（凝聚态物理专业论文）超高密度磁记录用磁头材料feco薄膜的研究.pdf

兰州大学硕士论文摘要 中文摘要 由于可用于超高密度磁记录写磁头的良好前景，高饱和磁感应强度f e c o 基薄膜 材料吸引了越来越多的注意。但是f e c o 合金有一个很大的饱和磁致伸缩常量 , = 4 0 - 一6 5 1 0 一，这使得获得软磁性的f e c o 合金非常的困难。使用通常的溅射方法制 备的f e c o 合金薄膜的矫顽力大约为5 0 1 0 0o e 。加入第三元素和加入过渡层都是可采 用的降低矫顽力的方法，但这样做的后果往往引起m s 的降低。所以关键是要找到一 种方法，获得既有高饱和磁感应强度又有低矫顽力的f e c o 合金薄膜。本论文采用共 溅射的方法制备了f e c o 合金薄膜，研究了c 0 9 3 f e 7 、n i f e 、f e 和c u 等衬底对薄膜结 构和磁性的影响，重点研究了c 0 9 3 f e 7 这一衬底薄膜结构和磁性能的影响。得到的结 论如下： 1 单层f e - c o 薄膜的成分和磁性能 这部分主要研究了成分和基板温度对薄膜磁性能的影响。基于这部分工作得出以 下结论： a 在c o 含量在3 0 - - 4 0 a t 的成分区域内，薄膜的饱和磁化强度几乎都有 口o m s = 2 4 3 大小；当c o 成分在3 0 , - - 3 7a t 范围内时，薄膜的矫顽力垃有很低的值， 在嘉3 4a t 时最小可达1 k a m ； & 基板温度升高时，薄膜的矫顽力降低很快，饱和磁化强度则有轻微的升高； c 基板温度在3 6 0 0 c 左右时，薄膜的饱和磁化强度和矫顽力有较好的值。 2 c 呻3 f e t f e 6 5 c 0 3 5 型薄膜的结构和磁性能 这部分研究了高c o 衬底c 0 1 0 0 _ y f e ，( 0 y 1 1 ) 成分、厚度对薄膜磁性能的影响，以及 主层厚度变化时对薄膜磁性能的影响，基于这部分实验得出以下结论： a 衬底为i r m a 时，就能很好的降低矫顽力，随着衬底厚度的增加，薄膜的矫顽力并 没有显著的改变，只有稍微的增大； b 衬底成分为c 0 9 3 f e 7 薄膜取得最低的矫顽力； c 当主层厚度减小的时候，难轴矫顽力只有轻微的较小，1 0 0 n m 的主层厚度是一个 最佳值； d 当主层的厚度增加到1 0 0 纳米时，薄膜织构有一个从( 1 0 0 ) 到( 2 0 0 ) 的转变， 并且主层厚度直到5 0 0 纳米时仍然保持这一织构。 3 n h f e 2 1 用e 6 5 c 0 3 5 型薄膜的性能 这部分研究了n i 7 9 f c 2 1 币e 6 5 c 0 3 5 薄膜的结构和磁性能。基于这部分实验得出以下结 论： 兰州大学硕士论文 摘要 a 当坡莫合金衬底的厚度只有0 5 纳米的时候，f e c o 薄膜的易轴矫顽力和难轴矫顽 力已经有了巨大的变化； b 当村底厚度增加到1 纳米的时候，f e c o 薄膜的矫顽力降低到最低点； c 基板温度塑j 3 6 0 0 c 时，有一个从( 1 0 0 ) 到( 2 0 0 ) 的转变。 d 当衬底厚度固定在1 纳米，主层钴含量增加至1 j 2 5 的时候，薄膜的难轴矫顽力降 到最低点。 4 c u ，f e 衬底的作用及其与c o 妇f e 7 、n i 7 9 f e z l 衬底作用的比较 a 当c u 、f e 、c 0 9 a f e 7 和n i 7 9 f e 2 封底的厚度只有i 纳米的时候，f e c o 薄膜的易轴矫 顽力和难轴矫顽力已经有了巨大的变化： b 只有在c u 衬底厚度小于3 纳米时，才能获得较好的软磁性能。 c 矫顽力的降低不是受交换作用引起的涟波结构的减弱机制决定的。 d ( 2 0 0 ) 织构f e c o 合金比起易生长方向( 1 1 0 ) 有相对低的磁晶各向异性能，织 构改变引起的磁弹性能的减小也可以改善软磁性能。 e 薄膜的比较粗糙的上表面可能会有助于矫顽力的增大。 最终用共溅射的方法成功制各了用于超高密度磁记录磁头的、具有高饱和磁感 应强度和低矫顽力的f e c o 合金薄膜。 兰卅i 大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t h i g hs a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n f e c ob a s e d 山i nf i l m sa t t r a c tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n f o rr e c o r d i n gh e a d st oa c h i e v eh i g hr e c o r d i n gd e n s i t y , b u ti ti sd i f f i c u l tt oo b t a i ns o f t m a g n e t i cf e c oa l l o y , b e c a u s eo f i t s l a r g em a g n e t o s t r i c t i o nc o n s t a n t sra , = 4 0 - 6 5 1 0 1 【l 】) t h ec o e r c i v i t y o ff e c of i l m sp r e p a r e db yac o n v e n t i o n a l s p u t t e r i n gm e t h o di s r e p o r t e dt ob e 5 0 1 0 0o e 【2 】a na d d i t i o no ft h et h i r de l e m e n to ral a m i n a t i o nb y i n s e r t i n gi n t e r l a y e rw e r ee x a m i n e dt oi m p r o v es o f tm a g n e t i cp r o p e r t i e so ff e c of i l m s ， h o w e v e r , a c c o m p a n i e d t h er e d u c t i o n o f m s 【3 - 6 】t h e r e f o r ei t sak e y t of i n do u ta w a y t o o b t a i nf e c of i l m sw i t h g o o d s o f t m a g n e t i cp r o p e r t i e s a sw e l la s h i g h s a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o n i nt h i st h e s i s ，t 1 1 ef c c ot h i nf i l m sw e r ep r e p a r e db yc o s p u t t e r i n g t h e i n f l u e n c e so f t h es e e dl a y e r ( c 0 9 3 f e 7 、n i f e 、f eo rc u ) o nt h em i c r o s t r u c t u r ea n d m a g n e t i c p r o p e r t i e so f f e c o f i l m sw e r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o i l o w s ： 1 f e c ot h i nf i l m sw i t h o u tu n d e r l a y e r t h ei n f l u e n c e so fc o m p o s i t i o na n dt e m p e r a t u r eo nm a g n e t i cp r o p e r t i e so ff e c o f i l m sw e r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： a w h e nc oc o n t e n ti s3 0 4 0a t 。t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o no ff i l m si sa sl a r g e a sf 0 m s = 2 4 t ；t h ec o e r c i v i t y 也o f f i l m sh a sl o wv a l u ea tc oc o n t e n tx = 3 0 3 7a t a n dg e tt om i n i m u mo fi k a ma tx = 3 4a t b w i t l lt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g t h ec o e r c i v i t yo ft h ef i l m sd e c r e a s e s r a p i d l ya n d t h es a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o ni n c r e a s e ss l i g h t l y c 。t h ef i n em a g n e t i c p r o p e r t i e sw e r eo b t a i n e d w i t ht h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ea t 3 6 0 。c 2 c o g a f e 7 f 6 6 s c 0 3 s t h i nf i l m s t h ei n f l u e q c e so f c o m p o s i t i o na n dt h i c k n e s so fc o l o o y f e v ( o y 1 j ) s e e dl a y e ro n t h em a g n e t i cp r o p e r t i e so f f e c of i l m sw e r es t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： a w h e nt h et h i c k n e s so f t h es e e dl a y e rc 0 9 3 f e 7i sa sl a r g ea si n m ，t h el o wh cc a l l b ea t t a i n e d f i l m se x h i b i tw e a kd e p e n d e n c eo fc o e r c i v i t yo i lt h et h i c k n e s so f s e e dl a y e r b w h e nt h ef ec o n t e n tr a n g ei s7 a t t h eb e s tm a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r ea t t a i n e d c t h ev a l u eo f 皿 s l i g h t l yd e c r e a s e sa st h et h i c k n e s so f f e c of i l m sd e c r e a s e s t h e b e s tv a l u eo f t h i c k n e s sf o rf e c of i l m sw a sf o u n dt ob e1 0 0n m f o r m p r o v i n gt h e s o f tm a g n e t i c p r o p e r t i e so f d o u b l el a y e rf i l m s d w h e nt h et h i c k n e s so ff e c ol a y e ri n c r e a s e dt o1 0 0a m t h ef i l mt e x t u r eh a sa c h a n g eo f ( 1 1 0 ) t o ( 2 0 0 ) a n d m a i n t a i n st h i st e x t u r eu pt o5 0 0 n m 3 。n h g f e z l f e 6 5 c 0 3 5t h i nf i l m s t h em i c r o s t r u c t u r ea n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so fn i 7 9 f e 2 1 f e 6 s c 0 3 st h i nf i l m sw e r e s t u d i e d t h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： a w h e nt h et h i c k n e s so ft l l ep e r m a l l o yu n d e r p l a y e ri sa sl a r g ea s0 5 n m t h eh c e a n dh c ho ff e c ot h i nf i l m sh a v ea o b v i o u s l yd e c r e a s e b w h e nt h et h i c k n e s so ft h ep e r m a l l o yu n d e r p l a y e rd e c r e a s et ol n m ，t h eh co f f e c of i l m sc o m e st oam i n i m u mv a l u e c 、h e nt h es u b s t r a t et e m p e r a t u r ei sa t3 6 0 0 c t h ef i l m st e x t u r eh a sac h a n g ef r o m ( 1 1 0 ) t o ( 2 0 0 ) d w h e nt h et h i c k n e s so ft h es e e dl a y e rm a i n t a i n s1 n m t h eh c ho ff e c of i l m s c o m e st oam i n i m u mv a l u ew i t hc oc o n t e n ta t2 5 兰州大学硕士论文摘要 4 t h ee f f e c to ft h es e e dl a y e r ( f eo rc u ) a n dt h ec o m p a r ew i t ht h es e e di a y e r ( c 0 9 扭e 7o rn i 7 9 f e 2 0 a ar e m a r k a b l er e d u c t i o no f c o e r c i v i t yi so b s e r v e db yu s i n gav e r yt h i nu n d e r l a y e r e v e n l e s s t h a nln m b t h ee x c e l l e n ts o f tm a g n e t i s mc a nb eo b t a i n e do n l yw h e nt h ec u l a y e ri sl e s st h a n 3n m c ni n d i c a t e st h a tt h e c o e r c i v i t yr e d u c t i o ni s n o td e t e r m i n e db yt h ee x c h a n g e i n d u c e dr i p p l er e d u c t i o nm e c h a n i s m d t h e ( 2 0 0 ) t e x t u r e f e c o a l l o y s h a v e r e l a t i v e l y l o w e r m a g n e t o c r y s t a l l i n e a n i s o t r o p ye n e r g y t h a nt h ee a s yg r o w t ho r i e n t a t i o nr 1 1 0 ) t h er e d u c t i o no f m a g n e t i c e l a s t i c e n e r g yc a u s e db yt h et e x t u r ec h a n g em a ya l s oi m p r o v et h es o f tm a g n e t i c p r o p e r t i e s e t h er o u g h e r t o ps u r f a c eo f f i l m sc o u l dc o n t r i b u t et oa ni n c r e a s ei nc o e r c i v i t y a sa r e s u l t ，t h eu n d e r l a y e r f e c ot h i nf i l m sh a v eb e e np r e p a r e ds u c c e s s f u l l yw i t hh i g h s a t u r a t i o nm a g n a i z a t i o na n dl o wc o e r e i v i t y 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行 研究所取得的成果s 学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、 数据、观点等，。均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成 果做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：歪雌 日 期：上斗 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰 州大学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学 校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版，允许论文被 查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本 人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：雕导师签名：挫日 兰型盍堂塑望些垫塞里堕坚 第一章绪论 1 1 磁记录的发展历史 跟随人类文明的脚步，我们走入一个信息爆炸的时代，原始的信息 记录方式受到时空的限制，在这个资源越来越紧缺、人群越来越密集的社 会里，它的高消耗性和低利用性显得那么突出。人们希望存储系统具有高 密度、大容量、高速度及低成本的特征。在这种需求下，已研究开发了各 种存储技术，如：磁带驱动器、硬盘驱动器、软盘驱动器、磁光盘驱动器、 相变光盘驱动器、半导体闪存、磁性随机存储器、全息光学存储器等等。 在所有的信息存储方式中，磁性信息存储技术( 一般主要是指硬盘、软盘 和磁带) 因其具有优异的记录性能、应用灵活、价格便宜等优点，而且在 技术上仍具有相当大的发展潜力，成为当代信息存储的主要技术。近年来， 磁记录技术的应用已深入到电影、电视、广播、教育、计算技术、航测、 军事、空间技术、医学、科学研究及工农业生产等各个领域。 自1 8 9 8 年磁记录技术发明以来，至今已有一百多年的历史。表卜卜1 简要地列出了磁记录技术的发展历史m 。一百多年来，磁记录技术不但 逐步得到发展和推广，而且在最近的十年中，它的发展速度一再得到提高， 成为信息存储外围设备技术中的主要成员，而且极具发展潜力。 硬盘驱动器( 简称硬盘) 是现代计算机存储结构中最重要的成员， 它的生产技术代表了磁性信息存储技术的最前沿。自1 9 5 7 年i b m 公司首 次推出用于数据存储的旋转式硬盘装置r a m a c ( r a n d o ma c c e s sm e t h o d o fa c c o u n t i n ga n dc o n t r 0 1 ) 以来j 硬盘的面密度一直在不断地提高。1 9 9 2 年m m 公司采用薄膜磁阻磁头( m r ) 及最大似然通道技术( v r m l ) 以后， 硬盘面密度的增长率从4 0 提高到了6 0 。1 9 9 7 年i b m 公司采用自旋 阀巨磁阻磁头( g m r ) 以后，硬盘的面密度更是以1 0 0 的增长率增长。 2 0 0 1 年1 1 胃1 3 日，希捷技术公司近日发布了一项里程碑式的数据存 储新技术。该技术使用了一个完全集成的记录磁头和多层反铁磁耦合 ( a v e ) 硬盘，其记录面密度超过了1 0 0 g b i “平方英寸，从而一举创下了新 的世界纪录。希捷的新技术能够把1 2 5g b 的数据存储在一个3 5 英寸的 碟片上，而目前生产的硬盘的单碟容量仅为4 0g b 。新技术的存储能力相 兰趔盔堂亟主望些盈窒 塑堕些 当于在一个硬盘上存储6 3 小时d v d 画质的视频信息、超过7 5 0 ，0 0 0 兆象素 的数字图像或者将近4 0 ，0 0 0 首歌曲。与历史上第一个硬盘相比( 面密度约 表1 - 1 - 1 谨喜罐稆录擅木崖展筒立 时间 事件国家 1 8 8 8o s m i t h 关于磁性录音论文的发表美国 v p o u l s e n 磁性录音机的发明( 直流偏压 丹麦 1 8 9 8 法) 1 9 2 7 交流偏磁法专利美国 1 9 2 8f p f l e u m e r 纸基底上磁粉涂布磁带的发明德国 1 9 3 2e s g h o l l c r 环形磁头的发明德国 1 9 3 5钢丝录音机的生产 日本 1 9 5 3计算机用磁带装置的发布( i b m 7 2 6 )美国 1 9 5 5 固定式磁盘装置( i b m 3 5 0 ) 美国 1 9 5 6 a m p e x4 头视频记录装置 美国 1 9 6 7c r 0 2 磁带；磁泡技术美国 1 9 6 8热压铁氧体磁头日本 1 9 6 9薄膜磁头的开发美国 利用m r 效应检测磁场的应用 日本 1 9 7 2软盘( m m 3 3 f d )美国 1 9 7 4 包钴y - f e 2 0 3 磁带 日本 1 9 7 5f e a l ，s i 磁头 日本 1 9 7 6磁泡存储的开发 日本 1 9 7 8金属粉末磁带 日本 1 9 7 9金属蒸镀磁带日本 单晶铁氧体磁头 日本 1 9 8 03 5 英寸软盘日本 垂直记录方式的研究 日本 1 9 8 2涂布型钡铁氧体介质日本 1 9 9 0 薄膜磁头- m r 磁头实用化 美国 1 9 9 6g m r 磁头实用化美国 2 0 0 1反铁磁耦合磁介质美国 为2 k b i n 2 ) 已经增加了六千万倍。就发展速度而言，历史上还没有哪个 兰州大学硕士毕业论文程晓峰 行业能与之争锋。今天，硬盘的记录面密度正以每年6 0 的速度递 增，商业硬盘的面密度已达到0 15 5 一o 9 3 g b 平方厘米。从现有 的发展趋势看，不久高于1 5 5 3 1 g b 平方厘米记录面密度的硬 盘将进入市场。图卜1 l 给出了硬盘面记录密度的发展历程。 ， 为了继续提高纵向记录的面密度并增加总存储容量，必须使数据位 变得更小并且更紧凑地挨在一起。但是，数据位小到一定的程度就不能再 小了。如果数据位太小，维持数据位的磁能可能会变得很小，以至热能可 能使它随着时间的过去而退磁。这种现象叫做超顺磁性。为了避免超顺磁 性影响，磁盘介质制造商一直在增加磁盘的矫顽磁性( 写入一个数据位所 需的磁场) 。不过，可以应用的磁场受到生产磁头的磁性材料的限制，目 前正在处理这些限制。垂直记录被广泛地视为下一项将被用来增加面密度 y e a r 图1 1 1 硬盘蔼记录密度的发展历程。圆点代表商业化硬盘的面记录 密度，方块代袭实验塞水平，实线给出了发展的趋势 的方法。在垂直记录中，磁盘晶粒的磁矩不是像纵向记录一样平行于磁盘 的平面，而是沿着与磁盘平面垂直的方向。然后，这些数据位用向上或向 下磁化的区域来表示( 与数字化数据中的l 和0 相一致) 。垂直记录使我 们能够以比纵向记录更高的密度来记录数据位，因为它能在记录介质中产 生更高的磁场。在垂直记录中，介质可以存储在个软磁性底层上，该底， 层可以有效生成记录磁头的图像，并使记录磁场约增加一倍。 。盘皇黛o-h篇曲盏盎_露警- 兰州大学硕士毕业论文程晓峰 ( a ) l o n g i t u d i n a l r e c o r d i n g ( b ) p e r p e n d i c u l a r l _ 1 e c o r d n g w i t h s u l 图1 - 1 2 纵向磁记录与垂直磁记录 1 2 磁记录劬理简骨 磁记录过程就是将随时间变化的电讯号，通过记录磁头缝隙处的散磁 场，转换为记录介质中剩余磁化强度的空间分布。多数的磁记录装置中， 磁头固定，记录介质作相对的匀速运动。但在录像中采用旋转磁头，磁头 和记录介质都运动。磁记录模式有三种。一种是水平磁记录( l o n g i t u d i n a l r e c o r d i n g ) 。在这种记录模式下，介质的磁化方向与磁盘平面以及磁头的 运动方向平行。现行的硬盘驱动器酱遍应用的都是水平磁记录技术。图 1 2 1 给出了水平磁记录的原理图。第二种就是垂直磁记录( p e r p e n d i c u l a r r e c o r d i n g ) 。此时介质的磁化方向与磁盘表面垂直。第三种模式就是横向 磁记录( t r a n s v e r s er e c o r d i n g ) ，介质的磁化方向在磁盘平面内而与磁头 的运动方向垂直。 除了纵向记录和垂直记录之外，技术专家们已经开始探索其它些可 能记录数据的方法。再过许多年后，热辅助磁性记录，或者图形介质 ( p a t t e mm e d i a ) 或探针存储( p r o b es t o r a g e ) 和隔离位记录( i s o l a t e d b i t r e c o r d i n g ) ，将会被视为存储世界信息的可能选择。 热辅助记录方法包括在介质上产生一个热点( 通常用激光) ，与此同 时写入数据。最后结果是，当介质被加热时，在介质上写入数据所需的磁 场减少了，使得在高矫顽力的介质上写入数据成为了可能( 正如前面解释 的那样，它具有更高的防止超顺磁性的稳定性) ，尽管通过记录磁头能够 产生的磁场有限。希捷公司研究人员估计在未来4 5 年时间内，热辅助磁 记录技术可能得到应用，能够使记录密度达到每平方英寸1 t b 。 4 兰州大学硕士毕业论文 程晓峰 遍= 劫 c i 吼t 专v e l c c t yl h n s 厂 厂 厂厂 l 1 00 i ll1ll 潮1 - 2 一i 水平磁记录过程的原理示意阉。 图i - 2 2 光学辅助磁性记录 图1 - 2 3 给出了目前硬盘的结构简图，它是一个水平磁记录系统。包 含g m r 读磁头、写磁头和记录介质。图中的参数如下：t 记录介质厚度， 有时也用占表示；w 记录道宽；b 记录位的长度；d 磁间距( 包括磁盘表 面的保护层和浮动块( s l i d e r ) 表面的保护层) 。旁边插入的图是表示磁 介质中两种磁化方向的过渡区，d 是指晶粒大小；a 是过渡区参数，是过 渡区长度的表征，过渡区长度l = 石a 。 兰州大学硕士毕业论文程晓峰 图1 2 3 磁记录系统 下面我们对硬盘( h d d ) 中的磁记录介质和磁头分别做一介绍。 1 2 1 罐记录俞质 根据磁记录模式的不同，硬盘中的磁记录介质也具有不同的结构和 材料。一般来说有四类磁记录介质：颗粒介质( p a r t i c u l a t em e d i a ) 、薄膜 介质( t h i nf i l mm e d i a ) 、具有软磁层的介质( k e e p e r e dm e d i a ) 、图纹介 质( p a t t e m e d m e d i a ) 。其中颗粒介质是第一代硬盘就采用的介质，由于 很难得到高的矫顽力和低的噪音，在2 0 世纪8 0 年代就完全被连续的薄膜 介质所取代，现今一般只应用在磁带和软盘中。具有软磁层( k e e p e r e d ) 的介质是为垂直磁记录设计的。而图纹介质还只是处于实验室研究阶段。 这里只讨论薄膜介质。现在实用的硬磁盘记录介质构造如图1 - 2 4 所示 表l 一2 i 给出了薄膜介质中所使用的材料( 并不包括很多新发展起来的材 料) 。 图1 - 2 5 磁记录薄膜介质的结构示意图( 图中的长度比例并不代表实际 器件的尺寸比例) 6 兰州大学硕士毕业论文程晓峰 表1 - 2 1 硬盘驱动器盘片中正在使用以及可能使用的一些材料 润滑层全氟聚醚 保护层非晶碳、s i o ； 夺c o a l i o y s ：c o ，c o s p t , f e - c o - n i ，c o c r ，c o - c r - p t , c o c r - t a ，c o - n i - 只 磁性层夺o x i d et h i nf i l m s ：b a m ，s r mf e r r i t e 夺r a r e - e a r t ht r a n s i t i o nm e t a l s ：f e l 4 n h 2 b ，s m c o s ， 令l l op h a s e s ：f e p d ，c o p lm n a l ，f e 班 树底层c r ，m o ，w ，c r - t i , o r - v ，c r - s i 基底层 n i - p ，a 1 - m g 袭丽强化玻璃 为了改善介质在高密度条件下的热稳定性，最近又提出了1 种称之为 反铁磁耦合介质的方法，对改善介质的热稳定性具有显著的效果。反铁磁 耦合介质( a f c ，a n t i - - f e r r o m a g n e t i c a l l yc o u p l e d m e d i a ) 是由两层( 或 多层) 被非磁耦合层相隔离的磁性层构成的，上磁性层为主记录层( m l ) ， 下磁性层为稳定层( s l ) 。由于铁磁稳定层的反铁磁耦合作用，复合介质 的总面磁矩m r t = ( m r t ) m l 一( m r t ) s l 。这表明，在没有降低主磁层厚度 或磁化强度的条件下减小了复合磁层的总的m r t ，从而降低了退磁场，增 加了记录信息的稳定性，同时也提高了介质的信噪比。同样，由于主磁层 和稳定层之间的交换耦合作用，也提高了复合系统的有效体积。作为实现 1 0 0 g b i n 2 以上面记录密度的主要技术，i b m 已经在其t r a e l s t a l r 等多款硬 磁盘中使用了a f c 介质。f u i t s u 公司所采用的反铁磁耦合介质在结构和性 能方面与a f c 基本相同，不同的是采用了类似于c o r u c o 多层膜那样 的人工反铁磁材料，他们把这种介质称合成铁磁介质s f m ( s y n t h e t i c f e r r o m a g n e t i cm e d i a ，s f m ) 。与原先采用天然反铁磁材料的a f c 相比，s f m 可以实现稳定层和记录层之间的更强耦合。f u i t s l l 已采用这种s f m 介质分 别实现了5 6 g b i n 2 和1 0 6 g b i n 2 的面记录密度。 1 2 2 磁记录磁势 众所周知，磁头在硬盘中的地位是占有着相当的比重的，就如录像机 没有磁头不能进行播放一样。硬盘同理，失去了磁头，硬盘根本无法工作。 故而磁头在硬盘中所担当任务是相当的重，它需要负责硬盘的读取与写入 两个方面的工作。 磁头的先进与否直接影响到了硬盘的使用寿命以及硬盘的性能，一直 以来磁头的换代就意味着硬盘的革新。我们可以发现每一次硬盘磁头的技 术革命，都将硬盘推向了又一个时代的技术高峰，因为硬盘的单碟容量， 性能都与磁头有着非常密切的联系。这么长时间硬盘经历了太多的革命， 7 先后经历了：m i g ( m e t a li ng a p ) 磁头一薄膜磁头( t h i nf i l mh e a d ) ( 2 0 世纪8 0 年代末实现了产业化) 一磁阻( a m r ) 磁头( 1 9 9 3 年以后实 现了产业化) 一自旋阎巨磁阻( s v g m r ) 磁头( 1 9 9 7 年以后实现了产业 化) 一自旋隧道结磁阻( 刚r ) 磁头( 据估计2 0 0 5 年前后将实现产业化) 而相应的面密度的变化为： 15 0 m b i n 2 6 0 0m b i n l + 3 g b i n 一4 0g b 醉一1 0 0g b i n 2 1 t b 计 m i g 和t f i 磁头都是既用来写入数据，又用来读出数据的。而后来 发展的磁头，将写入和读出的功能分开，用不同的磁头来实现。a m r 、 s v g m r 及t m r 磁头都是“双元复合磁头”，即写头用感应式t f i 磁 头，而读头用a m r 、s v g m r 及t m r 传感元件构成( 图卜2 - 6 ) 。 感应式磁头是基于电磁感应原理工作的一种元件。感应式磁头主要有 两种，一种是环状磁头，另一种是薄膜磁头。计算机发展的初期，环状磁 头在硬盘驱动器中被广泛使用。但是到了2 0 世纪8 0 年代就逐渐被薄膜磁头 所替代。薄膜磁头有如下的优点：由于线圈的微型化，它们的电感小，薄 膜磁头有更快的数据处理速度；记录线密度更高；更好的磁头场分布及更 高的读取灵敏度；由于磁极变小，线密度更大；现今已可利用与半导体相 似的加工工艺和设备大批量生产薄膜磁头。图1 2 7 给出了感应式写入薄 膜磁头的结构示意图。 图1 - 2 6 硬盘面密度随磁头的变化 兰趔盔堂亟生些垫窒墨堕些 t o p p o l e b o u o m p o l e t h r o a t b 哟埘 a i r b e a r i u g s n r f l l c e 图i - 2 7 感应式写入薄膜磁头的结构示意图 1 2 3 高窟虚磁记录对写磁头磁落材科钓县求 高密度磁记录对用于写磁头的软磁材料的要求，一般有以下几点： 1 高的饱和磁化强度 窄的过渡区参数和磁化的热稳定性都要求记录介质有高的矫顽力。从图 1 - 2 - 8 可以看到随着信息产业的发展，介质矫顽力升高的历史和发展趋 势。但是由此付出的代价是写磁头的能力盥必须不断提高，也就是说，它 必须能够产生足够大的磁场在这种介质上写入信息。为了获得好的重写特 性，一般要求磁头在磁介质背面产生的记录磁场是记录介质矫顽力的2 5 倍。写磁头在磁介质背面产生的磁场强可以通过计算磁头缝隙中心和距 离磁极d + 6 处的k a r l q v i s t 磁头场来估计【1 5 】： 耻孚t a n 。| 丽g d0 | m 。， 万 iz t + 】 其中h g 是磁头缝隙深处的场，g 是写磁头的缝隙长度，d 是磁间距( 磁 头材料到磁介质层的距离，包括中间的所有其它涂敷层) ，6 是记录介质 磁层的厚度。令h x = 2 5 h c ，代入上式，可得： h ；= 1 2 5 z g - i , 盯1 i 丽g 面l ( 1 - 4 ) 9 兰州大学硕士毕业论文程晓峰 y e a r 图1 - 2 8 矫顽力的发展变化越势 当h g 达到磁头饱和磁通密度的5 0 8 0 时的时候，磁头的饱和效应就 非常明显了。对于给定磁头，能写入的记录介质的最大矫顽力h c ，m a x 与 磁头材料的饱和磁化强度m s 的关系如下式所示 1 6 ，单位为 c g s 制： h , o , = 0 2 0 x 4 z r m ，t a n 。1 强 ( 1 - 5 ) 饱和磁化强度4 m s 为1 0k g 和2 0k g 的磁头材料所能写入的介质的矫顽 o2 0柏1 洲婚( c o r i m 图卜2 - 9 饱和磁化强度为l ok g 和2 0k g 的磁头材料所能写入的介质的矫顽力 1 0 8 蔷 孵 誊 蕈1 = ：蚕 靴 一 苗g蠹童g嚣p堇曩 兰州大学硕士毕业论文程晓峰 力与磁间距d 的关系如图i - 2 9 所示。目前最新的技术已经可以使d 达到 1 5 n m ( 其中磁头的碳保护层3n r n ，p o l e t i pr e c e s s i o n t o l e r a n c e3n n l ，飞行 高度( f l y i n gh e i g h t ) 5n m ，介质的碳保护层4r i m ) 。如果6 = 1 0 n m ， g = 0 1 5 ur l l ，介质的矫顽力为4 0 0 0 0 c ，则4n m s 应为1 6 k g 。 2 磁性要软 通常矫顽力要小于l o e ，小的矫顽力不仅可以减小磁滞损耗从而降低热噪 声，而且容易在膜面内感应出一个单轴各向异性。对于磁头材料，这个单 轴各向异性非常重要，但是当材料的矫顽力大时，就很难感生出单轴各向 异性。 3 高的磁导率 磁头材料不仅要有高的饱和磁化强度，以便能写入信息，磁头还要有很高 的效率。而磁头的效率与磁头材料的磁导率有关。通常在低场下饱和前要 大于1 0 0 0 ，以便得到足够大的磁头效率。为了得到高的数据率，在个很 宽的频率范围内磁导率都要足够大。为了减小高频下由于涡流损失而引起 的磁导率的下降，材料的电阻率要高，要采用电阻率大的磁性单层膜，或 者是中间有绝缘层的多层膜。同时磁导率要有优异的高频特性，即在较宽 的频率范围内保持高的磁导率。电阻率高首先可以减小涡流造成的损耗。 涡流损耗大小为： z ：叼2 汀2 _ f 2 b 一2 a 2 3 p ( 1 6 ) 其中口是材料的厚度，b 是材料表面的磁通密度，厂是频率，p 是电阻率， 町是损耗异常因子，它描述了由于畴壁移动造成的复杂的余损耗。从这个 式子可以看到，当频率增加时，损耗迅速增大。所以如果磁头在很高频率 下工作时，就必须使用电阻率高的材料。 其次电阻率还影响材料的高频特性：涡流场使得飞速移动的介质产生的磁 场不能穿透磁头从而减小了磁导率。电阻率高，可以抑制涡流的产生，从 而改善了磁导率的高频特性。因此，通常希望磁头材料的电阻率较高。 4 磁化矢量转动是主要的磁化模式 磁化有两种模式：畴壁位移或磁化矢量的转动。前者需要畴壁能量随位置 有尽可能小的波动，而实际中畴壁移动要受到不均匀的微结构所导致的阻， 力，因此有巴克豪森噪声产生。另外通过畴壁位移的磁化模式，在频率增 加时，由于畴壁运动速率比较低，磁导率将急剧降低。而由磁化矢量的旋 兰州大学硕士毕业论文程晓峰 转所造成的磁化在整块材料中分布均匀，磁通量的变化在整个样品中是均 匀的，产生的涡流比较小。所以在高频下，通过磁化矢量的反转而实现的 磁化过程更可取，因此理想的磁头材料在高频下的磁化应当以磁化矢量的 转动为主要机制。 5 为了获得高的数据率，需要有临界阻尼和快的反转速度。 6 居里点要高，热稳定性要好。在制作磁头过程中，磁头材料要经受2 5 0 或更高的温度，而且要在自身产生的热下长期工作，因此希望其居里点 高，热稳定性好。 7 良好的耐腐蚀性。材料要经受得起相当程度的加速腐蚀测验，即材料要 有良好的耐腐蚀性。 8 材料脆性好，易加工；硬度高，耐磨损；成本低，能投入大规模的工业 生产。 、 参考之皴 1 杨正，磁记录物理，兰州大学出版社( 1 9 8 6 ) ； 2 松本光功，磁记录，科学出版社( 1 9 8 3 ) ： 3 周剑平，李华飚，顾有松等，磁性材料及器件，v o l l 3 1 ，n d 6 ，( 2 0 0 0 ) 2 5 4 都有为，罗河烈，磁记录材料，电子工业出版社( 1 9 9 2 ) ； 5 章吉良，磁记录原理与技术，上海交通大学出版社，1 9 9 0 6 陈国钧，吕键，陈殿金，王旭军，h d d 用磁头材料的发展现状，信 息记录材料，2 0 0 2 ，3 ( 1 ) ，p 2 5 3 0 7 f r o o z e b o o m ，p j h b l o e m e n ，w k l a a s s e n s ，e g ，j v a nd er i e t ， j j t m d o n k e r s ，s o f t m a g n e t i cf l u x g u i d em a t e r i a l s ，p h i l i p sj r e s ，1 9 9 8 ， v 0 1 5 1 ，p 5 9 - 9 1 8 m h k r y d e r w m e s s n e r ，l r c a r l e y , a p p r o a c h e st 0l o g b i t i n 2r e c o r d i n g j a p p l v h y s ，1 9 9 6 ，v 0 1 7 9 ( 8 ) ，p 4 4 8 5 - p 4 4 9 0 9 k g a s h a r m a g n e t i cd i s k d r i v e rt e