磁記錄與磁頭材料簡述

1、磁記錄與磁頭材料簡述摘要：簡述了磁記錄材料的發(fā)展、磁記錄原理以及磁記錄的過程，包括磁頭材料的基本要求及其數(shù)字式記錄方式；對幾種具有代表性的磁頭材料做了介紹，并對磁頭材料的發(fā)展做了展望。關(guān)鍵詞：磁記錄;原理;磁頭材料;種類The review of Magnetic recording and materials of Magnetic HeadAbstract: The development history, principle and process of materials of magnetic recording were summmarized, including the bas

2、ic enquirements and recording mode of mat erials of Magnetic Head . The represental of the materials of Magnetic Head was discribled and the development of materials of Magnetic Head was discussed. Key words: magnetic recording; principle; materials of Magnetic Head;discription 引 言當(dāng)今世界已經(jīng)進入了信息化時代。信息量

3、的爆炸式增長對信息存儲技術(shù)提出了越來越高的要求。信息存儲作為處理信息必不可少的環(huán)節(jié)，已滲透到國民經(jīng)濟的諸多環(huán)節(jié)。一直以來電子存儲產(chǎn)品都占據(jù)著電子類產(chǎn)品最大的市場份額。對高存儲容量，高數(shù)據(jù)存取速度，高性能價格比存儲設(shè)備不斷增長的需求進一步推進了存儲記錄技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)存儲記錄技術(shù)的性能越來越高，新型存儲記錄技術(shù)不斷涌現(xiàn)。在所有的信息存儲方式中，磁存儲因其具有優(yōu)異的記錄性能、應(yīng)用靈活、價格便宜，而且在技術(shù)上仍具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿?，所以仍被作為?dāng)代信息存儲的一項主要技術(shù)1。1 磁記錄材料的發(fā)展磁記錄技術(shù)的起源可以追溯到1857年使用鋼帶的錄音機雛形。1898年，丹麥人Valdemar Poulson

4、使用直徑為1 mm的碳鋼絲制作了世界上第一臺可供實用的磁錄音機。1928年，德國人Fritz Pfleumer與AEG（伊萊克斯）合作制作了第一臺磁帶錄音機，被稱為是磁帶錄音機的鼻祖，從此磁帶錄音機進入實用化。1947年，-Fe2O3的發(fā)明標(biāo)志著磁帶記錄技術(shù)與當(dāng)代的接軌。磁記錄當(dāng)初只用于錄音，但從上世紀(jì)五十年代后半期一來也廣泛地應(yīng)用于磁帶錄像機、計算機的存儲系統(tǒng)（磁滯裝置、磁盤裝置）等，同時記錄密度也迅速地增大。近幾年來，對磁記錄材料的性能要求越來越高2。2 磁記錄過程與原理2.1 磁記錄過程所謂磁記錄就是以磁記錄介質(zhì)受外磁場磁化，去掉外磁場后仍能長期保持其剩余磁化狀態(tài)的基本性質(zhì)為基礎(chǔ)。磁帶或

5、磁盤記錄信號是永久性的，同時也是可以更改的。在磁性介質(zhì)表面按照信號要求形成微小永磁體，每個微小永磁體有一個磁化方向，最初的鋼絲磁記錄，其微小磁體的磁化方向垂直于鋼絲表面，可以說是最早的磁記錄，但由于鋼絲很難保持較強的剩磁，因此記錄效果并不理想。傳統(tǒng)的磁存儲采用水平（即縱向）記錄方式?？v向記錄，如其名稱所示，即數(shù)據(jù)位為水平排列（數(shù)據(jù)位與磁盤表面平行）。這種記錄模式的使用和演化持續(xù)了50年。然而水平式磁性記錄儲存密度的成長，到了21世紀(jì)初期，就遇到了物理極限-超順磁效應(yīng)，使得記錄密度成長降至每年50%60%，甚至完全延緩下來。與這種記錄模式相反，垂直磁記錄的數(shù)據(jù)位則為垂直排列（數(shù)據(jù)位與磁盤垂直）。

6、垂直記錄模式可以很容易克服超順磁效應(yīng)，獲得更多的磁盤空間來存儲更多的數(shù)據(jù)，從而可以實現(xiàn)更高的磁記錄密度。因此，垂直磁記錄模式近年一直受到廣泛關(guān)注3-5。2.2 磁記錄原理在記錄信息(聲音、圖像、數(shù)字)過程中，輸入的信息先轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，傳送到記錄磁頭的線圈中，在記錄磁頭氣隙中產(chǎn)生與輸入電信號相應(yīng)的變化磁場，氣隙附近并以恒定速度移動的磁帶上的磁記錄介質(zhì)受到該變化磁場的作用，從原來未存儲信息的退磁狀態(tài)轉(zhuǎn)變到磁化狀態(tài)，也就是將隨時間變化的磁場轉(zhuǎn)變?yōu)榘纯臻g變化的磁化強度分布，磁帶通過磁頭以后轉(zhuǎn)變到相應(yīng)的剩磁狀態(tài)，剩磁狀態(tài)便記錄下與氣隙磁場、磁頭電流和輸入電信號相應(yīng)的信息。在磁帶重放過程中，與上述磁

7、記錄過程相反，即磁帶剩磁影響磁頭氣隙磁場，再到磁頭線圈中的電流，最后變成與原來記錄相應(yīng)的(聲音、圖像和數(shù)字)信息。3 磁頭及磁頭材料3.1 磁頭材料的基本要求磁頭是磁記錄裝置中實現(xiàn)電磁能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。磁頭的主要工作原理大都采用。電磁感應(yīng)式，具有帶縫隙的環(huán)形鐵芯上繞線圈的基本形式，鐵芯材料必須是具有高磁導(dǎo)率的軟磁材料。 （1）磁頭材料應(yīng)具有盡可能高的飽和磁感應(yīng)強度Br、高的磁導(dǎo)率、盡量低的矯頑力Hc和剩磁Br,特別是在高頻范圍內(nèi)； （2）磁頭應(yīng)具有較高的工作效率，自身的能量消耗（包括磁滯損耗、渦流損耗和剩余損耗）要小，例如，高磁導(dǎo)率的磁頭材料可以降低渦流損耗； （3）磁頭應(yīng)具有較高的表面硬度

8、、良好的耐磨性，以保證其使用壽命； （4）磁頭工作性能應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定，不因溫度、應(yīng)力、腐蝕和外界干擾而發(fā)生性能的明顯變化； （5）磁頭應(yīng)具有良好的加工特性，適合于大批量、機械化生產(chǎn)，制造成本低。目前用于制造磁頭的磁頭材料很多，課分為金屬或合金磁頭，鐵氧體磁頭、非晶態(tài)合金磁頭、磁阻磁頭等6。3.2 磁頭材料的數(shù)字式記錄方式 水平（縱向）記錄目前，商用的硬盤磁記錄方式絕大部分仍然為縱向記錄方式，即采用磁場的磁化方向與盤片表面平行的方式?？v向記錄是薄膜沿膜面方向表現(xiàn)出較高的剩余磁化。目前采用的主要是鈷合金一類的金屬高磁化材料。在縱向記錄中，記錄密度的提高，主要受兩個面的制約：一是數(shù)據(jù)存取速率依賴于記錄位中

9、的磁化方向的轉(zhuǎn)換速度；二是隨著記錄密度的不斷提高，記錄位的線度也逐步趨進于超順磁極限。存儲面密度的提高，就意味著代表每個H=> 的磁記錄位和組成它的磁粒的體積要相應(yīng)減小，其所具有的能量自然隨之下降，發(fā)展到一定程度之后，只需要很小的能量，比如室溫下的熱擾動就可以將磁粒翻轉(zhuǎn)，磁記錄位保存的數(shù)據(jù)就會被破壞，就無法再正確地讀出，這就是所謂的“超順磁性”效應(yīng)。這就出現(xiàn)了面密度在1997年磁頭應(yīng)用后，年增長率從60%增大到100%，然而到了20002001年前后，面記錄密度年增長率卻突然降到了30%當(dāng)膜薄到一定程度就會出現(xiàn)鋸齒形疇壁，使得相位之間的過渡區(qū)加寬，噪聲隨之增大7。此外，隨著記錄密度的不斷

10、提高，縱向記錄介質(zhì)中由退磁場引起的熱噪聲會越來越大。2001年AFC（反鐵磁性耦合)介質(zhì)步入了實用化階段，這種方式在一定程度上解決了超順磁效應(yīng)的問題，但在硬盤的容量超過100Gb/in2的時候仍然遭遇了瓶頸。理論上縱向磁記錄的極限是120Gb/in2，而目前已經(jīng)達(dá)到了110Gb/in2，已經(jīng)趨近于理論上的超順磁極限，發(fā)展空間已十分狹小。而垂直磁記錄，記錄密度越高其退磁場反而越小，介質(zhì)噪聲也會相應(yīng)減小因此，當(dāng)傳統(tǒng)的縱向磁記錄方式受到越來越多問題困擾的時候，人們又在加緊進行具有很大發(fā)展?jié)摿Φ拇怪贝庞涗浗橘|(zhì)的研究。 垂直記錄從1975 年日本東北大學(xué)的巖崎俊一教授提出垂直記錄技術(shù)以來,已經(jīng)經(jīng)歷了近3

11、0 年的發(fā)展。盡管由于種種原因,該技術(shù)至今未能獲得商業(yè)應(yīng)用,但它一直被認(rèn)為是一項具有發(fā)展?jié)摿Φ母呙芏扔涗浖夹g(shù)。特別由于近年來記錄密度的不斷提高,記錄位單元的尺寸越來越小,磁記錄材料所面臨的熱穩(wěn)定性或超順磁極限問題越來越突出。與傳統(tǒng)的縱向記錄技術(shù)相比,垂直磁記錄技術(shù)在克服這些問題方面具有明顯的優(yōu)勢,所以近來更加引起人們的重視。垂直記錄與縱向記錄之間具有互補的關(guān)系。根據(jù)電磁理論,在縱向記錄介質(zhì)中,記錄密度越高,記錄波長越短,而相鄰位之間的退磁場Hd 隨著波長的縮短而逐漸增強。退磁場將使磁化過渡區(qū)之上的磁化強度減小,從而導(dǎo)致輸出信號幅度的降低。相反, 在垂直記錄介質(zhì)中,退磁場是隨著記錄波長的縮短而逐

12、漸減弱的,而且退磁場有助于提高磁化過渡區(qū)相鄰記錄位的磁化強度。因此,與縱向記錄的情況不同,在垂直記錄的情況下,可以采用比較厚的介質(zhì)厚度,適中的介質(zhì)矯頑力Hc ,較高的介質(zhì)飽和磁化強度Ms,獲得較高的記錄密度。此外,在縱向記錄中,過渡區(qū)相鄰位之間相互排斥,在高密度條件下,將使記錄信號出現(xiàn)致命的熱衰減, 而垂直記錄介質(zhì)中相鄰位之間相互吸引,磁化穩(wěn)定性非常高8。為了提高磁記錄介質(zhì)的熱穩(wěn)定性, 介質(zhì)中的磁性顆粒應(yīng)該具有足夠大的各向異性和有效體積。對于垂直記錄介質(zhì)而言,由于介質(zhì)膜可以相對較厚,所以在記錄密度很高,也就是柱狀晶粒的直徑很小的情況下,仍然可以具有較大的顆粒體積,從而使記錄位單元具有良好的熱穩(wěn)

13、定性。但是,研究表明,盡管垂直記錄較之縱向記錄具有這些優(yōu)勢,但采用傳統(tǒng)的方法也很難獲得200Gb/in2以上的記錄密度。當(dāng)面記錄密度進一步提高時,垂直記錄同樣面臨熱穩(wěn)定性的問題。由于介質(zhì)的各向異性常數(shù)的提高受到磁頭場強的制約,進一步減小介質(zhì)中顆粒的尺寸同樣會使熱穩(wěn)定性因子降低, 產(chǎn)生記錄信息的熱衰減問題9。3.3 磁頭材料的種類 合金磁頭材料 含鉬坡莫合金(4wt%Mo-17%Fe-Ni)磁芯材料：飽和磁化強度比鐵氧體磁心材料高出很多，因而具有很好的寫入特性。但耐磨性差，不能用于VTR等錄像帶運動速度很高的場合。電阻率較低，即使在中頻下，由渦流造成的磁導(dǎo)率下降也十分顯著，因此通常采用薄膜層疊結(jié)

14、構(gòu)。坡莫合金系磁心用薄膜現(xiàn)在主要用電鍍、濺射鍍膜等方法制作。 仙臺斯特合金(Fe-9.6%Si-5.4%Al系)磁芯材料：導(dǎo)磁率與高鎳的Fe-Ni合金相當(dāng)，Hv達(dá)500，飽和磁感應(yīng)強度約1T。該合金制備的磁頭具有高的耐磨性和優(yōu)良的高頻特性。是四磁頭錄像技術(shù)中普遍應(yīng)用的磁頭材料。缺點是對合金成分的變化非常敏感，又硬又脆，難加工，使磁頭價格昂貴10。3.3.2 鐵氧體磁頭材料 以Mn-Zn和Ni-Zn鐵氧體為主，電阻率比大部分金屬磁性材料至少要高3個數(shù)量級，因此損耗較低，可用在高頻領(lǐng)域。硬度Hv達(dá)600700，耐磨性高，主要用于制作錄像機、數(shù)字磁帶機、磁盤機和磁鼓的磁頭鐵心。鐵氧體為氧化物絕緣體，

15、電阻率高、耐磨損、耐環(huán)境性優(yōu)良、但與其他合金系相比，其飽和磁感應(yīng)強度低，因此在提高記錄密度方面有困難。目前應(yīng)用最多最普遍的是多晶熱壓鐵氧體，其最大缺點是磁頭縫隙附近容易產(chǎn)生剝落，從而導(dǎo)致磁記錄質(zhì)量的下降。采用單晶和取向鐵氧體抗剝落性得到顯著改善，但增加了磁頭制造工藝的難度10-11。3.3.3 非晶態(tài)磁頭材料非晶態(tài)磁頭材料最大的特點是晶體磁各向異性為零，由于不存在晶界及晶格缺陷引起的內(nèi)應(yīng)力，因此矯頑力很低。薄膜化可使渦流損耗變得很小，明顯改善高頻特性。 已開發(fā)出耐磨性、耐腐蝕性均優(yōu)良的實用型非晶態(tài)磁頭材料，如Co-Nb-Zr（金屬-金屬系）、Co-Fe-Si（金屬-非金屬系）。它們的磁學(xué)特性與

16、其它材料相比，具有較高的磁導(dǎo)率、高的磁通密度。 微晶薄膜磁頭材料 典型的體系為Fe-M(Nb,Ta,Zr,Hf,Ti,V等)-X(N,C,B)，由濺射沉積法形成非晶態(tài)膜，而后加熱形成微晶，通過晶粒微細(xì)化，達(dá)到磁致伸縮。通過添加X，來抑制晶粒生長，與上述M元素一起實現(xiàn)熱穩(wěn)定性，從而獲得更大的飽和磁化強度，用其制作的磁頭要比非晶材料更適合高矯頑力磁性介質(zhì)的高密度特性。3.3.5 多層膜磁頭材料將超薄膜周期性積層獲得。以Fe-C/Ni-Fe多層膜為例，由于多層膜效應(yīng)抑制了柱狀晶生長（抑制了磁各向異性），微晶化實現(xiàn)了低磁致伸縮。Bs高達(dá)2T，Hc也很低，但耐熱性差，在500熱處理后晶粒長大，軟磁性能變

17、壞。這類軟磁材料在磁記錄方面的重要應(yīng)用有：（1）Fe-C/Ni-Fe系：主要用于垂直磁記錄磁頭（2）Fe-Al-N/Si-N系：主要用于垂直記錄磁頭（3）Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N系：主要用于硬盤磁頭（4）Co-Nb-Zr/ Co-Nb-Zr-N系：主要用于廣播用數(shù)字式VTR 磁電阻磁頭材料在磁信息高新技術(shù)發(fā)展中,磁阻材料材料是這方面的一種具有重要磁存儲和磁開關(guān)等功能的材料。它包含磁多層膜、磁顆粒膜、磁氧化膜和磁隧穿結(jié)等多種形態(tài)和功能的磁性材料。由于磁隨機存取存儲器、計算機讀出磁頭和高靈敏度微型磁傳感器等的需要, 促進了具有室溫高磁電阻率、低電阻和低自由層偏轉(zhuǎn)場的磁隧穿結(jié)巨磁電阻材

18、料的研究。最近利用光刻和聚焦離子束刻蝕技術(shù)研制成磁隧穿結(jié)巨磁電阻多層膜材料。因坡莫合金(Ni90Fe10)的磁各向異性小，磁電阻系數(shù)大，因此仍是沿用至今的MR磁頭材料。4 結(jié)束語目前, 巨磁電阻磁頭已能很好地滿足30Gb/in2的要求,信息的記錄和存儲是發(fā)展的瓶頸。傳統(tǒng)的硬磁盤記錄方式在信息存儲方面也受到超順磁性的限制, 而磁光記錄也受到記錄光斑衍射極限的限制, 記錄密度還低于硬磁盤記錄12。新近提出的光輔助式磁記錄結(jié)合了兩者的優(yōu)點,使記錄尺寸大幅度減小;同時,垂直磁化模式和非晶結(jié)構(gòu)薄膜的使用保證了記錄介質(zhì)的穩(wěn)定性,具有很大的發(fā)展?jié)摿?也是最有希望實現(xiàn)超高密記錄的技術(shù)。對于超過100 Gb/in2極高面記錄密度, 需要采用全新的記錄技術(shù)。量子磁盤技術(shù)就是這樣一個充滿挑戰(zhàn)的新技術(shù)。采用電子束平板印刷工藝,制造出直徑10nm,間距也為10 nm的磁柱,信息記錄在磁柱上, 磁矩向上和向下分別表示“1”和“0”。這樣,記錄位間的磁關(guān)聯(lián)明顯減小,自退磁現(xiàn)象隨之大幅度降低;相鄰位的干擾噪聲明顯改善;甚至可實現(xiàn)單個Vs 顆粒的記錄。定性實驗的結(jié)果表明,記錄密度可達(dá)1000 Gb/in2以上。目前,實驗室已能實現(xiàn)7.2 Gb/in2面記錄密度。量子磁盤技術(shù)是未來提高記錄密度的方向13。參考文獻：1 李國棟. 20032004年磁記錄材料研究新進展J.信息記錄材料,2005,(02)2 金延.