磁性材料-第四章課件

第四章磁記錄材料*21世紀(jì)是“信息世紀(jì)”，大容量存儲技術(shù)在信息處理、傳遞和保存中占據(jù)相當(dāng)重要的地位。*磁記錄技術(shù)在信息存儲領(lǐng)域具有獨特的地位，它的發(fā)展已經(jīng)有100多年歷史。*磁記錄設(shè)備：磁帶、軟盤、硬盤

特點：價格低廉，性能優(yōu)良，記錄密度逐年提高，信息寫入和輸出速度快，容量大，可擦除重寫實例：磁帶錄音機(jī)、錄像機(jī)、銀行卡、圖書卡、門卡、4.1磁記錄概述*磁記錄的功能是將一切能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕男畔?如聲音、圖像、數(shù)據(jù)和文字等)，通過電磁轉(zhuǎn)換記錄和存儲在磁記錄介質(zhì)上，并且該信息可以隨時重放。*根據(jù)記錄信息的形態(tài)，磁記錄可分為：模擬式磁記錄、數(shù)字式磁記錄*根據(jù)磁化強(qiáng)度與記錄介質(zhì)的取向，數(shù)字式磁記錄可分為：水平磁化模式、垂直磁化模式4.1.1磁記錄的基本過程*由介質(zhì)上的記錄磁跡所構(gòu)成的磁化強(qiáng)度的空間變化代表記錄信號的時間變化規(guī)律4.1.2模擬式磁記錄定義：將聲音振動的大小、圖像的明暗等原樣地轉(zhuǎn)變?yōu)榇呕膹?qiáng)弱，記錄在記錄介質(zhì)表面上的方式分類：無調(diào)制記錄（直接記錄）、調(diào)制記錄無調(diào)制記錄：無偏磁記錄、直流偏磁記錄、交流偏磁記錄*偏磁信號本身并不反映在磁介質(zhì)的記錄信號上直接記錄調(diào)制記錄：調(diào)幅記錄、調(diào)頻記錄*載波信號反映在磁介質(zhì)的記錄信號上一、偏磁記錄1、直流偏磁記錄*優(yōu)點：較好的線性關(guān)系和較高的記錄靈敏度*缺點：當(dāng)沒有信號時，存在直流背底噪聲；信號的動態(tài)變化范圍只能在線性部分2、交流偏磁記錄*特點：存在交流消磁，不導(dǎo)致背底噪聲；很好的線性特性；信號失真度小，信噪比高。二、調(diào)制記錄*調(diào)制的原因：輸入信號隨時間的變化范圍很寬，有些是超低頻信號，有些是瞬態(tài)式的信號，動態(tài)范圍很寬。*調(diào)制：用低頻信號去控制高頻振蕩，使其具有低頻信號特征的過程稱為調(diào)制。*調(diào)幅：以調(diào)制信號去控制載波的振幅，使載波的振幅按調(diào)制信號的規(guī)律變化。包絡(luò)線反映了調(diào)制波的特點。*調(diào)頻：以調(diào)制信號去控制載波的頻率，使載波的頻率按調(diào)制信號的規(guī)律變化。特點：其頻率隨調(diào)制信號振幅的變化而變化，而它的幅度卻始終保持不變。4.1.3數(shù)字式磁記錄*根據(jù)磁化強(qiáng)度與記錄介質(zhì)的取向，數(shù)字式磁記錄可分為水平磁化模式和垂直磁化模式兩類。一、水平磁記錄*通常采用環(huán)形磁頭與具有縱向磁各向異性的記錄介質(zhì)相組合的形式，記錄介質(zhì)中的剩磁方向平行于介質(zhì)平面。*水平磁記錄的位密度越來越大地受到退磁場引起過渡區(qū)展寬限制的影響。展寬決定于*限制：過小的晶粒尺寸難以長久地保持磁記錄的信號，而過高的矯頑力勢必使磁頭難以寫入。二、垂直磁記錄*隨著記錄面密度的提高，微小磁化單元產(chǎn)生的退磁場越來越小。因此相比水平磁記錄，垂直磁記錄大幅度地提高了記錄密度。*要實現(xiàn)垂直磁記錄，記錄介質(zhì)應(yīng)具有很強(qiáng)的垂直磁各向異性4.2磁頭及磁頭材料*定義：實現(xiàn)電信號和磁信號之間相互轉(zhuǎn)換的電磁能量轉(zhuǎn)換器件。*體型磁頭→→薄膜磁頭→→磁電阻磁頭4.2.1磁頭的種類*體型磁頭的磁芯材料：Fe-Ni合金為基礎(chǔ)的軟磁合金；Mn-Zn鐵氧體和Ni-Zn鐵氧體；MIG磁頭(metalingap)*薄膜磁頭的優(yōu)點：工作縫隙小、磁場分布陡和磁跡寬度窄，故可提高記錄速度和讀出分辨率。*體型磁頭和薄膜磁頭都是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行記錄和再生。都有如下要求：1、高磁導(dǎo)率；2、高飽和磁化強(qiáng)度；3、低矯頑力及低各向異性；4、高電阻率；5、小型、輕量，耐磨性強(qiáng)；6、加工性好。*磁電阻磁頭：利用各向異性磁電阻效應(yīng)，為讀操作磁頭4.2.2磁頭材料一、合金磁頭材料*常用材料：含鉬坡莫合金、仙臺斯特合金*合金磁頭材料的優(yōu)點：高磁導(dǎo)率、高飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力低等。缺點：渦流損耗大二、鐵氧體磁頭材料*常用材料：Ni-Zn、Mn-Zn*優(yōu)點：損耗低，材質(zhì)硬，抗腐蝕性比金屬好。*缺點：飽和磁化強(qiáng)度低在提高記錄密度上存在困難三、非晶態(tài)磁頭材料*特點：飽和磁化強(qiáng)度高，矯頑力低，高頻特性較好，耐磨性耐腐蝕性好。*常用材料：Co-(Zr,Hf,Nb,Ta,Ti)二元系合金薄膜，Co-Fe-B類金屬非晶態(tài)薄膜。四、微晶薄膜磁頭材料*特點：有更大的飽和磁化強(qiáng)度，比非晶材料更適合高矯頑力磁性介質(zhì)的高密度特性。*常用材料：Fe-M(V，Nb，Ta，Hf等)-X(N，C，B)五、多層膜磁頭材料*特點：與微晶薄膜相比，多層薄膜進(jìn)一步抑制了晶粒的生長，實現(xiàn)了低磁致伸縮BS高，HC低缺點：耐熱性差*目前典型的多層膜材料：Fe-C/Ni-Fe用于垂直磁記錄磁頭；Fe-Al-N/Si-N用于垂直磁記錄磁頭；Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N用于硬盤磁頭；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N用于廣播用數(shù)字式VTR。六、磁電阻磁頭材料*坡莫合金是沿用至今的MR磁頭用磁性材料。原因：磁各向異性小。④作為最小記錄單位的微小永磁體應(yīng)盡可能小，且大小及分布均勻；⑤磁學(xué)性能分布均勻，隨機(jī)偏差??；⑥表面平滑，耐磨損、耐環(huán)境性能優(yōu)良；⑦磁學(xué)特性對于加壓、加熱等反應(yīng)不敏感；⑧化學(xué)的、機(jī)械的耐久性優(yōu)良；⑨不容易導(dǎo)電。**記錄介質(zhì)的磁性層的厚度是影響記錄密度的因素之一，實際上膜厚度可取記錄信息波長的1/4。4.3.2顆粒狀涂布介質(zhì)一、對顆粒介質(zhì)的要求*要求顆粒是單疇的（0.04－1m），太大易受外界磁場的干擾，太小易受晶格熱振動影響形成超順磁。*顆粒的形狀以針狀為最佳矯頑力大。*信噪比與N1/2成正比，N為單位體積內(nèi)磁性顆粒數(shù)，但顆粒數(shù)太多會使磁化狀態(tài)不穩(wěn)定。*居里溫度必須比記錄介質(zhì)所處的環(huán)境溫度要高。二、顆粒狀涂布介質(zhì)結(jié)構(gòu)*涂布工序在磁場下完成，盡可能保證顆粒的長軸方向沿著記錄道方向取向排列。三、磁性粉1、-Fe2O3*德國于1934年發(fā)明。優(yōu)點：易于制造和分散，價格便宜，對溫度、應(yīng)力和時間穩(wěn)定性好。缺點：矯頑力不高（20~32KA/m）2、包覆Co的-Fe2O3*-Fe2O3表面包覆Co的鐵氧體。矯頑力：55~70KA/m3、CrO2*優(yōu)點：飽和磁化強(qiáng)度與-Fe2O3相當(dāng)，但矯頑力明顯高于后者，可達(dá)35~50KA/m。缺點：價格昂貴，6價鉻離子有毒。4、金屬磁粉*優(yōu)點：比氧化物更高的磁化強(qiáng)度和矯頑力。*缺點：化學(xué)性質(zhì)活潑，易腐蝕，易與粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)。5、氮化鐵*Fe4N：居里溫度為500度，矯頑力約為51KA/m。6、鋇鐵氧體*很高矯頑力，100~900KA/m，添加Co和Ti等可對其進(jìn)行調(diào)節(jié)；飽和磁化強(qiáng)度與-Fe2O3相當(dāng)；單軸磁晶各向異性非常強(qiáng)，特別適用于作高密度的垂直磁記錄。四、顆粒狀介質(zhì)的優(yōu)缺點*優(yōu)點：1、磁性能和非磁性能可以獨立地進(jìn)行改造和控制。2、生產(chǎn)速度快，產(chǎn)量高，成本低。3、顆粒選擇范圍寬，只是受到磁頭材料的限制。*缺點：1、磁帶和軟盤中磁性顆粒的體積比為40%，硬盤中僅為20%，這使得涂層的磁性能和記錄性能變差。2、軟盤和磁帶涂布介質(zhì)的厚度很難小于1m，硬盤很難小于0.25m。3、存在顆粒結(jié)塊，分散性難控制，很難獲得具有理想記錄特性的顆粒。4、磁場對顆粒進(jìn)行定向或打亂定向不是很有效。4.3.3薄膜介質(zhì)*薄膜介質(zhì)包含100％的磁性材料，因此使用薄膜介質(zhì)比使用顆粒狀介質(zhì)能得到更高的輸出幅度。*剩余磁化強(qiáng)度不是材料本身的固有特性，而強(qiáng)烈地依賴于微結(jié)構(gòu)、薄膜厚度、薄膜沉積的表面特性以及沉積的工藝條件。矯頑力也不是材料的固有屬性，它與薄膜內(nèi)的磁各向異性有關(guān)。*基底：基底要有很好的拋光，因為磁頭－介質(zhì)間距的變化，表現(xiàn)為信號幅度的調(diào)制或信號下降，甚至丟失脈沖；基板的硬度很重要。*附加層：一般使用Ni-P化學(xué)鍍層，厚度范圍為15~25m，它是非晶態(tài)和非磁性的，目的是提高硬度和減少缺陷。*磁性層：大部分實用的磁性薄膜是Co基金屬合金，制備方法有化學(xué)沉積(電鍍、化學(xué)鍍)和物理沉積(真空蒸鍍、直流或射頻濺射、離子鍍等)兩種。*保護(hù)層：保護(hù)層應(yīng)該是比較硬的、化學(xué)性質(zhì)不活潑的、能與磁性層很好粘結(jié)但與磁頭不粘結(jié)的材料，同時應(yīng)有高的抗張強(qiáng)度，并且不易碎裂。通常使用的保護(hù)層材料是硬質(zhì)碳，采用的成膜方法一般是濺射。其它保護(hù)層材料：帶有Cr增強(qiáng)層的濺射銠薄膜、SiO2、TiC、TiN、SiC、CrC3、A12O3等。4.4磁光記錄材料4.4.1磁光效應(yīng)*定義：一束入射光進(jìn)入具有固有磁矩的物質(zhì)內(nèi)部傳輸或者在物質(zhì)界面反射時，光波的傳播特性發(fā)生變化。*磁光效應(yīng)的類型：1、塞曼效應(yīng)：對發(fā)光物質(zhì)施加磁場，光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象。2、法拉第效應(yīng)和科頓-莫頓效應(yīng)3、克爾效應(yīng)4.4.2磁光記錄和讀出原理一、磁光記錄原理*熱磁效應(yīng)：溫度升