（凝聚态物理专业论文）无序纳米颗粒薄膜磁学性质的monte+carlo模拟.pdf

，o；-、。l一，|。，一。，扣jj】，11一， at h e s i si nc o n d e n s e dm a t t e rp h y s i c s m o n t ec a r l os i m u l a t i o n so nm a g n e t i c p r o p e r t i e so fd i s o r d e r e dn a n o p a r t i c l ef i l m s b yz h a n gx i y u s u p e i s o r ：p r o f e s s o rd u a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 够 j u n e2 0 0 8 2 j 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 黜致寺 日期：渺学口7 口弓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年盲一年半口两年口 学位论文作者签名：；科致考 签字日期：口罗o7 口弓 导师签名： 签字日期： 楷 郦。7 i _ ， 东北大学硕士学位论文摘要 无序纳米颗粒薄膜磁学性质的m o n t ec a r lo 模拟 摘要 近年来，磁性纳米颗粒薄膜由于其在高密度磁记录技术中表现出的优越性而成为研 j 究较为活跃的课题之一。本文建立了无序的纳米颗粒薄膜模型，采用蒙特卡罗( m o m e h 片c a l l o ) 模拟方法，研究了外磁场分别垂直和平行于薄膜表面时，粒子之间的相互作用以 及各向异性角分布对系统磁学性质的影响。本论文所做工作的主要内容和得到的主要结 论如下： 1 模拟了当外磁场垂直作用于薄膜表面时，粒子之间的偶极作用( d ) 、交换作用( ) 对系统磁滞行为的影响。结果发现，当温度不变，只考虑颗粒之间的偶极作用时， 随着偶极场作用的增加，系统难磁化，磁滞回线沿外场方向被水平拉长，磁滞回线 的形状变瘦。系统矫顽力随着偶极作用的增加先减小后增加，系统的剩磁随着偶极 作用的增加迅速减小。当只考虑颗粒之间的交换作用时，随着交换作用的增加，系 统磁滞回线的面积增大，表现出矩形的磁滞回线，系统的矫顽力和剩磁随着交换作 用的增加而增加。 2 模拟了当外磁场平行作用于薄膜表面时，粒子之间的偶极作用、交换作用对系统磁 滞行为的影响。结果表明，当温度不变，只考虑颗粒之间的偶极作用时，随着偶极 相互作用的增加，矫顽力、剩磁以及磁滞回线的面积逐渐增加，而x 方向的饱和磁 化强度逐渐减小。当只考虑颗粒之间的交换作用时，随着交换作用的增加，系统的 磁滞回线逐渐变窄，矫顽力和剩磁逐渐减小，而x 方向的饱和磁化强度逐渐增加。 3 为了更详尽的阐述两种相互作用场的竞争对系统磁化行为的影响，分别作出了外场 ， 垂直和平行于薄膜表面时，表征系统矫顽力和剩磁的d 一，图，从图中可以方便的观 察到系统的矫顽力和剩磁随偶极场和交换场呈现比较复杂的变化关系。 4 研究了外磁场垂直于薄膜表面时，各向异性角分布对系统磁滞行为的影响。结果表 明，当只考虑颗粒之间的偶极作用时，偶极相互作用较小时，随着各向异性角分布 的增大，z 方向饱和磁化强度、矫顽力和剩磁减小，当偶极作用较强时，各向异性 角分布对磁滞现象的影响不是很大。当只考虑颗粒之间的交换作用时，随着各向异 性角分布逐渐增加，磁滞回线面积逐渐减小，矫顽力和剩磁也逐渐减小。 5 研究了外磁场平行于薄膜表面时，各向异性角分布对系统磁滞行为的影响。当系统 i i - 东北大学硕士学位论文摘要 无相互作用时，各向异性角分布对系统磁滞现象的影响较为明显。当系统各向异性 角分布宽度为零时系统无磁滞现象，随着各向异性角分布的增大，磁滞现象越明显， 矫顽力和剩磁逐渐增加。当只考虑偶极作用时，系统的矫顽力和剩磁随各向异性角 分布的增加而增大，偶极作用较强时，这种变化的幅度相对较小。当只考虑交换作 用时，随着各向异性角分布的增加，磁滞回线面积、矫顽力和剩磁逐渐增大。交换 作用越大，增加的幅度越小。 关键词：纳米薄膜；偶极相互作用；各向异性角分布；蒙特卡罗方法；矫顽力：磁滞回 线 i i i - i m o n t ec a l l os i m u l a t i o n so nm a g n e t i cp r o p 嘶e so f d i s o r d _ e r e d n a n o p 矾c l e f i l m s a b s t r a c t f o rd e c a d e s ，t h es t u d yo ft h em a g n e t i cn a l l o p a n i c l ef i l m sh a sb e c o m eo n eo ft h em o s t ， a c t i v ea r e 嬲o fr e s e a r c hd u et oi t sr e c e n ta d v a i l c e si nh i 曲一d e n s i t ) ，m a g n e t i cr e c o r d i l l g t e c l u l i q u e s i n 锄sp a p e r ，廿l em a 弘e t i cp r o p e r t i e so fad i s o r d e r e dn a n o p 硼i c l ef i l m 嘶m l e 印p l i e dm a g n e t i cf i e l dp e 印e r l d i c u l a ra i l dp a r a l l e lt 0m e f i l ma r es h u l a t e db yam o n t ec a r l o m e t h o d t l l ee 肫c to f b o mt h ei m e r a c t i o nb e 押e e np a r t i c l e sa 1 1 dt h ew i d 吐lo f 砌s o 仃o p y a i l g u l a rd i s p e r s i o na r ec o n s i d e r e d t h em a i nj o b sa i l dc o n c l u s i o n sa r e a l sf o l l o w s 1 w h e nt h ee x t e m a lm a g i l e t i cf i e l di se x e r t e dp e 甲e n d i c u l a rt ot h ef i l m ，t h ed e p e n d e n c eo f d i p o l e d i p 0 1 ei n t e r a c t i o n ( d ) a n de x c h a n g ei n t e r a c t i o n ( ，) o nh y s t e r e s i so fn a n o p a n i c l e f i l mi ss i m m a t e d i ti sf o u n dm a ti nas y s t e mi n c l u d i n g0 1 1 l yd i p o l e d i p 0 1 ei n t e r a c t i o n ，m e d i p o l e d i p o l ei n t e m c t i o nr e s t r a i n st h es y s t e mt ob em a g n e t i z e d w i t l lm ei i l c r e a s eo fm e d i p o l e d i p o l ei n t e r a c t i o n ，l eh y s t e r e s i sl o o p sa r ee l o n g a t e dh o r i z o n t a l l ya l o n gt h ee x t e m a l f i e l dd i f e c t i o n ，a i l dt t l eh y s t e r e s i sa r e ab e c o m e st l l i m e r t h er e m a n e n c ed e c r e a s e sr a p i d l y a n dt h ec o e r c i v i t ) ，d e c r e a s e sa tf i r s ta i l dt h e ni n c r e a s e s i f0 1 1 l ye x c h a l l g ei n t e r a c t i o ni s c o n s i d e r e d ，r e c t a n g u l a rh y s t e r e s i sl o o p sa p p e a r a i l dt l l eh y s t e r e s i s a r e ai n c r e a s e s 嬲t 1 1 e e x c h a n g ei n t e r a c t i o ni n c r e a s e s ，t o g e t h e r 晰mm ec o e r c i v i t ) ，a 1 1 dt l l er e m a l l e n c e 2 w r l l e nt l l ee x t e r r l a lm a g n e t i cf i e l di se x e r t e dp a r a l l e lt ot ：h ef i l m ，t h ed e p e n d e n c eo f d i p o l e d i p o l ei n t e r a c t i o na n de x c t 瑚1 9 ei n t e r a c t i o no nh y s t e r e s i si s s i m u l a t e d i tr e v e a l s t h a ti nad i p 0 1 e d i p o l es y s t e m ，w i t ht 1 1 ei n c r e a s eo fd i p o l e - d i p o l ei n t e r a c t i o n ，t h eh y s t e r e s i s a r e a ，t 1 1 ec o e r c i v i t ya n dt h er e m a n e n c ei n c r e a s e ，b u tt l l es a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o na l o n gx d i r e c t i o nr e d u c e s i fo i d ye x c h a j l g ei n t e r a c t i o ne x i s t si nt h es y s t e m ，t l l ec o e r c i v i t ) ，a i l dt h e r e m a i l e n c ed e c r e a s e ，b u tt 1 1 毒s a t u r a t e dm a g n e t i z a t i o na l o n gxd i r e c t i o ni n c r e a s ea st l l e e x c h a n g ei n t e r a c t i o ni n c r e a s e sa tc e r t a i nt e m p e r a t u r e 3 t h ed 一笋a p hi sc r e a t e dt oe x p a t i a t eo nt h e 、v h o l er e l a t i o n sd 一，a n dc o e r c i v i t yo r r e m a i l e n c ei nt l l ep e 印e n d i c u l a ra n dp a r a l l e lm a 弘e t i cf i e l d i ti se a l s i l yf o m l dm a tt 1 1 e c o e r c i v i t ) ，a n dr e m a n e n c es h o wc o m p l e xr e l a t i o nw i t hm ed i p o l e d i p o l ea n de x c h a n g e r 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t i n t e r a c t i o n 4 w h e nt h ee x t e m a lm a g n e t i cf i e l di se x e n e dp e 印e n d i c u l a rt om ef i l m ，t 1 1 ed e p e n d e n c eo f a n i s o t r o p ya n g u l a rd i s p e r s i o no nh y s t e r e s i so fn a n o p a r t i c l ef i l mi ss i m u l a t e d ni sf o u n d t h a ti nas y s t e mc o n s i d e r i n g 、v e d kd i p o l e - d i p 0 1 ei n t e r a c t i o n ，w i t ht 1 1 ei n c r e a s eo f a i l i s o t r o p y a i l g u l a rd i s p e r s i o n 埘d t l l ，也ec o e r c i v i 劬m er e m a i l e n c e ，a i l dt l l es 删e dm a g l l e t i z a t i o n a j o n gzd i r e c t i o nr e d u c e 、胁i l et h e 、i d t ho fa n i s o t r o p ya n g u l a rd i s p e r s i o nd o e s n ta 丘e c t t h eh y s t e r e s i sm u c hi ft l l e d i p o l e - d i p o l ei n t e m c t i o ni ss t r o n g mt h es y s t e mo fo m y _ e x c h a n g ei n t e r a c t i o n ，m eh y s t e r e s i sa r e a ，t 1 1 ec o e r c i v 时a 1 1 dt h er e m a i l e n c ed e c r e a s e 淅m n l ea n i s o 仃o p ya i l g u l a rd i s p e r s i o n 丽d mi n c r e a s i n g 5 肌e nt h ee x t e n 试m a g n e t i cf i e l di se x e n e dp a r a l l e lt om ef i l m ，m ee 虢c to fa 1 1 i s o 仃o p y a i l g u l a rd i s p e r s i o no nh y s t e r e s i so fs y s t e mi ss t u d i e d i i las y s t e m 、航t l l o u ti n t e r a c t i o n ，t l l e e 仃e c to fa n i s o t r o p ya n g u i a rd i s p e r s i o no nt h eh y s t e r e s i si se v i d e n c e ，a n dn oh y s t e r e s i s e 丑e c to c c u r s 、v h e nm e 丽d t ho fa n i s o 仃o p ya u l g u l a rd i s p e r s i o ni sz e r o ，w h i l ew i t ht h e i n c r e a s eo fm ew i d t ho fa n i s o t r o p ya n g u l a rd i s p e r s i o n ，m eh y s t e r e s i sa p p e a r s ，t o g e t h e r 谢t ht 1 1 ec o e r c i v i 够a n dt h er e m a n e n c ei n c r e a s i n g f o ras y s t e mo fd e f i n i t ed i p o l e - d i p o l e i n t e r a c t i o n ，嘶也m ei n c r e a u s eo ft l l ew i d t l lo fa i l i s o 心o p ya n g u l a rd i s p e r s i o n ，l ec o e r c i v i t ) ， 趾dt l l er e m a n e n c ei n c r e a s e ，b u ti fm ed i p o l e d i p o l ei n t e r a c t i o ni ss t r o n g ，s u c he 疵c t b e c o m e ss m a l l i fp m ee x c h a i l g ei n t e r a c t i o ni sc o n s i d e r e d ，t h eh y s t e r e s i sa r e a ，1 ec o e r c i v e a n d l er e m a n e n c ei n c r e a s ew i t l lt l l ei n c r e a s eo ft l l ea i l i s o t r o p ya n g u l a rd i s p e r s i o n 谢d t h t h es t r o n g e rt h ee x c h a j l g ei n t e r a c t i o ni s ，t h es m a l l e rt h ee x t e n to fi n c r e 2 l s ei s k e yw o r d s ：n a n o p a 而c l ef i l m ；d i p o l e d i p o l ei m e r a c t i o n ；a n j s o 仃o p ya n g u l a rd i s p e r s i o n ； m o n t ec a r l om e t l l o d ；c o e r c i v i t ) r ；h y s t e r e s i s1 0 0 p v t 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明- i -中文摘要i i a b s t r a c t ， 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景1 1 2 磁记录材料与技术的应用与发展1 1 2 1 磁记录介质材料概述1 1 2 2 磁记录技术的发展2 1 2 3 磁记录技术理论3 1 3f e p t 薄膜的结构与磁学性质5 1 4 国内外研究现状与发展动态一6 1 5 本文研究的内容。9 第2 章理论模型与方法1 1 2 1 理论模型l l 2 1 1 产生随机颗粒直径的方法及验证1 1 2 1 2 薄膜中粒子的随机排列的方法1 2 2 2 系统哈密顿量及其能量分析”1 4 2 2 1 系统哈密顿量1 4 ， 2 2 2 周期性边界条件下偶极相互作用能的求和1 6 2 3m o n t ec a r l o 方法18 2 3 1 统计力学中的m o n t eg a r l o 方法l8 2 3 2 本文使用的m e 们p o l i s 算法1 9 第3 章相互作用对系统磁化行为的影响2 7 3 1 外磁场垂直作用下系统的磁化行为“2 7 3 1 1 系统在偶极场与磁各向异性场作用下的磁化行为2 7 - v i 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 2 系统在交换场与磁各向异性场作用下的磁化行为2 9 3 1 3 系统在交换场、偶极场与磁各向异性场作用下的磁化行为3 1 3 2 外磁场水平作用下系统的磁化行为3 3 3 2 1 系统在偶极场与磁各向异性场作用下的磁化行为3 3 3 2 2 系统在交换场与磁各向异性场作用下的磁化行为3 5 3 2 3 系统在交换场、偶极场与磁各向异性场作用下的磁化行为- 3 6 第4 章各向异性角分布对系统磁化行为的影响3 9 4 1 外磁场垂直作用下各向异性角分布对系统磁化行为的影响3 9 4 1 1 偶极场与磁各向异性场共同作用下系统的磁化行为”3 9 4 1 2 交换场与磁各向异性场共同作用下系统的磁化行为4 1 4 2 外磁场水平作用下各向异性角分布对系统磁化行为的影响4 4 4 2 1 偶极场与磁各向异性场共同作用下系统的磁化行为”4 4 4 2 2 交换场与磁各向异性场共同作用下系统的磁化行为4 6 第5 章结论4 9 参考文献5 1 致谢”5 7 简历”5 8 v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景 随着计算机科学与互联网技术的出现与广泛应用，人们由此而进入了一个信息时 代。在现代社会中，由于信息技术的迅速发展，信息量也迅猛增长。信息存储是信息组 织的中心环节，它能保存人类文化遗产，延续人类文明，使后人在前人智慧的基础上发 7 展与创新。信息存储也是信息资源管理过程的一个重要环节，它是信息采集的结果同时 又是信息服务的保障。迄今为止，高密度信息存储系统中应用最广泛的是磁记录存储系 统，磁记录技术以及介质正随着许多重大科技成果的继续前进而不断取得新进展，在高 密度、高性能、大容量、小型化、数字化方面获得重大进步，广泛应用于广播、电影、 电视、教育、医疗、自动控制、地质勘探、电子计算技术、军事、航天及日常生活等方 面，在当今数字信息时代，已名副其实地成为高新技术的重要组成部分【l j 。磁记录正由 微米向纳米、氧化物向金属时代突飞猛进。磁记录介质只有实现高密度化，才能适应当 代及未来高密度记录和大容量化的要求，在信息技术领域保有一席之地。 1 2 磁记录材料与技术的应用与发展 1 2 1 磁记录介质材料概述 在信息记录材料工业中，磁记录材料指以磁化的形式实现记录、还原和贮存声音、 图像、数码等信息的记录材料。例如：用于各种录音装置的磁带，用于外存贮器的磁盘、 磁性卡片，以及用于电子计算机和大容量电视广播或家用电视的磁光盘等，在物理学中 将这些产品称为磁记录介质。磁记录存储介质实际上是一种矫顽力较高、饱和磁化强度 高、磁滞回线陡直、温度系数小的特殊的硬磁材料。它能够长期保存记录的信息，主要 是依靠材料的剩磁感应强度。当然也要求磁记录介质必须有足够高的矫顽力，以防止磁 化后自退磁和外磁场的干扰，避免记录信息的消失，但矫顽力大小应与磁头所能产生的 磁场大小相匹配【2 1 。 目前磁记录媒体中储存的数据都是处于与媒体表面平行的磁化状态上，读写方式也 是采用水平扫描平面方式。最新发展的垂直储存技术，数据位将以垂直排列，更多的数 据便可以挤压进有限的区域【3 4 】。为了提高硬磁盘记录密度同时还要减少噪音，除了在技 术上的改进，在材料本身也具有非常广大的改进空间。一种方法是减小作为磁记录的最 小单元单畴磁性颗粒的尺寸，颗粒尺寸的减小会导致记录信息的热稳定性降低1 5 j ，会破 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 坏数据，致使数据和存储设备失去可靠性。而热稳定性实际上依赖于k 刃七r ，其中y 是 颗粒的体积，k 是颗粒的各向异性。明显看出，只要媒体的矫顽力不是变化很大，因减 小颗粒尺寸而引起记录信息的不稳定性可以通过增加颗粒的各向异性能来弥补，所以开 发高各向异性的磁性材料成为了研究磁记录媒体的热点【6 j 。 磁记录材料是利用磁特性和磁效应写入、记录、存储和读出声音、图像、数字等信 息的磁性材料，分为磁记录介质材料和磁头材料，前者主要完成信息的记录和存储功能； 后者主要完成信息的写入和读出功能，通常由线圈、软磁合金铁心构成。磁记录材料按 形态分为颗粒材料和薄膜材料两类，按性质分为金属材料和非金属材料，按磁化方向与 磁记录介质运行方向的关系又分为纵向记录介质材料和垂直记录介质材料。纵向磁记录 采用磁化方向与记录介质的运动方向平行的记录方式，目前，在磁存储中使用最多的硬 磁盘、软磁盘和磁带都属于纵向记录介质；垂直磁记录采用磁化方向和记录介质的平面 垂直的记录方式。广泛使用的磁记录介质是丫f e 2 0 3 系材料，此外，还有c r 0 2 系、f e c o 系和c o c r 系材料等。磁头材料主要有m n z n 系和n i z n 系铁氧体、f e a l 系、n i f e 舶 系及f e a 1 s i 系合金材料等。 1 2 2 磁记录技术的发展 磁记录技术的发展并不漫长。1 8 8 8 年，美国人奥史密斯( o b e r l i ns m i t h ) 发表论 文，认为磁性录音是可行的。1 8 9 8 年丹麦人普尔生( v a l d e m a rp o u l s e n ) 将声音信号转 变成电流，电流使电磁铁产生磁场，将钢丝连续磁化，然后再通过电磁感应将信号读出 来转换为声音【7 1 。后来他又发明了支流偏磁方式改进实验。由于普尔生对磁记录的特殊 贡献，人们将其称之为“磁记录之父”。随后由于高分子材料的进步以及交流偏磁技术 和环型磁头的发明，最终在2 0 世纪3 0 年代出现了磁带录音机。1 9 4 7 年，磁记录方式被使 ， 用于存储计算机数字信号。 最早的硬盘是由i b m 公司于1 9 5 6 年生产的“i b m3 0 5r a m a c ，其记录密度只有 ， 几个k b 砰，容量只有5 m b ，却由5 0 个2 4 英寸的磁盘组构成，体积同普通沙发相差无几。 但其后硬盘的面密度一直在不断地得到迅速提高。1 9 9 1 年随着磁阻磁头( m r ) 的使用， 加上部分响应最大似然通道( p i m l ) 技术的采用，硬盘记录密度的年增长率从4 0 增 大到6 0 。特别是在1 9 8 8 年，法国巴黎大学的研究小组首先在f e c r 多层膜中发现了巨 磁电阻( g m r ) 效应，并在1 9 9 7 年i b m 公司将其应用于硬盘之上后，硬盘记录密度的年 增长率更是增大到1 0 0 。 - 2 东北大学硕士学位论文笫l 章绪论 虽然硬盘的面密度一直在以惊人的速度提高，但是这期间采用溅射法加工成连续薄 膜作为硬盘介质的历史只有2 0 年。以薄膜作为硬盘记录介质的阶段大致可以分为以下5 个阶段【8 】： 第1 个阶段( 1 9 8 4 1 9 9 4 ) 是读、写头都为磁感应磁头的阶段，获取合适的记录介 质以及提高硬盘的制造技术是主要目标； 第2 个阶段( 1 9 9 0 2 0 0 0 ) 是采用了磁阻磁头( m r ) 技术，大大提高了磁头的灵敏 ，性降低了噪声，提高了信噪比( s n r ) 。不过信噪比的提高幅度仍有限； 第3 个阶段( 1 9 9 8 2 0 0 2 ) 是采用了巨磁阻( g m r ) 磁头技术，大大改善了信噪比， 磁记录密度也迅猛提耐9 】； 第4 个阶段是在2 0 0 1 年采用在记录层下加入稳定层、虚拟增加磁粒子体积的a f c 介 质步入了实用化阶段，在一定程度上缓解了超顺磁效应极限限制的问题1 0 】； 第5 个阶段是当前正在热点研究并已初步实用化的技术，采用了有别于以往纵向磁 记录介质，即垂直磁记录阶段。 磁记录薄膜磁性存储技术在现代技术中占有举足轻重的地位。由于磁记录的记录密 度在很大程度上取决于磁头缝隙的宽度、磁头的飞行高度以及磁记录介质的厚度，因而 为了进一步提高磁存储的密度和容量，就需要不断减小磁头的体积，同时还要减小磁记 录介质的厚度。因此薄膜磁头材料与薄膜磁存储介质是磁性材料当前发展的主要方向之 一o 1 2 3 磁记录技术理论 磁记录技术的原理是：在记录信息过程中，输入信息先转变为相应的电信号输送到 带有间隙的磁头线圈中，使记录磁头中产生与输入电信号相应的变化磁场；此时靠近间 隙并以恒定速度移动的磁记录介质受到变化磁场的作用，从原来的退磁状态转变为磁化 ， 状态，即将随时间变化的磁场转变为按空间变化的磁化强度分布：磁记录介质通过磁头 后转变到相应的剩磁状态，从而记录下与间隙磁场、磁头电流和输入信号相应的信息。 当需要输出信息时，正好与上述记录过程相反。 薄膜磁性材料一般具有显著的磁各向异性，根据薄膜的磁化择优方向，磁性记录方 式可分为纵向磁记录l m r ( l o n g i t u d i n a lm a g n e t i cr e c o r d i n g ) 【1 1 ，1 2 1 和垂直磁记录p m r ( p e 印e n d i c u i a rm a g i l e t i cr e c o r d i n g ) 【1 3 1 5 1 。 在纵向磁记录技术( 也称水平磁记录方式) 中，数据位的磁化是在磁盘平面上，在 3 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 与磁头运动方向相同和相反的点之间翻转。增加存储容量的方法是压缩数据位并使其更 紧密地排列在一起，来提高面密度。纵向磁记录技术的主要限制是，如果数据位太小， 为其定位的磁能也会相应减小；小到一定程度后热能就可能会使其退磁，存储的数据就 会丢失。 垂直记录技术( p e r p e n d i c u l a rm a g l l e t i cr e c o r d i n g ) ，最早由1 9 世纪的丹麦科学家 v a l d e m a rp o u l s e n 提出，到了l9 7 6 年，垂直记录技术之父日本科学家s h u l l i c m1 w a s a k i 系统地阐述了垂直记录技术的理论【1 6 17 1 。上世纪末，垂直记录技术已经在实验室中逐渐 走向成熟，但直到2 0 0 5 年，采用垂直记录技术的硬盘才真正应用于市场。垂直记录和 水平记录工作原理对比如图1 1 所示【1 8 】。 “环”式感应写入组件 。 返回极 向记录 ) 记录介质 垂直记录 1 记录介质 j 软衬层 l 图1 1 水平记录和垂直记录工作原理对比图 f i g 1 1c o m p a r i s o no fw o r k i n gp r i n c i p i e so fl o n g i t u d i n a ja n dp e r p e n d i c u l a rr e c o r d i n g 垂直记录技术在概念上很简单，就是将负责记录的磁单元排列方式改为垂直排列方 式，此时磁单元的极性方向垂直于磁盘平面。与原来的纵向排列方式相比，垂直排列的 磁单元所占的盘片表面积小得多，这样就可以进一步提高存储密度。除此之外，当磁单 元被写入后翻转1 8 0 0 ，与相邻的磁单元变成s - n 邻接方式，可以起到对数据的稳定作用。 理论上采用垂直记录技术所获得的存储密度可达5 0 0 g b i n c h 2 【1 9 ，2 0 1 。 4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 为了满足垂直记录的要求，磁记录层的厚度要相应加厚，在磁记录层下面相应增加 了一层软磁底层，它的作用是作为写磁场返回路径的一部分并有效地生成记录磁头的镜 像，使记录磁场增强一倍，可以提供更强的磁场，使得写入更加方便，也达到了比纵向 记录技术更高的记录密度。相对应地，采用垂直记录模式的磁盘磁头结构也有较大变化： 它的信号极很窄，可以提供很高的磁通密度，使下面的磁单元翻转：回路极则很宽，磁 通密度小，不会改写数据。此外，垂直记录也因为能够强化数据对于热衰退的阻抗能力， 从而提升硬盘可靠性【2 1 1 。 随着磁记录技术向高密度化方向发展需求的日益增长，由于垂直磁记录方式可以比 目前普遍采用的纵向磁记录方式记录密度提高一个数量级，因此，垂直磁记录方式是现 阶段增加磁记录密度的主体技术。 1 3f e p t 薄膜的结构与磁学性质 作为高密度的磁记录介质，要求其磁性晶粒微细化且又要有高的各向异性能。通常 这两者是矛盾的，晶粒微细化会导致各向异性能减小，由此易受热干扰，影响可靠性， 为此必须使合金有序化【2 2 1 。此外，垂直磁记录介质需要具备垂直膜面的易磁化轴取向， 因此，研究有序的l 1 0 f e p t 合金薄膜的垂直取向成为近年来一个热点，受到国内外研究 者的密切关注【2 3 五7 】。 有序的l 1 0 相f e p t 具有非常高的磁晶各向异性能( 鼢严7 1 0 7 e 瑶s c m 3 ) ，比实用化 的h c p 结构的c o 基合金磁记录介质的磁晶各向异性能高出1 5 倍，且l l o 相f e p t 预计 在颗粒尺寸小于2 5 i u i l 时仍具有非常好的热稳定性，从而成为一种应用潜力很大的高密 度磁记录材料，此外其在微磁器件方面也具有相当可观的应用前剽2 8 。1 1 。 l l o 结构的f e p t 是面心四方f c t 结构，c 轴比a 轴短，沿c 轴方向f e 和p t 原子层 交替排列，c 轴为易磁化轴方向。l 1 0 f e p t 合金的基本磁性参数如表1 1 所示【2 6 j 。 表1 1 有序l l o f e n 的基本磁性参数 t a b l e1 1b a l s i cm a g n e t i cp a r 砌e t e r so fo r d e r e dl1o f e p t 块状f e p t 合金在室温下是有序化的f c t 结构，而一般气相急冷法溅射法制备 的f e p t 合金薄膜都是软磁相的，是无序的面心立方相f c c 结构，该相的各向异性能小， 5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 制成高密度记录介质必须使其成为各向异性能大的l l o 结构3 2 1 。在薄膜生长过程中加一 定高温或在生长后高温退火，可以促使其转变为有序的l 1 0 相，有研究指出，f e p t 粒子 有序相与无序相的转变温度约为5 0 0 ，若采用加热基板的方法可使转变温度降至 3 0 0 【3 3 3 4 1 。图1 2 所示为f e p t 无序相与有序相的结构。 f e 或p to 无序相 f e o 。p t 有序相 易 轴 方 向 图1 2f e p t 无序相与有序相结构示意图 f i g 1 2s c h e m a t i ci i l u s t r a t i o no f o r d e r e da n dd i s o r d e r e ds t r u c t l 盯eo f f e p t 将晶粒转变为有序相f c t 结构，会导致晶粒的长大，同时晶粒之间的耦合作用也 会带来大的读出信号噪声，不利于f e p t 合金薄膜在高密度磁记录方面的应用。为了解 决上述问题，实验发现通过掺入一定量的a 昏s i 0 2 、c r 、z r 、b 2 0 3 等元素可以有效地 抑制磁性晶粒的长大，减小晶粒间的相互作用。 1 4 国内外研究现状与发展动态 目前，在研究与开发高密度高性能的磁性材料方面，实验上的研究非常活跃，并取 得了一定程度上的进展。 2 0 0 5 年，gq l i 等人在日本研究了岛状l 1 0 f e p t 薄膜的磁化机制【3 5 】，他们指出， 薄膜厚度0 = 2 5 o i u l l 时，薄膜中的大部分粒子是多畴的，而厚度较小( 0 5 0 衄) 的 f e p t 薄膜是由孤立粒子( i s l a n d 1 i k ep a r t i c l e s ) 组成的。因此对于厚度较小的纳米薄膜， 可以通过判断单粒子的反转机制研究系统的磁化行为。 对于垂直磁记录技术，在对于l 1 0 f e p t 有序薄膜形态结构的研究中发现，当外磁场 沿垂直与水平方向施加到薄膜表面时，可测出不同形状的磁滞回线。图1 3 所示为通过 计算机模拟方法得到的系统的磁滞回线，该图中所模拟的l 1 0 f e p t 薄膜厚度为4 眦，粒 6 东北大学硕士学位论文 第l 章绪论 子尺寸约为1 0 m 。图1 4 和图1 5 是通过不同的实验方法测得的磁滞回线3 6 4 1 1 。由图1 3 、 图1 4 和图1 5 可知，外磁场水平施加到薄膜表面时产生的磁滞回线与外磁场垂直施加 到薄膜表面时相比是非常狭小的。 差 奎 v h 。i t ( k o e ) 图1 3 外磁场垂直和水平作用于l l o 相f e p t 薄膜时系统的磁滞回纠3 8 】 f i g 1 - 3t h es i m u l a t e dp e r p e n d i c u l a r ( s o l i d ) a n dl o n g i t u d i n a l ( d o t t e d ) 乒h1 0 0 p s0 f l l o f e p tf i l m s 【3 8 】 1 o o 5 o o o 5 1 o 1 51 05o 51 01 5 a p p n e dn e i d ( k o e ) 图1 43 5 0 。c 时，f e s i 0 2 ( o 5 6n l n ) 样品垂直和水平方向上的磁滞回线【4 0 】 f i g 1 4o u t - o f - p l a l l ea n di n - p l a n eh y s t e r e s i sl o o p s o fa n n e a l e df e p t s i 0 2 ( o 5 6 衄) a t3 5 0 。c 【4 0 】 - 7 葺o=再恩苗置眦嚣叫之口。恩lb昌ioz 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 菖 量 三 图1 52 7 6 k 时，l 1 0 相有序f e p t 薄膜垂直和水平方向上的磁滞回线f 4 l 】 f i g 1 5o u t - 0 f 二p 1 2 m ea n di n - p l a n eh y s t e r e s i s1 0 0 p s f o r t h e 上l o o r d e r e df e p tf i l ma t2 7 6k 【4 1 1 目前在磁性材料理论性质的研究中，蒙特卡洛方法已成为非常重要的一种方法，应 用十分广泛。c h a l l 仃e 1 1 等人考虑了磁性颗粒的相互作用，用蒙特卡洛方法研究了有场冷 却和零场冷却磁化强度【4 2 ，4 3 1 。l i u 和b e r t r a 舶考虑了磁性颗粒的相互作用，并用改变时 间步长的蒙特卡洛方法研究颗粒磁性膜的截止温度和磁滞回线【4 4 1 。x u 等人采用蒙特卡 罗方法，对由具有随机各向异性的磁性铁磁颗粒所组成系统的磁滞回线演化过程进行了 研究，在他们研究的模型中颗粒之间距离很远，导致颗粒之间的相互作用很弱从而被忽 略掉，这种系统的磁滞现象是由粒子的不可逆反转引起的，他们指出，系统的剩磁和矫 顽力随着温度的升高而减小，在高温下剩磁和矫顽力为零。此外研究了颗粒的