（凝聚态物理专业论文）软磁层各向异性对ecc磁记录介质性质的影响.pdf

摘要 随着磁记录的不断发展，记录密度逐渐提高，即将接近垂直磁记录的物理极 限。交换耦合复合磁记录介质( e x c h a n g ec o u p l e dc o m p o s i t er e c o r d i n gm e d i a ，简称 e c cm e d i a ) 作为一种新型的垂直磁记录介质，在具有较低的矫顽力的同时能保持 较高的热稳定性，因而受到了研究者的广泛关注。e c c 介质由交换耦合的软磁 层与硬磁层构成，它是通过软磁层与硬磁层的磁矩在磁化反转过程中的非一致转 动来达到降低矫顽力的效果，而无外场时热反转仍为一致转动，因而能保持较高 的热稳定性。e c c 介质中软磁层具有较高的饱和磁化强度和较大的退磁能，然 而在以往的研究中软磁层的各向异性对介质性质的影响还没有系统的研究过。 本论文中使用理论计算的方法研究了双磁矩模型中软磁层各向异性和饱和 磁化强度的变化对介质反转场的影响。研究发现软磁层的磁各向异性能为负时， 即易磁化方向平行于记录薄膜的膜面时，有助于降低复合颗粒的反转场以及反转 场对软磁层和硬磁层之间的交换耦合强度的敏感性，并使最佳耦合强度增大，然 而也会导致增益( g a i n ) 的降低。假设软磁层的磁各向异性能等于其最大退磁能， 我们发现具有较大饱和磁化强度的软磁层除了能够保有负的各向异性能带来的 好处之外，还会使g a i n 增大。反转场对外加磁场角度的依赖关系在软磁层各向 异性能为负时不会受到明显的影响，而为正时则受影响较大。研究结果说明当软 磁层的退磁能无法避免时，使用较大饱和磁化强度的软磁层有利于降低矫顽力， 保持热稳定性，提高介质的均匀性，减小中间层和记录层的厚度，并且对信噪比 没有不良影响。 在实验研究方面，我们使用磁控溅射装置制备了记录层结构为软磁中间层 硬磁的垂直磁记录薄膜。薄膜的具体结构为c c o t i 0 2 p t c o p t t i 0 2 r u p t c o z r n b g l a s s d i s k 。通过调节溅射气压，成功的改变了软磁层的饱和磁化强度。 对于强耦合，即没有p t 中间层的介质，发现c o t i 0 2 软磁层能够有效降低矫顽 力，矫顽力最低降至单层介质的6 0 左右。热稳定性由于面内交换耦合的增强而 略有上升，同时磁畴结构没有明显变化。对于有p t 中间层的e c c 介质，发现p t 能够有效降低软磁层和硬磁层之间的交换耦合强度，从而使矫顽力降低，并且矫 顽力对其厚度的敏感度不高。同时还发现软磁层的饱和磁化强度越大，达到最佳 耦合状态所需要的p t 中间层厚度越小。连续的p t 中间层使面内交换耦合增强， 从而能够提高热稳定性，然而也会导致磁畴尺寸增大。对比单层介质，强耦合介 质以及e c c 介质的剩磁矫顽力随外场角度的变化关系，发现单层介质与强耦合 介质的矫顽力随外场角度的变化趋势基本一致，而e c c 介质对角度的敏感性更 低。当外场偏转4 5 0 时，剩磁矫顽力约为o o 时的8 5 左右。通过观测加反转场后 剩磁态m f m 图像，发现e c c 介质的面内晶粒间交换耦合比较弱，并且磁化反 转过程为磁性颗粒的反转而并非畴壁移动。实验结果说明我们得到的e c c 介质 具有良好的性质，p t 很适合作为e c c 介质的中间层使用，而使用饱和磁化强度 较大的软磁层更有助于降低记录层的总厚度。 a b s t r a c t t h ea s t o n i s h i n ga d v a n c e m e n to fm a g n e t i cr e c o r d i n gh a sb r o u g h tt h er e c o r d i n g d e n s i t yc l o s et oi t sp h y s i c a ll i m i t t h u s ，an e wp e r p e n d i c u l a rm a g n e t i cr e c o r d i n g m e d i ac a l l e de x c h a n g ec o u p l e dc o m p o s i t em e d i a ( e c cm e d i a ) h a sa t t r a c t e dm u c h a t t e n t i o ns i n c ei tc a nd e c r e a s et h ec o e r c i v i t yw h i l em a i n t a i n i n gt h et h e r m a ls t a b i l i t y t h ee c cm e d i a ，c o n s i s t i n go fe x c h a n g e - c o u p l e dh a r da n ds o f tm a g n e t i cl a y e r s ，c a n r e a c hs m a ll e rc o e r c i v i t yt h r o u g hi n c o h e r e n tr e v e r s a lo ft h em a g n e t i cm o m e n t so ft h e t w ol a y e r si na na p p l i e df i e l d ，w h e r e a st h et h e r m a ls t a b i l i t yc a nb em a i n t a i n e dd u et o t h ec o h e r e n tr e v e r s a lw i t h o u tf i e l d t h es o f tl a y e ro fe c cm e d i au s u a l l yp o s s e s s e s 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 ( m s ) a n da l s oh i g hd e m a g n e t i z i n ge n e r g yd e n s i t y h o w e v e r ，t h ee f f e c to ft h ea n i s o t r o p yo fs o f tl a y e rh a sn o ty e tb e e ni n v e s t i g a t e d s y s t e m i c a l l y i n t h i st h e s i st h ee f f e c to ft h ea n i s o t r o p yo fs o f tl a y e ro nt h es w i t c h i n gf i e l do f e c cm e d i aw a si n v e s t i g a t e db yc a l c u l a t i o nu s i n gat w o - m o m e n tm o d e l i tw a sf o u n d t h em i n u sa n i s o t r o p ye n e r g yo fs o f tl a y e ri su s e f u lt ot h ed e c r e a s eo fs w i t c h i n gf i e l d a n dt h es e n s i t i v i t yo fs w i t c h i n gf i e l dt ot h ee x c h a n g es t r e n g t hb e t w e e ns o f ta n dh a r d l a y e r s i tc a na l s oi n c r e a s et h eo p t i m a le x c h a n g es t r e n g t h ，b u td e c r e a s et h eh i g h e s t g a i n a s s u m i n gt h ea n i s o t r o p ye n e r g y o fs o f t l a y e r i s e q u a l t oi t s h i g h e s t d e m a g n e t i z i n ge n e r g y ，i tw a sf o u n dt h ea p p l i c a t i o no fh i g hm ss o f tm a g n e t i cm a t e r i a l a st h es o f tl a y e rm a y i m p r o v et h eb e s tg a i nw h i l em a i n t a i n i n gt h eb e n e f i t sc a u s e db y m i n u sa n i s o t r o p y t h ed e p e n d e n c eo fh s wo nf i e l da n g l ei sn o ta f f e c t e dv e r ym u c h w h e nt h ea n i s o t r o p yo fs o f tl a y e ri sm i n u s ，b u tw o r s e n e db yp l u ss o f tl a y e ra n i s o t r o p y t h e s er e s u l t ss u g g e s tt h a tw h e nt h ed e m a g n e t i z i n ge n e r g yo fs o f tl a y e ri su n a v o i d a b l e ， t h ea p p l i c a t i o no fh i g hm ss o f tl a y e rc a nh e l pt od e c r e a s et h es w i t c h i n gf i e l d ，m a i n t a i n t h et h e r m a ls t a b i l i t y ，i m p r o v et h eu n i f o r m i t y ，r e d u c et h et h i c k n e s so fi n t e r l a y e ra n d t o t a lr e c o r d i n gl a y e r ，a n dw i l ln o tw o r s e nt h es i g n a lt on o i s er a t i o i n e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n ，w ep r e p a r e df i l m s w i t ht h e r e c o d i n gl a y e r s t r u c t u r eo fs o f t i n t e r l a y e r h a r db ym a g n e t r o ns p u t t e r i n g t h es t r u c t u r eo ff i l m si s c c o t i 0 2 p t c o p t t i 0 2 r u p t c o z r n b g l a s s d i s k b yc h a n g i n gt h es p u t t e r i n gg a s p r e s s u r e ，t h em so fs o f tl a y e ri sa d j u s t e ds u c c e s s f u l l y f o rt h ef i l m sw i t h o u tap t i n t e r l a y e r , i tw a sf o u n dc o t i 0 2s o f tl a y e r sr e d u c et h ec o e r c i v i t ye f f i c i e n t l ya n dt h e l o w e s tc o e r c i v i t yi sa b o u t6 0 o ft h a to fs i n g l er e c o r d i n gl a y e r t h et h e r m a ls t a b i l i t y i se n h a n c e db yt h es t r e n g t h e n e di n t e r g r a n u l a re x c h a n g ec o u p l i n g ，b mt h ed o m a i n s t r u c t u r ei sn o ta f f e c t e do b v i o u s l y f o rt h ef i l m sw i t hap ti n t e r l a y e r , i tw a sf o u n dt h e p ti n t e r l a y e rc a nr e d u c et h ee x c h a n g es t r e n g t hb e t w e e ns o f ta n dh a r dl a y e r se f f i c i e n t l y , s ot h a tt h ec o e r c i v i t yi sd e c r e a s e d a n dt h ec o e r c i v i t yh a sas m a l ls e n s i t i v i t yt ot h e t h i c k n e s so fp ti n t e r l a y e r i tw a sa l s of o u n dt h a tt h es o f tl a y e rw i t hah i g hm si su s e f u l t or e d u c et h ei n t e r l a y e rt h i c k n e s so ft h eo p t i m a ls t a t e ，w h i c hc a nd e c r e a s et h e t h i c k n e s so fe c cm e d i a t h ec o n t i n u o u sp t i n t e r l a y e rs t r e n g t h e n e di n t e r g r a n u l a r e x c h a n g ec o u p l i n g ，t h a tl e a dt ot h ei m p r o v e m e n to ft h e r m a ls t a b i l i t ya n da l s ot h e a v e r a g ed o m a i ns i z e c o m p a r i n gt ot h et h es i n g l er e c o r d i n gl a y e rf i l ma n ds t r o n g e x c h a n g ec o u p l e df i l m ，t h ee c cf i l mh a sm u c hs m a l l e rs e n s i t i v i t yo fc o e r c i v i t yt o f i e l da n g l e w h e nt h ef i e l da n g l ei s4 5 0 ，c o e r c i v i t yd e c r e a s e st oa b o u t8 5 o ft h a t o b t a i n e da tt h ea n g l eo f0 。b ym e a s u r i n gt h er e m a n e n ts t a t em f mi m a g e so fo p t i m a l e c cf i h n ，i tw a sr e a l i z e dt h a tt h ei n t e r g r a n u l a re x c h a n g ec o u p l i n gi sn o ts t r o n g ，a n d t h er e v e r s a lp r o c e s so fm e d i ai sn o tt h ed o m a i nw a l lm o v e m e n tb u tt h er e v e r s eo f m a g n e t i cc l u s t e r s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss u g g e s tt h a t t h ep r e p a r e de c cm e d i a p o s s e s sf a v o r a b l ep r o p e r t i e s ，p ti sa p p r o p r i a t ef o rt h ei n t e r l a y e ro fe c cm e d i a ，a n d t h ea p p l i c a t i o no fh i g hm ss o f tl a y e ri su s e f u lt ot h er e d u c t i o no fr e c o r d i n gl a y e r 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。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：进日期：圣竺全：皇：蛰 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：l 址导师签名：逃日 期： 王颖 兰州大学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论 近1 0 0 年来，随着科学技术同新月异的发展，越来越多的高科技产品进入了 人们的生活当中。其中很大一部分是用作信息的记录与传播，例如电视机，手机， d v d ，电脑等等，这也凸显了信息在人们的工作生活中的重要性。随着互联网 的诞生，信息爆炸的时代随之到来，人们越来越期望能将大量的信息储存到非常 小的介质当中。如今常用的存储技术大体上可分为三类，一类是磁信息存储，例 如磁带，软盘，硬盘等；一类是光信息存储，例如c d 、d v d 光盘，磁光盘等； 还有一类就是电信息存储，例如i n 存，固态硬盘等。在这些信息存储方式中，磁 信息存储以其无可替代的高存储密度占据着重要位置。9 0 年代以来，磁记录密 度不断的指数式刷新着，现在已经商业化计算机硬盘的最高存储密度可达1 7 8 g b i t i n 2 ，实验室中更是达到了6 10g b i t i n 2 ( h i t a c h i ) ，而目前磁记录研究人 员正在努力将记录密度提高至ltb i t i n 2 。可以预见在未来的1 0 2 0 年内，磁记 录技术仍将保持其在计算机数据存储中的首席地位。 1 1 磁记录的发展 1 8 9 8 年，月麦入v p o u l s e n 发明了钢丝录音机，在世界上首次用磁性体来记 录信息。此后百年的世界科技进步史中，磁记录技术在广大科学工作者的辛勤努 力之下，得到了不断创新和发展，历经了很多革命性的技术突破，最终成为今天 信息存储的主要载体。表1 1 列举了磁记录技术发展简史【1 】。 表1 1 磁记录技术发展简史 时l 、日j 事件国家 18 8 8 o s m i t h 关于磁性录音论文的发表美国 l8 9 8 v p o u l s e n 磁性录音机的发明( 直流偏压法)月麦 19 2 7 交流偏磁法专利美国 19 2 8 f p t l e u m e r 纸丛底上磁粉涂伽磁带的发明德国 19 3 2 e s c h o l l e r 环形磁头的发明德国 王颖 兰州大学博士学位论丈第一章绪论 1 9 3 5 钢丝录音机的生产 同本 l9 5 3 计算机用磁带装置的发布( i b m 7 2 6 ) 美国 l9 5 5 固定式磁盘装置( i b m 7 2 6 ) 美国 19 5 6 a m p e x4 头视频记录装置 美国 1 9 6 7 c r 0 2 磁带；磁泡技术美国 1 9 6 8 热压铁氧体磁头 同本 1 9 6 9 薄膜磁头的丌发 美国 1 9 7 2 软盘( i b m 3 3 f d ) 美国 1 9 7 4 包钴y - f e 2 0 3 磁带 r 本 1 9 7 5 f e a 1 s i 磁头r 本 1 9 7 6 磁泡存储的开发 同本 1 9 7 8 会属粉未磁带r 本 金属蒸镀磁带同本 1 9 7 9 单晶铁氧体磁头 同本 3 5 英寸软盘 同本 19 8 0 垂直纪录方式的研究r 本 19 8 2 涂布型钡铁氧体介质 同本 1 9 9 0 薄膜磁头m r 磁头实用化 美国 l9 9 6 g m r 磁头实用化 美国 2 0 0 0 反铁磁耦合介质的丌发 美国 2 0 0 4 东芝垂直磁记录微硬盘( m k 4 0 0 7 g a l ，1 3 3g b i t i n 2 ) 同本 2 0 0 5 希捷垂直磁记录硬盘商业化( 1 3 0g b i t i n 2 )美国 磁盘技术丌始于1 9 5 6 年，由i b m 公司生产出世界上一代硬盘( i b m 3 5 0 ) 。它 由5 0 张直径为2 4 英寸的盘片构成，总容量5m b y t e ，数据传输率为8 8k b i t s ， 面记录密度大约为2k b i t i n 2 。经过5 0 多年的发展，商业化的硬盘记录密度已经 提高到1 7 8g b i t i n 2 。在这短短的半个世纪坦，面密度增长超过八千万倍，年平 均增长速率远高于半导体晶体管密度的摩尔定i 聿( m o o r e sl a w ) 。图1 1 给出了磁 记录面密度的发展史【2 1 。 王颖兰州大学博士学位论文第一章绪论 l 一ii z r e r p 蟹f l u l g u l 疆l 影。 m a g 舱始阳侧d n g ： ，彳，7 a s t a to fp e r p e n d l c u时， c a d m a gt n e t i cr e c o r d i n g r ， l o 7 e r g c m 3 ) 的介质材料。这就要求写磁头必须具有更高的写入能力( 高 饱和磁化强度) 及高频稳定特性( g h z 下的高磁导率) 。表1 3 综合了可以应用 于高密度磁记录的软磁材料 1 。在目前所有的软磁材料中，f e 6 5 c 0 3 5 合金的饱 和磁化强度( 接近2 5t ) 是最高的。关于它的应用性研究，业己比较成熟。所 以在今后一段时间内，写磁头极头材料将以f e c o 基合金为主，除非人们开发出 了更高饱和磁化强度的材料。 表1 3 ：可用于高密度磁记录磁头的软磁材料及性质 制备 4 7 rm ， h c 允。 h kp 耐腐 材料种类 手段 蚀性 ( t )( o e ) ( 1 0 6 ) ( o e ) ( “q c m ) n i 8 0 f e 2 0电镀 1 0o 312 5 42 0 2 5 n i 4 5 f e s 5电镀 1 6o 42 09 5 4 8 好 c 0 8 s f e l 2 电镀2 o3 1 0 1 3 不好 c 0 6 5 f e 2 3 n il2 电镀 2 o 一2 11 21 83 02 l 好 c o f e v b 电镀 1 881 2 53 4 不好 c o z r 非晶态溅射 1 4 1 16 2 01 2 0不好 f e x n溅射 1 8 2 o 1 这一能量表达式来说，解这样的方程组是非常困难的。因 此我们采用了r h v i c t o r a 等所使用的等值线图的方法来得到反转场的值【1 】。 图4 2 ( a ) 所示为h = 0 时的等值线图。图中纵轴为0 i ，横轴为秒2 ，某一位置 上颜色的深浅表示该处的e 值。这样的等值线图可以直观的给出总静磁能随两 磁矩角度的变化关系。此图中能量的鞍点p 所在的位置为0 t = 0 2 = x 2 ，它表示 的是磁矩从起始位置0 l = 0 2 = 0 反转到0 l = p 2 = 万所经过的路程中的能量最高点， 即势垒所在的位置。势垒的存在意味着磁矩着想反转，必须有热能的辅助，即只 有当颗粒的热能大于势垒的值时，磁矩才有可能反转到相反方向。随着h 的增 大，势垒逐渐降低，p 点逐渐向起始位置移动( 图4 2 ( a ) ( c ) ) 。直到日足够大， p 点与起始位置重合( 图4 2 ( d ) ) ，势垒消失的时候，磁矩才能在无热扰动的情况 4 9 ! 女擘博学位论i第日章e c c 介m6 理论* 算 f 反转。我们认为此时的片值就等于复合颗粒的反转场。 鼠 1 m i n 2 鼠 15 o。511 5 掰2 5 3 m 8 x 罔4 2 ：总静磁能关于口l 、o2 的等值线图。参数为v 2 - 1 4 ，m r m 2 = 7 5 0e m u c m 3 h k l 2 01k o e ，风2 = 2 1k o e ，皿= 珥卅l ( v t + v 2 ) - 1 0k o e ，( a ) h - 0 ，( b ) h42k o e ，( c ) h - 85k o e ，( d ) h - 1 37k o e 。 使用等值线圈可以得到反转场的大概值，但是无法得到准确的结果，因为仅 靠肉眼无法确定h 为何值时势垒消失。为此我们使用数值计算作为辅助，来得 到相对精确的结果。具体方法是，首先设定h 的值为等值线图方法得到的近似 值，而后通过m a t h e m a t i c a 软件解如下方程组： 王颖 兰州大学博士学位论文 第四章e c c 介质6 - s j 里e t i t 算 厂0 e ( ：3 0 1 = 0 z o e o g = 0 ( 4 4 ) 可以得到多组目l ，9 2 的值。这些值中既有起始位置和势垒位置所对应的解，也 有无物理意义的解。若势垒存在，则可以在其中找到等值线图中势垒位置对应的 解。若势垒不存在，则无法找到。这样就可以判断所设定的h 值是大于还是小 于反转场的准确值。若势垒存在，则设定值小于反转场，需要将新的设定值增大， 反之则将新的设定值减小。实际操作中为了减少尝试的次数，我们采用二分法来 设定h 的值：若已知一大于反转场的值a 和一小于反转场的值b ，则取二者的平 均值c 作为新的设定值，带入方程组进行计算。若设定值c 仍然小于反转场，则 取竺# 作为下一次的设定值，若c 大于反转场，则取生# 作为新的设定值。这 么 z 样就可以用比较少的尝试次数来得到满足我们所需要的精度的反转场值。 需要说明的是，起始位置并不总是在0l = 臼2 = o 的位置，还有可能位于0 0i 万，0 02 = 1 的某一位置上，这与设定的各项参数有关。有关起始状态的 2 描述可参照第二章2 3 节。 4 3 计算结果及分析 4 3 1 复合颗粒的热稳定性 颗粒的热稳定性由无外加磁场时能量势垒的值决定。通过等值线图，我们发 现当外加磁场为0 时，势垒的位置大约在口l = 矽2 = z 2 的点，而起始位置始终位 于臼l = p2 = o 。通过对能量表达式4 1 的分析可以计算外场为0 时的势垒位置。h = 0 时表达式4 1 可以简化为 e = k l s i n 2q k + k 2s i n 20 2 一d ec o s ( o , 一幺) ( 4 6 ) 在势垒位置，o e ( 9 0 1 = o e a 0 2 = 0 ，将表达式4 6 带入此关系式可得： 厂2 k lks i nq c o s0 , + 。s i n ( t g , 一岛) - - 0 12 k 2 v 2s i n6 3 2c o s0 2 一。口s i n ( 0 l 一致) = 0 ( 4 7 ) 王颖 兰州i 大学博士学位论丈第四章e c c 介质的理论计算 显而易见01 = 0 2 = s t 2 以及0l = 02 = 0 均为此方程组的解。 将势垒位置以及起始位置的角度值带入表达式4 1 并相减，即可得到势垒的 能量值： 以刀2 ，刀2 m ( o ，0 ) = ( k ，n 十托) - - ( - j 。) = x n + 9 2v 2( 4 5 ) 结果显示外场为0 时的能量势垒为硬磁和软磁两部分各向异性能之和，即复合颗 粒的热稳定性取决于颗粒的磁各向异性能。 4 3 2 软磁层的各向异性能的影响 通过上节介绍的方法，可以研究复合颗粒的反转场与各参数之l 白j 的相互关 系。首先为了研究软磁层的磁各向异性能对复合颗粒性质的影响，假设外场方向 平行于颗粒的易磁化轴，对不同交换耦合强度下的反转场进行了计算。计算中设 定的参数如下： 表4 1 研究软磁层的磁各向异性能的影响时使用的各项参数 v dv 2m l ( e m u c m 3 ) m 2 ( e m u c m 3 ) h kl ( k o e )风2 ( k o e ) h e ( k o e ) 1 4 7 5 07 5 09 4 ，一4 7 ，0 1 ，9 4 2 1 0 - 3 5 其中总定义为2 j 。tm l ( “+ ) ，g k l 、鼠2 分别为2 k iim i 、2 k 2i m 2 。硬 磁层的参数设定是参考当前常用的c o p t 基垂直磁记录介质的参数 2 】。为了便于 计算，软磁层的饱和磁化强度设置成与硬磁层一致，而各向异性场的选择则是考 虑到软磁层的退磁能。当颗粒的面积非常大时，软磁层的退磁囚子接近于47 r ， 退磁场约为9 4k o e 。如果软磁材料没有磁晶各向异性能的话，那么9 4k o e 就 是软磁层能够达到的最大各向异性场。所以首先选择9 4k o e 这一数值。当颗粒 的面积较小，软磁材料又具有磁一讯各向异性i 坛i i , j ，软磁层的各向异性场就会小于 9 4k o e 。凶此我们义选择了4 7 、0 - 1 、9 4k o e 几个数值来进行研究。 王颖兰州大学博士学住论文第四章e c c 介质的理论计算 对反转场的影响 in t e r l a y e re x c h a n g ef i el dh e ( k o e ) 图4 - 3 ：不同凰l 时反转场随交换耦合强度的变化。 计算得到的反转场的结果在图4 3 中给出。四个系列的反转场均随着交换强 度的增加呈现先下降后上升的趋势，这与文献报道的结果非常类似 1 ，3 ，4 】。按 凰l 由正到负的顺序，各系列反转场的最小值依次为1 6 5 ，1 2 1 ，1 1 9 ，1 1 3k o c ， 说明负的软磁层磁各向异性能有助于减小最低反转场。这一结果与本多研究员使 用模拟计算得到的结果是一致的【2 】。同时我们还发现各系列反转场的最小值所 对应的交换场是不同的。凰l 为负值时最小反转场对应的交换场较大。在实际应 用中，交换耦合强度由软磁层和硬磁层之间的一层中间层来进行调节，中间层越 薄，则交换耦合强度越大。因此当软磁层的磁各向异性能为负值时，可以使用较 薄的中间层得到最小的反转场。 当软磁部分与硬磁部分的交换强度足够强的时候，两部分的磁矩在反转的过 程中会始终指向同一个方向，即两部分的磁矩为一致转动模式。这时的反转场可 一o)1一荔工刁一!j acco兰 王颖 兰州大学博士学位论文 第四章e c c 介质的理论计算 以由一个简单的表达式给出： = 2 ( k l n 蝎v 2 ) ( m i v l + m 2 v 2 ) ( 4 6 ) 因此随着交换耦合强度的增大，反转场不是一直增大，而是趋近于这一值。图x 中也显示了这一趋势，但是在凰l 不同的情况下，趋近的速度有所不同。当凰i 为负值时趋近的速度较慢，这意味着可以在较宽的交换耦合强度范围内得到低的 反转场。 h k l k o 嘲 图4 4 ：不同凰l 时反转场低于1 1 胁的交换耦合场范围。 为了更加明确的显示这一效果，我们计算了当反转场在最小反转场风加的 1 1 倍的范围内时，交换耦合场的跨度范围。图4 3 中双箭头所指示的便是风l = 0 时的这一范围。四个系列的计算结果在图4 4 中给出。 可以看出当凤l ：一9 4k o e 时的这一范围大约是风l = 0 时的4 倍，说明负的 软磁层磁各向异性能能够大大降低反转场对交换耦合强度的敏感度。由于在实际 应用中用于调节交换耦合强度的中间层很薄，在沉积时很难做到厚度完全一致， 这将会导致各颗粒的反转场有所不同。如果反转场对交换祸合强度的敏感度较 5 4 一o)lo工：oac叱 王颖兰州大学博士学位论文第四章e c c 介质的理论计算 低，则介质的均匀性会比较好。因此，负的软磁层磁各向异性能能够通过降低这 一敏感度来提高介质的反转场的均匀性。 对增益( g a i n ) 的影响 除反转场以外，增益是一个更重要的衡量e c c 介质性质优劣的参数。增益 越大，则我们可以在反转场不变的条件下得到越高的热稳定性。由于软磁层的磁 各向异性能对于复合颗粒整体的磁各向异性能有贡献，并且会影响到颗粒的热稳 定性，因此有必要对不同皿l 时的增益进行计算分析。 增益通常用 来表示，它的表达式为： 孝= 2 丝( “鸠矿) ( 4 7 ) 在我们的计算当中，根据4 3 1 的计算结果，衄为软磁部分与硬磁部分磁各 向异性能之和，m ，为两部分饱和磁化强度的平均值，y 为整个颗粒的体积，日。 为上一节中所得到的反转场的值。 蚶 c o 图4 5 ：不同风l 时增益孝随交换耦合强度的变化。 5 5 王颖兰州大学博士学位论文第四章e c c 介质的理论计算 图4 5 给出了增益的计算结果。与反转场的变化趋势相反，增益的变化趋势 是随着交换耦合强度的增加先增大后减小。最大的增益值在凤l = o 1k o e 这一系 列中得到，约为1 4 。而当软磁层具有较大的正或负的磁各向异性能时，增益的 最大值均出现下降。尤其是当见l = 9 4k o e 时，下降最为明显。这说明，若想得 到最大的增益，软磁层不具有磁各向异性是最好的选择，而正的软磁层磁各向异 性能是尤其需要避免的。这与v i c t o r a 等人的研究结果是一致的 1 】。 然而另一方面，与反转场一样，增益对于交换耦合强度的敏感程度在风l 为 负值时较低。因此，为了得到既具有良好的均匀性又具有较高热稳定性的记录介 质，就需要在实际的应用中对软磁层的磁各向异性能进行细致的选择。 反转场与外加磁场角度的关系 对于垂直磁记录介质，反转场对于外加磁场角度的依赖关系是一个重要参 数。因为通常磁记录介质中的晶粒的易磁化轴相对薄膜的法线方向有一个小角度 f i e l da n g l e ，e ( d e g r e e ) 图4 6 - 反转场随外加磁场偏角的变化。 一o)i一工。刁一#aclo兰| 王颖 兰州大学博士学位论文 第四章e c c 介质的理论计算 的分布，而磁头的写入磁场是垂直于膜面的，如果反转场对外场角度比较敏感， 那么晶粒的反转场也将会出现分布。并且较高的反转场对外场角度的敏感性意味 着记录晶粒在记录信号的写入过程中更易受到磁头杂散场的影响，这将会导致记 录介质的信噪比降低。基于这样的考虑，我们选择了各系列中处于最佳交换耦合 状念的参数，计算了不同外场角度时的反转场的值。 计算结果如图4 6 所示。与阮l - 0 1k o e 时的结果相比较，风i 为9 4k o e 时 反转场随外场角度有更加明显的变化，而风i 为一9 4k o e 时变化趋势与其基本相 同。当外场偏角为2 0 时，风i 为9 4k o e 、0 1k o e 、9 4k o e 三个模型的反转场依 次为外场偏角为o 时的8 6 5 、9 6 3 、9 5 8 。这说明f 的磁各向异性能会使反 转场与外场角度的关系变得更加敏感，不利于提高记录介质的信噪比，而负的软 磁层磁各向异性能则对这一关系没有明显影响。 4 3 3 软磁层的饱和磁化强度的影响 由上一节的计算结果可知，实验中选择磁各向异性能为负的材料作为软磁层 对于降低反转场，提高介质的均匀性有较好的效果。因此使用饱和磁化强度较大 的软磁材料，并且利用其较大的退磁场，是一个简单、直接的方法。然而由能量 表达式4 2 可知，改变软磁层的饱和i 磁化强度m l 不仪会使软磁层的磁各向异性 能密度k l 改变，还会使z e e m a n 能m h c o s o l k 这一项的值发生变化，而这两种 变化均会对反转场产生影响。因此我们假设软磁层退磁因子为47 1 ，系统的研究 了改变软磁层的饱和磁化强度后复合颗粒各方面的性质变化。计算中所使用的参 数垒【1 下： 表4 2 研究软磁层的饱和磁化强度的影响时使用的各项参数 王颖 兰州大学博士学位论文第四章e c c 介质的理论计算 对反转场的影响 o oo 51 o1 52 o2 53 o in t e r - r e g i o ne x c h a n g ec o n s t a n tj e k 2 v 2 图4 7 ：不同蚴时反转场随交换耦合强度的变化。 首先假设# l - ) j i l 磁场平行于复合颗粒的易磁化轴，计算了反转场随交换耦合强 度的变化。图4 7 显示了计算结果。不同的三个系列，反转场均随交换耦合的 增强先减小后增大，这是e c c 介质共有的性质。同时还可以看出，m z 越大则能 得到的最小反转场的值越小。这是由于的增大以及由此引起的软磁层退磁能 的增大均可以使反转场的值减小。我们还发现反转场对于交换耦合强度的敏感度 有所降低，最小反转场对应的交换耦合强度也有所增强。原因可能有两方面：一 方面，根据上一节的计算结果，退磁能的增大对敏感度的降低有贡献，另一方面， 根据v i c t o r a 的报道，软磁层与硬磁层饱和强度之比的增大也会引起敏感度降低 1 】。 5 8 王颖兰州大学博士学位论文第四章e c c 介质的理论计算 对增益的影响 弘， c c 匹 o in t e r - r e g i one x c h a n g e c o ns t a n tj e k 2 v 2 图4 8 ：不同尬时增益随交换耦合强度的变化。 同上一节所介绍的一样，我们也计算了不同m 时增益的值。计算结果( 图 4 8 ) 显示三个系列的增益均随交换耦合的增强先上升后下降。但是心越大则上 升和下降的趋势越缓慢，即增益对交换耦合强度的敏感程度越低。还发现这三个 系列中增益的最大值是在脱为1 0 0 0e m u c m 3 的这一系列中得到的，说明较大的 蚴有助于增益的提高。这一结果意味着如果软磁层的退磁能不可避免，则使用 饱和磁化强度较大的软磁材料作软磁层更有利于记录介质热稳定性的保持和均 匀性的提高。同时m 越大则增益的最大值对应的交换耦合强度越大，说明m 越大得到最高的增益所需的中间层越薄。 5 9 王颖 兰州大学博士学位论文第四章e c c 介质的理论计算 对外场角度依赖关系的影响 f i e l da n g l e ，0 ( d e g r e e ) 图4 9 ：反转场对外加磁场偏角的依赖关系。 不同软磁层饱和磁化强度时反转场跟随外加磁场角度的变化关系在图4 9 中 给出。可以看出这三个模型的反转场跟随外场角度的变化趋势是比较类似的。当 外场偏角为2 0 时，蚴为5 0 0 、7 5 0 、1 0 0 0e m u c m 3 模型的反转场分别下降为外场 偏角为0 0 时的9 5 、9 5 8 、9 6 1 。这一结果说明较大的m 不会使反转场对外 场角度的敏感性增大，反而会使之略微减小。因此使用较大的饱和磁化强度的软 磁材料做e c c 介质的软磁层不会对介质的均匀性和信噪比产生不良影响。 一；80y一誊工一鞲翻cco兰a 王颖 兰州大学博士学位论文第四章e c c 介质的理论计算 小结 本章中我们利用双磁矩模型，通过数值计算的方法研究了软磁层的磁各向异 性能和饱和磁化强度对e c c 介质各方面性质的影响。 研究发现负的软磁层磁各向异性能有助于降低复合颗粒的反转场以及反转 场对软磁层和硬磁层之间的交换耦合强度的敏感性，并使最佳耦合强度增大，然 而也会导致增益的降低。因此在实际应用中使e c c 介质软磁层的的磁各向异性 能为负可以降低矫顽力，提高介质的均匀性，并减小中自j 层的厚度，但是由于总 的磁各向异性能降低，介质的热稳定性也会降低。软磁层磁各向异性能为负值时 对反转场对于外加磁场角度的敏感性的影响很小，而为f 值时使这一敏感性变得 更强。因此f 的软磁层磁各向异性能不利于提高记录介质的均匀性和信噪比，在 实际应用中是需要避免的。 假设软磁层的磁各向异性能完全来源于退磁能，并且退磁因子为4 7 ，发现 具有较大饱和磁化强度的软磁层更有利于反转场的降