蒸发、共溅射、离子注入、快淬，块体机械合金法 （3）巨磁电阻产生机理磁场对电子

10、自旋的散射。 （4）需要控制的参数铁磁性颗粒的平均直径、形状分布及 平均间距；电子在非磁性相中的平均自由程；合金成分。 三. 金属多层膜巨磁电阻材料金属多层膜的结构图12-15 多层膜巨磁电阻材料示意图2性能 图12-16 Fe/Cr,Co/Cu多层膜的电阻比与外磁场的关系 曲线图12-17 Fe/Cr多层膜的电阻比与外磁场的关系 曲线图12-18 Co/Cu多层膜的电阻比与外磁场的 关系曲线四.隧道型（TMR）巨磁电阻材料器件在金属膜之间夹有数纳米厚的绝缘，构成三明治结构。在两金属之间施加低电压，电子不是越过能垒，而是在能垒中穿过，这便是隧道贯穿现象。当绝缘层为非铁磁性绝缘物质时，隧道电子在

11、贯穿绝缘层前后其自旋并不改变。但如果积层为下述的三明治结构：铁磁性A/非铁磁性绝缘层/铁磁性B，则隧道电子的自旋将受到铁磁性A、铁磁性B自发磁化Ms的影响。换言之，由于两层铁磁性层自发的作用，右旋自旋和左旋自旋电子穿过隧道的几率不同，并由此产生了巨磁电阻效应。典型材料：Fe/Al2O3/ Fe室温下MR比 达18%。这种器件较后，制作容易，对于实用 器件，意义很大。五. 庞磁电阻材料1. 庞磁电阻材料的发现及性能1993年首先在La2/3Ba1/3MnO3中发现庞磁阻效应，MR比极大，103106后来 Pr0.5Sr0.5MnO3 MR比更大，10102. CMR效应的机理(1) Mn氧化物的结构相变与电阻成分引起：反铁磁性相的铁磁性绝缘体相变铁磁性金属相变电阻发生变化l图12-19 La1-xSrxMnO3的晶体结构（2）磁场诱发结构相变与磁电阻图12-20 La1-xSrxMnO3结构相变温度与外加磁 场的关系图12-21 Pr0.5Sr0.5MnO3的电阻率变化与磁场的 关系