第7章磁信息材料

第七章磁信息材料7.1磁記錄材料7.2磁泡材料7.3矩磁材料7.4磁信息材料的進展教學(xué)目標(biāo)及基本要求掌握對磁頭材料、磁記錄介質(zhì)材料、磁光記錄介質(zhì)材料的要求，磁光效應(yīng)，磁泡材料及其特征值，矩磁材料及其特征值。熟悉磁帶材料和磁信息材料的進展。了解磁頭材料、磁記錄介質(zhì)材料、磁光記錄介質(zhì)材料的種類，磁泡材料和矩磁材料的種類和應(yīng)用。

教學(xué)重點和難點（1）對磁頭材料的要求（2）對磁記錄介質(zhì)材料的要求（3）矩磁材料（4）磁晶各向異性（5）磁泡的形成過程

思考題（1）對磁頭材料的要求？（2）對磁記錄介質(zhì)材料的要求？（3）矩磁材料？（4）磁晶各向異性？（5）磁泡的形成過程？

第七章

磁信息材料

磁信息材料是利用磁學(xué)原理存儲和記錄信息的磁載體材料。按原理和方法，磁記錄可分為磁記錄和磁光記錄，磁存儲可分為磁泡存儲和矩磁存儲。7.1磁記錄材料

磁記錄是利用磁頭氣隙中隨信息變化的磁場將經(jīng)過氣隙的磁記錄介質(zhì)磁化，將隨時間變化的信息磁場轉(zhuǎn)化為磁記錄介質(zhì)中按空間變化的強度分布，經(jīng)過相反的過程可將記錄的信息經(jīng)磁頭重放出來。磁記錄發(fā)展至今，已有百年的歷史、它廣泛應(yīng)用于錄音、錄像技術(shù)；計算機中的數(shù)據(jù)存貯、處理、科學(xué)研究的各個領(lǐng)域；軍事及日常生活中。

磁記錄主要有縱向磁記錄、磁垂直記錄和磁光記錄三種模式。

縱向磁記錄是利用磁頭的位于磁記錄介質(zhì)面內(nèi)的磁場縱向矢量分量來寫入信息。磁垂直記錄是利用磁場的垂直分量在具有各向異性的記錄介質(zhì)上寫入信息。磁光記錄是用光學(xué)頭，靠激光束加磁場來寫入信息，利用磁光效應(yīng)來讀出信息。一、磁頭材料磁頭的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由帶縫隙的鐵芯、線圈、屏蔽殼等部分組成。主要是利用磁體在氣隙產(chǎn)生足夠強的磁場，利用磁極與磁極的相互作用，磁場對帶電物體或粒子或載電流導(dǎo)體的相互作用來做功，或?qū)崿F(xiàn)能量，信息的轉(zhuǎn)換。

磁記錄材料包括磁頭材料、磁記錄介質(zhì)和磁光記錄介質(zhì)三類。磁頭材料是磁頭鐵芯用的高密度軟磁材料，用它做成記錄或重放信息的換能器件。要求有較高的能量轉(zhuǎn)換效率，具體要求有：

①最大磁導(dǎo)率μm，飽和磁化強度Bs要高。②矯頑力Hc和剩余磁化強度Br要低。③電阻率ρ要高。④起始磁導(dǎo)率μi要高。⑤磁導(dǎo)率的截止頻率fr（記錄信號頻率）要高。⑥耐磨損，抗剝落，機械加工性好。磁頭材料分為金屬磁頭和鐵氧體磁頭材料兩類。二、磁記錄介質(zhì)材料磁記錄介質(zhì)材料是涂敷在磁帶、磁盤和磁鼓上面用于記錄和存儲信息的磁性材料。磁性能要求：

①矯頑力Hc要適當(dāng)高（16~80kA/m）。②磁滯回線矩形比高，即Br/Bs、Hc/Br要高，Hc附近的磁導(dǎo)率盡量高。③剩余磁感應(yīng)強度Br高；飽和磁化強度Bs要高。④溫度穩(wěn)定性好，老化效應(yīng)小。⑤用于垂直記錄的介質(zhì)，其垂直方向磁晶各向異性系數(shù)要高，另兩個方向要低，最好是薄膜。1）磁層均勻(愈薄，記錄密度越高)，厚度適當(dāng)2）磁性粒子尺寸均勻，呈單疇狀態(tài)；3）磁致伸縮小，不產(chǎn)生明顯的加壓退磁效應(yīng)；4）基本磁特性的溫度系數(shù)小，不產(chǎn)生明顯的加熱退磁效應(yīng)；5）磁粉粒子易分散，在磁場作用下容易取向排列，不形成磁路閉合的粒子集團。對制做記錄介質(zhì)的磁性材料（磁粉及磁性薄膜）提出以下要求：磁記錄介質(zhì)種類:磁帶、磁盤、磁鼓、磁卡片等。從結(jié)構(gòu)上看可分為磁粉涂布型介質(zhì)和連續(xù)薄膜型介質(zhì)，前者有利于水平記錄模式，而垂直記錄宜采用薄膜介質(zhì)。a）顆粒（磁粉）涂布型介質(zhì)將磁粉與非磁性粘合劑等含少量添加劑形成的磁漿涂布于聚脂薄膜(滌綸)基體上制成，磁粉主要有γ-Fe2O3磁粉、包鈷的γ-Fe2O3磁粉、CrO2磁粉、鋇鐵氧體磁粉、金屬磁粉等幾類。純鐵的飽和磁化強度大約為氧化鐵的四倍，從理論上說是理想的磁記錄材料。其缺點是穩(wěn)定性差，易氧化。通常采用合金化或有機膜保護的方法控制表面氧化，但這種方法會使磁粉的磁化強度降低。b）連續(xù)薄膜型磁記錄介質(zhì)研究表明，為提高記錄密度，要求磁記錄介質(zhì)減小磁層厚度，增大矯頑力，同時保持適當(dāng)?shù)腂r；提高磁特性和其它性能的均勻性及穩(wěn)定性。連續(xù)磁性薄膜無須采用粘合劑等非磁性物質(zhì)，所以剩余磁感應(yīng)強度及矯頑力比顆粒涂布型介質(zhì)高很多，是磁記錄介質(zhì)發(fā)展的重要方向。制備連續(xù)薄膜型磁記錄介質(zhì)的方法有兩種：濕法（或稱化學(xué)法，如電鍍及化學(xué)鍍）和干法（或稱物理法，如濺射法、真空蒸餃法及離子噴鍍法等）。三、磁光記錄介質(zhì)材料磁光記錄介質(zhì)是利用磁光效應(yīng)原理來工作的。磁光效應(yīng)是指光與磁場中的物質(zhì)或光與具有自發(fā)磁化特性的物質(zhì)之間相互作用所產(chǎn)生的各種現(xiàn)象。對磁光記錄介質(zhì)的要求是：①有垂直磁各向異性。②克爾效應(yīng)（線偏振光入射到磁化介質(zhì)表面時其發(fā)射光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種由反射而引起的偏振面旋轉(zhuǎn)的效應(yīng)）盡量大。③居里溫度盡量低。④高矯頑力。⑤工藝簡單，價格便宜。四、磁帶材料磁帶是由一定強度的帶基均勻地涂上磁性或磁光記錄介質(zhì)涂層（厚約3~12μm）所構(gòu)成。而涂層由磁性材料、粘結(jié)劑和添加劑組成。帶基一般是（聚酯）高聚物，厚度約10-30μm，要求軟化點高，強度、耐磨、耐熱和耐濕性好。添加劑主要有分散劑、潤滑劑（石墨等）、耐磨劑（Al2O3）和抗靜電劑等。7.2磁泡材料

“磁泡”是指某些磁性材料薄膜(片)的性能和尺寸滿足一定條件時，在適當(dāng)?shù)钠艌鲎饔孟?，其反磁化疇變?yōu)?~100μm的圓柱形磁疇，在偏振光顯微鏡下觀察，這些圓柱疇在薄膜表面好像浮著一群圓泡，故稱為磁泡。磁泡材料就是在垂直薄膜平面的外磁場作用下，能產(chǎn)生圓柱形磁疇的薄膜材料。外斯假說認(rèn)為自發(fā)磁化是以小區(qū)域磁疇(磁化方向一致的區(qū)域)存在的。各個磁疇的磁化方向是不同的，所以大塊磁鐵對外不顯示磁性，如圖7-1所示。

圖7－1磁疇示意圖磁疇已被實驗觀察所證實。從對磁疇組織的觀察中，可以看到有的磁疇大而長，稱為主疇，其自發(fā)磁化方向必定沿晶體的易磁化方向；小而短的磁疇叫副疇，其磁化方向就不一定是晶體的易磁化方向。

圖7－2磁疇壁的種類

相鄰磁疇的界限稱為磁疇壁，可分為兩種，一種為180°磁疇壁，另一種稱為90°磁疇（見圖7-2）。

技術(shù)磁化過程，就是外加磁場對磁疇的作用過程，也就是外加磁場把各個磁疇的磁矩方向轉(zhuǎn)到外磁場方向的過程。它與自發(fā)磁化有本質(zhì)的不同。技術(shù)磁化是通過兩種形式進行的，一是磁疇壁的遷移，一是磁疇的旋轉(zhuǎn)。磁化曲線和磁滯回線是技術(shù)磁化的結(jié)果。

圖7－3圓柱形磁泡示意圖

圖7-3為圓柱形磁泡示意圖，利用這種圓柱形磁泡可憑借外加一定的脈沖或旋轉(zhuǎn)磁場和磁路使磁泡產(chǎn)生、傳輸和消失，這種在特定位置上產(chǎn)生和消失狀態(tài)正好對應(yīng)“0”和“1”，并能快速位移，其速度可達(dá)10m/s以上，因此可利用磁泡進行存儲、記錄和邏輯運算等。

圖7－4磁泡形成過程示意圖

產(chǎn)生磁泡需要單軸各向異性材料并制成薄膜(片)，使易磁化軸垂直于表面。當(dāng)各向異性場大于或等于飽和磁化強度Ms時，如未加偏場，薄膜中會有帶狀磁疇形成，正反磁疇面積相等(圖a)；加偏磁場Hb后，磁化方向和磁場方向相同的磁疇變寬，磁化方向相反的磁疇變窄（圖b）；磁場再加強，那些變窄的反磁化疇就局部地縮成分立的圓柱形疇，即磁泡(圖c)。一、磁晶各向異性的概念對鐵磁和亞鐵磁單晶體而言，不同晶向磁化時，磁性隨晶向顯示出各向異性，稱為磁晶各向異性。將最容易磁化和最難磁化的晶向稱為易磁化方向（易軸）和難磁化方向（難軸）。磁晶各向異性反映了磁疇沿不同晶向排列時自由能不同，常用磁晶各向異性能表示。磁化強度矢量（Ms）在不同方向取向時的能量不同。Ms沿易磁化軸時能量最低，沿難磁化軸時能量最高。磁晶各向異性能是磁化矢量的函數(shù)。對于立方晶體，單位體積內(nèi)所具有的磁晶各向異性能F為

αβ為自以磁化矢量對三個主軸的方向余弦。二、磁泡材料的特征值（6）1、（單晶）磁晶各向異性常數(shù)K1形成飽和磁化強度垂直于薄膜的穩(wěn)定疇結(jié)構(gòu)條件：K1≥1/2μ0Ms2、合適的飽和磁化強度Ms3、特征長度Ld磁泡材料特性可用特征長度Ld表征：

σw:疇壁能量密度；Ms2:單位平面的退磁能

Ld是材料單位平面的磁疇能與退磁能之比。Ld表示了基本厚度h，并決定了泡徑d。薄膜最佳厚度h=4d，對應(yīng)的最佳工作泡徑d=8Ld。4、磁泡的位移矯頑力Hc要使磁泡位移，除外加偏場Hb外，還要外加一定大小的調(diào)制梯度場ΔH，經(jīng)計算，要求Hc小。ΔH>8Hc/π

（A/m）5、材料的疇壁遷移率μω磁泡位移速度與梯度磁場ΔH及材料的磁疇遷移率μω有關(guān)，即v=1/2ΔHμω6、品質(zhì)因素Q阻止磁泡材料的磁化偏離薄膜的垂直方向（即穩(wěn)定性）是由材料的品質(zhì)因數(shù)Q決定的：Q=2K1/μ0Ms2>1還要求缺陷密度很低，溫度穩(wěn)定性要高。三、磁泡材料的種類能滿足上述性能參數(shù)的材料不多，已有的磁泡材料主要有四種：①鈣鈦石型正鐵氧體，RFeO3②磁鉛石型鐵氧體，MFe12O19③柘榴石型鐵氧體，R3Fe5O12④非晶態(tài)材料四種。四、磁泡材料的應(yīng)用磁泡材料主要用于制造磁泡存儲器。磁泡存儲器具有存儲密度大，消耗功率小，信息非易失性等優(yōu)點，存儲速度低于半導(dǎo)體存儲器而高于磁盤、磁鼓，是一種正在發(fā)展，很有希望的存儲器。矩磁材料磁滯回線磁滯回線近似矩形，剩余磁感應(yīng)強度Br接近于飽和磁感應(yīng)強度Bs，即Br/Bs>0.8的磁滯回線。結(jié)晶和應(yīng)力各向異性。7.3矩磁材料

矩磁材料主要特征值為：1、矩形比（Br/Bs）或稱剩磁比要高。2、矯頑力要小。3、開關(guān)時間（反轉(zhuǎn)磁化所需的時間t）或開關(guān)系數(shù)Sw要小。Sw=（Hs-H0）×t4、在脈沖磁場Hs的作用下，磁芯的讀“1”電壓（V1’

）與破“0”電壓（V0’）的比值越大越好。5、要求低損耗。6、對溫度、振動和時效等的穩(wěn)定性要高。常用的矩磁材料：

在常溫使用的矩磁材料有(Mn-Mg)Fe2O4系，(Mn-Cu)Fe2O4系，(Mn-Ni)Fe2O4系等。在-65℃~+125℃較寬范圍使用的矩磁鐵氧體有Li-Mn，Li-Ni，Mn-Ni，Li-Cu等矩磁材料的應(yīng)用：若矩磁材料在不同方向磁場下磁化，當(dāng)電流為零時，總是處于+Bm和-Bm

兩種