磁性材料在信息化领域的应用

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1、磁性材料在信息化领域的应用磁性是物质的基本属性，也是自然科学史上最古老的现象之一。磁性和磁性 材料的研究对现代工业和人们的日常生活都有重大意义，磁性材料是近代工业社 会的基石，近几年来新型磁性材料研究非常引人注目，这些研究涉及科学的各个 领域，这些磁性材料在提供磁场，能量转换，传感器，激励与数据存储器件，医 疗与生物科学，汽车制造，高能加速器和粒子检测器，原子核和基本粒子的微观 物理学研究，地球科学研究和应用，天文学的研究和航天新技术等方面已经取得 了应用。磁性材料充当能量转换期，在电能的生产、转换和使用中发挥着关键的 作用。同时，磁性材料也是现代信息社会的支柱材料之一，在T产业中的地位不 可

2、替代电脑的普及带动了相关外置设备的发展，尤其是硬盘驱动器（HDD）, 预计到2010年全球产量超过5亿只；DVD、DVD-ROM和刻录机，到2010年全球 的产量超过10亿。这是钕铁硼磁体应用的大市场，全球需要量在2万吨。作为声 音、图像和数据记录最重要记录媒体之一的磁性记录材料，已被广泛应用于广播、 电视、卫星转播、工程控制、科学研究、办公自动化，以及人们日常生活的各个 方面。只要应用录音机、录像机、计算机,就必须有相应的录音带、录像带、计 算机磁带、磁盘配套使用。现代生活中流行的各类新型卡证，诸如信用卡、交通 卡、电话卡、停车卡、医疗卡、钥匙卡等等，也都广泛应用了磁性记录材料。磁记录设备和

3、磁记录材料两者互为配套,互相促进,构成了磁记录技术的整体 发展。现代磁记录技术进步的主要标志是高密度记录和微型化。近年来 ,磁记录 材料在产品高档化、体积小型化、记录高密度化、应用简易化等方面 ,都取得了 显著的进展。尽管目前面临光记录等新型记录手段的严重挑战 ,磁记录技术及其 材料仍有着广阔的发展前景。早在 1857 年就出现了录音机的雏形，当时所用的 是3mm宽、0.05mm厚的钢带。1898年，丹麦人W.浦耳生发明了可供实用的磁 录机，所用的记录材料是直径为1mm的碳钢丝。经过不断改进，1907年出现了 直流偏磁录音机，为磁记录技术的全面发展奠定了基础。随着科学技术和电子工 业的发展，磁

4、记录技术和设备不断完善，磁记录材料也得到了相应发展。 1928 年，德国人J.A.欧尼尔首次制成纸基磁带，带速为76.2cm/s。从此磁带进入实用 化。 1938 年日本永井健三发明了交流偏磁法以后，磁记录技术得到进一步发展， 磁带性能得到发挥，录音效果明显提高。第二次世界大战期间，欧美各国出于军 事需要，秘密研究磁记录技术并取得了很大进展，出现了环形磁头、超声波交流 偏磁法等新技术和器件。1947年美国M.坎拉斯制成yFe2O3，为制备各种记录 材料提供了广泛的材料来源，至今仍用于制造各种类型的氧化铁磁粉。日本东京 通信工业公司（即现在的索尼公司）和日本东北金属公司分别于1950 年和 19

5、52 年研制成功磁带录音机和塑料带基磁带。1953 年，美国里夫斯兄弟公司研制成 功聚酯带基磁带，这种磁带目前仍在大量使用。1963 年，荷兰菲利浦公司的盒 式录音机和盒式录音带同时诞生，使录音技术产生了根本变革，并由声频向视频 记录发展。1960 年，日本的岩畸俊一发明了金属磁粉。1966 年，美国杜邦公司 研制成CrO2磁粉。970年，美国明尼苏达矿业和制造公司(3M)推出Co*-Fe2O3 磁粉，同年由日本索尼、松下电工和胜利公司联合制成的 U-matic 录像机所用的 1.9cm(0.75in)录像带，就是采用这种磁粉制成的。1973和1974年日本制成商品 名为 Avilyn 和 B

6、eridox 的新型包钴磁粉。与此同时，数码记录材料不断涌现。 1956和1972年美国国际商用机器公司(IBM)将硬磁盘和软磁盘作为外存贮材 料分别投入计算机和微机使用。70年代初出现的磁光盘以及1975和1976年由 日本索尼、胜利公司制成的盒式录像机及盒式录像带，使磁记录技术又有了新的 发展。80年代以来，用于脉码调制(PCM)、垂直记录等新技术的蒸镀薄膜磁 带、金属磁带等新材料的相继出现，使磁记录材料的应用进入了一个新阶段。中 国磁记录材料发展的历史较短。60年代开始研制酸法针状Y-Fe2O3磁粉，70年 代相继研制出碱法磁粉、包钻Y-Fe2O3磁粉及其他改性的Y-Fe2O3磁粉等。现

7、有 100 多个厂家从事磁记录材料的工业生产。在现代信息社会中，磁记录和磁存储技术是一种类型较多和应用广泛的信息 技术。随着社会的发展,不断要求增加信息量和信息密度。磁记录是当今信息存 储与处理的主要方式，为了提高磁记录密度，磁记录的模式由传统的纵向记录模 式向垂直磁记录模式发展，相应的磁记录介质亦由纳米颗粒转向纳米线有序阵 列。由于超顺磁性尺寸的限制，纵向磁记录密度已接近极限， 2005 年，希捷公 司推出 110Gbit/in2 的硬盘。另一个方式是 采用垂直记录的模式 ，已推出 200Gbit/in2的记录密度，近期可望达到400Gbit/in2，远期目标为1TB/in2。磁记 录密度与

8、记录模式、介质及其发展趋势。超顺磁性决定了磁性介质保持磁记录信 息不丧失的最小尺寸，从而在理论上确定了磁记录的最高记录密度，超顺磁性的 概念是从顺磁性延伸过来的，对于相互作用可忽略的单畴磁性微颗粒体系，设颗 粒体积为V,通常颗粒内含有105以上的原子,颗粒内原子磁矩之间相互交换耦合 在一起，颗粒磁矩为VMS。假如将颗粒看成具有磁矩卩为VMS的“超原子”，并 且该体系具有与顺磁性相似的特性，则称为超顺磁性，其磁化强度与温度的关系 亦遵从描述顺磁性的朗之万函数关系。考虑简单的单易磁化轴的球状单畴颗粒， 其磁各向异性常数为K，随着颗粒尺寸减少，使颗粒磁矩保持在易磁化方向的磁 能 KV 亦随体积减少而

9、减少，当磁能 KV 与热能 kT 相当时，在热扰动作用下, 不能保持原磁矩方向，磁矩可以克服势垒AE=KV而反转，磁矩反转的几率p exp(-KV/kT)， k 为玻尔兹曼常数。当我们测量该体系的磁矩时，如在所测量的时 间内，颗粒磁矩已反转多次，以至于所测量到的磁矩平均值为零，则该颗粒体系 的行为就类似于顺磁性原子体系，颗粒磁矩在空间作无规分布。利用 KV=kT 公 式，可以对超顺磁临界尺寸进行粗糙地估算。有文章认为，纳米线有序阵列可克 服超顺磁性对磁记录密度的限制，显然，这种观点是错的，在相同体积的条件下， 圆柱状的纳米线直径d与球状直径关系可表述为：d=(2D3/3h)2,其中h为纳米线

10、长度，如hD，则纳米线产生超顺磁性的临界直径应小于球状颗粒，从而可提 高记录密度的上限,但无法避免超顺磁的极限。除利用纳米线来提高记录密度外, 采用高磁晶各向异性常数(K)的磁性材料是目前研究工作的主攻方向，例如： FePt, CoPt，稀土永磁，铁氧体永磁等，K提咼后，超顺磁性的临界尺寸可减小， 但同时矫顽力又将显著增加，而记录磁头所产生的磁化场是有限的，为了有效地 记录信息，现采用热辅助磁记录(TAR)方式，记录时局部加热，以辅助记录磁场 录入信息，如记录介质为高矫顽力的FePt/FeRh交换耦合薄膜，采用垂直记录模 式可望达到10Tbit/in2。颗粒型磁记录密度的最终极限，从物理上考虑

11、，将取决 于宏观量子隧道效应。此外，为了进一步提高磁带存储系统的记录密度和存储容量，可以通过以下 主要途径实现： (1)采用新的颗粒介质技术目前的高性能磁带大部分是采用日本 Fijifilm公司的ATOMM双层涂布技术制造的。为了提高记录密度，K.Ejiri等采 用超细的金属磁粉(体积为传统磁粉的1/3)使上磁层的厚度减薄到40100nm。 采用 MR 磁头在这种超薄磁层 U-MP 上记录，其再生输出电压至少比传统的 MP/MIG组合高10倍，而面记录密度约为MP/MIG组合的6倍。与薄膜介质相 比，颗粒介质的磁层是相对较厚的，因此在长波段具有较高的输出。当采用MR 磁头作为读出磁头时，就会产

12、生磁头饱和的问题。采用写补偿是解决这一问题的 方法之一。RJ.Veitch试验了在MP颗粒磁带中加入软磁底层解决该问题的方法。 结果表明，加入软磁底层后,压制了可能引起磁头饱和的长波输出,磁带的频率响 应特性得到改善,证明该方法既可取得超薄涂层的记录性能又避免了相关的制备 问题。此外，如前面所述，为了进一步提高记录密度，Fuji-film已在原有技术的 基础上开发出了新的 Nano-Cubic 技术。在 Nano-Cubic 技术中，上涂磁层的实际 厚度只有100到200埃。采用这样的涂层，DLT型的盒式磁带的存储容量可提高 10 倍，达到 1000GB(1TB)； 2002 年 5 月，IB

13、M 宣布，已经用 Fuijifilm 的 Nano-Cubic 介质作为关键技术在线性匣式磁带上记录了 1TB 的数据。 (2)采用薄膜记录介质 为了提高记录密度，要求减薄磁层厚度。对于颗粒介质来说，采用目前的双层涂 布技术制造 100nm 以下的涂层是很困难的。薄膜介质在这方面具有明显优势。 在 AIT 等数据磁带中，已成功地使用了 ME 蒸镀磁带。人们一直试图将目前在 硬磁盘中普遍采用的溅射工艺推广到磁带介质的制造中。但是与软磁盘的情况一 样,采用溅射工艺制备磁带介质，同样面临基片热损坏、沉积率低等问题，从而 妨碍了该技术的实际应用。据报道,采用提高溅射压力和基片冷却的方法可以解 决基片损

14、坏的问题，但是仍然面临控制磁层的织构和晶粒尺寸的困难。为了在纵 向磁带介质中获得合适的磁性，需要制备出具有面内 c 轴取向的六方密堆积(hcp)Co合金膜。Bo Bian等采用加入NiAl底层和各种含Cr中间层的方法，在 PET 基片上得到了 CoCrPt 的(1010)织构，并且不会引起基片的热损坏。结果表 明，薄膜介质层的矫顽力随中间层的组分和结构而变化，当采用 CoCrMn/CrMn 作为复合中间层时，薄膜得到302.4kA/m(3800 Oe)的最高矫顽力。这种矫顽力高、 厚度薄的介质对提高记录密度是非常有利的。 (3)提高磁道密度螺旋扫描记录方 式的引入，大大提高了磁带的记录密度。为

15、了进一步提高磁道密度，在 Super-DLT 等超级磁带系统中，采用了光伺服技术，即在磁带背面刻有光伺服图形，驱动器 可以通过这些图形控制磁头的准确位置。为了克服高道密度条件下精确控制磁道 位置的困难T.Himeno等提出1种非跟踪技术(non-tracking tecknology)，该技术通 过倍密度磁道扫描和数据调整，能够以正确的顺序再生所有的数据。 K.Tsuneki 等利用这一技术将磁道间距减小到5pm，在采用低噪声Co-O金属蒸镀磁带和 MR再生磁头的螺旋扫描磁带记录系统中实现了 0.8Gb/in2的面记录密度。(4)采 用磁电阻型磁头作为提高记录密度的最重要的方法之一，磁电阻型磁

16、头早已在硬 磁盘驱动器中广泛采用。对于这种磁头在磁带存储系统中的应用，近年来已有大 量研究工作发表。在采用感应式磁头进行写/读的传统螺旋扫描磁带记录系统中， 采用高输出记录介质，可以获得250Mb/in2的面记录密度。采用磁电阻型磁头可 以显著提高磁带记录系统的记录密度。Tadashi Ozue等采用屏蔽式AMR磁头在 螺旋扫描磁带系统中实现了 1Gb/in2的面记录密度；最近，他们又研究了采用旋 磁阀型(Spin-Valve)GMR磁头在Co-CoO蒸镀磁带上进行记录时的信噪比。结果 表明,ME磁带在高密度记录条件下噪声低，灵敏度高，非常适合于Spin-Valve GMR磁头。在线密度和道密度分别为290kbp i和39.5ktpi的情况下，可以获得18dB 的信噪比SNR,也就是说，采用Spin-Valve GMR磁头,在螺旋扫描磁带记录系统中 可以实现11.5Gb/in2的面记录密度。磁光记录也是当前应用广泛的一种信息记录和存储技术。它是在磁光效应和 激光技术的基础上发展起来的。随着磁光效应研究和激光技术的不断发展，磁光 记录也在不断地发展，如记录