（微电子学与固体电子学专业论文）磁光多层膜记录特性及记录畴观测方法的研究.pdf

华中理工大学博士学位论文 摘要 多层膜结构磁光记录介质的应用是目前磁光记录技术的前沿研究课题之一。研 究和分析诸膜层参数在光学耦合和磁耦合中的作用和影响，具有十分重要的意义。 本文从理论和实验上，系统地作了以下一些工作。 理论方面：在多层膜结构条件下，采用导纳特征矩阵分析研究了膜系的光学耦 合特性，得到了膜层参数对磁光k e r r 转角、反射率等的影响。通过热传导方程的计 算机数值求解，得到了光照微区磁性层的温度场分布，分析研究了各层膜厚度、电 介质折射率、记录功率、环境温度等对温度场分布的影响，并估算了记录畴的直径。 在此基础上，结合热磁写入和k e r r 值号读出这两个物理过程，利用遗传算法对膜层 参数进行了优化匹配。结果表明：在搜索范围、计算速度和结果多样性等方面，比 较传统算法具有明显的优势。在光调制直接重写部分，分析了实现光调制直接重写 的物理机制及其对各功能层的具体要求。 实验方面：针对多层耦合膜记录特性测试的需要，在偏光显微镜的基础上，利 用磁光k e r r 效应，首次研制了反射式磁光记录特性和磁畴观测系统。采用现代数字 图象处理的软硬件技术，在很低的对比度和噪声影响的条件下，准确提取了记录畴 图象，并进行了几何特征参数的定义和计算。秭0 用该系统对普通磁光盘和直接重写 磁光盘进行了写入功率、擦除功率等相关参数的测量，观察和提取了两种磁光盘的 记录畴图象，并进行了对比和分析。7 ， 关键词。磁光存储，优化设计，k e r r 效应，瞬态温度场。显微图象，记录畴，直接 重写 i 华中理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i no r d e rt os a r i s f yt h ei n c r e a s eo ft h es t o r a g e c a p a c i t ya n d t h ed a t at r a n s f e rr a t e ，t h e m u l t i l a y e rf i l m sh a v eb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e df o rt h e i rp o t e n t i a la d v a n t a g e si nm a g n e t o o p t i c a lr e c o r d i n g 1 1 1 e yh a v ew i d ea p p l i c a t i o ni nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g ys u c ha su s eo f m a g n e t i cs u p e r - r e s o l u t i o na n dd i r e c to v e r w r i t i n g i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h ew r i t e r e a dc h a r a c t e r i s t i c sf o rv a r i o u s r e c o r d i n gm e d i ah a v i n gd i f f e r e n tl a y e rs t r u c t u r eb o t h t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y i nt h i sp a p e r , t h em a i ns t u d i e sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w s ： t h e o r e t i c a l l y ，t h eo p t i c a lp r o p e r t i e s o fm u l t i - l a y e r sf i l m sh a v eb e e nc a l c u l a t e d b a s e do nt h ea d m i t t a n c ec h a r a c t e r i s t i cm a t r i x ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft h eo p t i c a lp a r a m e t e r s u c ha sf i l mt h i c k n e s s ，t h er e f r a c r i v i t yo fd i e l e c t r i cl a y e ro nt h ek e r rr o t a t i o na n g l e 吼， r e f l e e r i v i t y rh a v e b e e n i n v e s t i g a t e ds y s t e m a t i c l y a c c o r d i n g l y ，t h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o no f r e c o r d i n g m e d i ai nt h et h e r m o m a g n e t i c a lr e c o r d i n gp r o c e s sa r ec a l c u l a t e d v i ac o m p u t e rs i m u l a t i o n ，a n dt h ed e p e n d e n c eo f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no n t h er e c o r d i n g c o n d i t i o na r ei n v e s t i g a t e d ，f o re x a m p l e ，w r i t i n gp o w e r , p u l s ew u l s ew i d t h ，e n v i r o n m e n t t e m p e r a t u r e ，e t c d e p e n d e n t o nt h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ，t h ed o m a i nd i a m e t e r i s e s t i m a t e d b a s e do nt h ea b o v ec o m p u t a t i o n ，t h e o p t i m u md e s i g n o fm a g n e t o o p t i c a l r e c o r d i n gm e d i a w i t h m u l t i - l a y e rs t r u c t u r ew a s c a r r i e do u t b ya d o p t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m s am e r i tf u n c t i o nfw h i c hi sp r o p o r t i o n a lt os nw a su s e di nt h eo p t i m u md e s i g n a tt h e s a r n et i m et h ei n f l u e n c eo ft h et h e r m o m a g n e t i e a lr e c o r d i n gp r o c e s sw a st a k e ni n t ot h e d e s i g n r e s u l ts h o wt h a tt h eg e n e t i ca l g o r i t h m sh a sa na d v a n t a g eo v e rt h e t r a d i t i o n a l m e t h o d a d d i t i o n a l l y ，w e i n t r o d u c e dt h ee x c h a n g e - c o u p l e d p r o c e s s a n ds t u d i e dt h e r e q i i r e m e n to f t h em a g n e t i cp r o p e r t i e sf o rt h ee a c hm e d i a l a y e ri no r d e rt oi n v e s t i g a t et h e w r i t e - r e a dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ed i r e c to v e r w r i t i n g e x p e r i m e n t a l l y ，i no r d e r t om e a s u r et h er e c o r d i n gp e r f o r m a n c eo ft h em u l t i - l a y e r s m e d i a , t h em o r e c o r d i n g d o m a i nm e a s u r e m e n ta n do b s e r v a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g f i e d u t i l i z i n gt h ek e r re f f e c to n t h eb a s i so ft h ep o l a r i z i n gm i c r o s c o p y i ti sd e p e n d e n to nt h e d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u eb o t h h a r d w a r ea n da l g o r i t h m s w i t hs u c has y s t e m a 1 1 l i 华中理_ t - 大学博士学位论文 e n h a n c e dp i c t u r eo fad o m a i n p a t t e m t h a tw a st a k e nu n d e rd i f f i c u l tc o n d i t i o nd u et op o o r c o n 岫ta n dn o i s ec a nb eo b t a i n e d ，a n dt h em e t h o dc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h e m o r p h o l o g i c c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s o fd o m a i n i nt h e s t u d y o ft h ew r i t e r e a d c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i r e c to v e r w r i t i n g ，b ym e a n so ft h es y s t e m ，t h er a n g eo fw r i t i n g p o w e r a n de r a s ep o w e ra l em e a s u r e d ，a n dt h ed o m a i ni m a g eb o t hd o wd i s ka n dn d o w d i s kh a v eb e e nu s e di na n a l y z i n gt h ee x c h a n g e c o u p l e dc h a r a c t e r i s t i c so fd o w d i s k k e y w o r d s ：m a g n e t o o p t i c a ls t o r a g e ，o p t i m u md e s i g n ，m i c r o s c o p i ci m a g ep r o c e s s i n g ， m a g n e t o o p t i cr e c o r d i n gd o m a i n ，d i r e c to v e r w r i t i n g i i i 华中理工大学博士学位论文 1 1 、引言 第一章绪论 光盘存储方式大致可分为：只读型( c d 、c d r o m ) ，一次写入型( w o r m ) 和可擦重写光盘。其中可擦重写光盘由于具有高密度、可擦写、信息位价格比低、使 用寿命长和可御性等一系列优点，已成为存贮器市场特别是计算机外存储设备的有力 竞争者。 可擦重写光盘根据记录介质的性质主要分为磁光盘和相变光盘。磁光盘利用热 磁效应写入信息，利用磁光克尔效应读取信息。而相变光盘利用激光热效应，实现记 录介质从晶态到非晶态或从非晶态到晶态的转变，从而记录和擦除信息。相变光盘具 有信躁比较高、容易实现直接重写、与c d r o m 兼容等优点，但需要解决材料结晶 速度慢、材料稳定性差、擦写次数较低( 1 0 万次左右) 等问题。目前磁光盘仍为可 擦重写光盘市场中的主流产品，其产品占领了该领域7 5 以上的市场。目前的研究【i - 2 j 是围绕减少存取时间，提高存储密度和数据传输率，降低价格作重大改进。 提高磁光盘的记录密度，其关键技术之一是采用短波长激光器和适应短波长读 写并具有更小记录畴尺寸的磁光记录材料，以及采用高密度记录方式，如区域恒角速 度格式( z c a v ) 和沟底与台面记录等。为了克服高密度带来的道间串扰和码间干扰， 需采用串扰抵销法和磁感应超分辨等技术，以提高读出分辨率。 提高读写速度的关键是缩短平均存取时间。目前的研究方向是发展磁性多层膜 直接重写技术，光盘数传率的提高有赖于位密度和光盘转速的提高。 在磁光存贮中，采用热磁效应写入信息，利用磁光克尔效应读取信息。磁光薄 膜记录磁畴的尺寸大小、磁畴边界的规则性、形状规则性和重现性等与存贮性能的好 坏关系密切，在很大程度上决定了记录密度和读写速度1 3 】。因此，研究记录磁畴特性 是研究磁光存贮系统的重要基础。 1 2 、提高存储密度的相关技术 提高磁光盘的存储容量，无非是要达到两个目的：其一是提高道密度；其二是 要提高位密度。道密度和位密度的提高需要克服由此而加剧的道间窜扰和码间窜扰， 1 华中理工大学博士学位论文 保持足够高的信噪比，由此，必须相应提高记录分辨率和读出分辨率。该论题可以概 括为三个方面：第一是短波长记录介质；第二是用于高分辨读出的磁感应超分辨；第 三是改变信息记录方式。 1 2 1 短波长记录介质 对高密度记录而言，缩短激光束波长是基本方法。被物镜聚焦的光斑有效直径 f w h m = 0 5 5 m n a ，与激光波长九成正比，与物镜数值孔径n a 成反比。如果将九从 7 8 0 n m 降低到4 0 0 - - - 5 0 0 r i m ( 蓝绿光) ，那么磁畴的尺寸将从o 7 _ 加8 u m 降低到0 3 一 o 5 u m ，相当于提高存贮密度4 倍“1 。 为了实现短波长记录，反射率r 和品质因数f 都必须足够大“。品质因数 7 - s 定义为，= r 最，其中馥为磁光k e r r 转角。另外，从垂直磁化( 丘 2 觚f 。2 ) 和临 界记录磁畴尺寸( d 。= 盯。h 。m ，) 的角度”1 ”考虑，记录介质还应有大的垂直磁各 向异性常数屁( 约大于1 06 e r g c s ) ，以使记录磁畴较小，同时又容易形成垂直磁化 膜。为使所形成的磁畴形状良好，要求矫顽力皿较大( 约大于5 k o e ) ，饱和磁化 强度m s 相对较小( 约1 0 0 一2 4 0 e m u c c ) 。 按照上述要求，目前主要有以下几种候选的磁光记录材料，对它们的记录与读 出特性简述如下： 1 p f f c o 系多层膜“2 删 磁光克尔效应随波长缩短而不断增强，它们的。k 约为普通t b f e c o 膜的2 3 倍。 p f f c o 的m s 大，约为3 0 0 4 0 0e m l l ，c c 。但h c 小，约为1 k o e ，这意味着不易形成具 有良好形状的小磁畴，应当采用可使磁畴很好成形的新技术，如使用可限制磁畴形成 的衬底结构。p v c o 系列还存在其它一些问题，如多晶结构带来的噪声、居里温度较 高、不利于磁光写入等。尽管存在这些问题，p v c o 系磁性多层膜仍被视为最有希望 的下一代短波长磁光记录介质之一。 2 稀土过渡族( r e - t m ) 系非晶薄膜的研究 该研究一直是记录材料研究的重点。以t b f e c o 等为代表的重稀土一过渡金属 ( a r e t m ) 三元非晶薄膜，由于h e 大和m s 相对较小，可形成形状很好的小磁畴“”。 2 华中理工大学博士学位论文 另外，在微结构上呈非晶态，不存在晶界噪声，因而有较高的载噪比。但磁光克尔角 岛随蓝绿光波长变短而减小，不利于短波长磁光记录。以s m c o 等为代表的轻稀土一 过渡金属( l r e - t m ) 非晶薄膜，虽然m s 相对较大，形成垂直磁化膜有一定的难度， 但其磁光克尔角随波长缩短不会显著下降，具有良好的读出特性。 在h r e t m 中掺入轻稀土元素或在l r e t m 中掺入重稀土元素制备出重稀土一 轻稀土一过渡族( h r e - l r e t m ) 四元非晶垂直磁化膜“，兼顾了h r e t m 和l r e t m 的特点，具有较高的h c 和m s ，微磁畴形状良好，具有优良的记录特性，同时在短 波长区具有较大的磁光克尔角，具有优良的读出特性，一般本征克尔角可达0 3 。 这种四元薄膜有望成为短波长高密度磁光记录介质。 3 b i 石榴石类的石榴石膜“” 磁光克尔角大，约为普通t b f e c o 膜的2 3 倍，但m s 较大，h c 较小( 约为1 k o e ) ， 不易形成具有良好形状的小磁畴。此外，这种薄膜需作3 0 0 4 0 0 y ：高温退火才能变成 稳定态，这表明它不能使用聚碳酸酯之类的塑料衬底。 1 2 2 磁感应超分辨( m s r ) 技术“8 。1 磁感应超分辨技术能使我们阅读比激光光斑更小的磁畴，所使用的磁光薄膜为 多层耦合膜。例如，对于前孔探测f a d ( f r o n ta p e r t u r ed e t e c t i o n ) ，磁性层由读出 层、开关层和记录层构成。记录层( 如t b f e c o ) 的功能与普通磁光盘的磁膜相同， 以磁畴形式存贮信息，读出层( 如g d f e c o ) 具有通过开关层( 如t b d y f e ) 的交换 耦合力复制记录层磁畴的作用。所以，所记录的信息可通过读出激光光束的照射而从 读出层检出。在三层磁层中，开关层的居里温度最低，它以居里温度控制记录层和读 出层之间的交换耦合能力。 磁感应超分辨是通过掩盖一部份读出层而实现，掩盖由读出激光斑的温度分布 而形成。在室温区范围，由于读出层的矫顽力低于交换耦合力，记录层上的信息通过 交换耦合作用被复制到了读出层；在高于开关层居里温度的区域，开关层的磁性消 失，读出层和记录层之间失去磁耦合，读出层在偏磁场方向被磁化，记录层上所录信 息不能通过读出层上的加热区而再现。换言之，在高于开关层居里温度的区域形成了 掩盖。由于该掩盖减小了记录介质的读出区域，因而有效地改善了光学分辨率，使磁 感应超分辨技术能阅读比光斑更小的磁畴。据报导，在前孔探测中，用九= 7 8 0 n m 华中理工大学博士学位论文 和n a = 0 ，5 3 的光学头，可达到0 3 u r n b i t 的线密度。 y m u r a k a m i 等人还提出了其它磁感应超分辨技术：后孔探测( r a d ) 、中孔探 测( c a d ) 和双罩探测( d m d ) 。 1 2 3 信息记录方式的改变 1 多值记录“”2 多值记录使单盘记录密度成倍增加。在此记录中，利用多层膜中各层磁性膜矫 顽力不同的特性，在调制外磁场的作用下，分别把信息记录在相应的磁性层中。传统 的磁光盘属于平面式记录，在每一位置( x ，y ) 对应着唯一的一个信息，而多值记录 中，在每一位置( x ，y ) 对应着多个信息，属于三维立体记录。多值记录一般用改变 磁畴尺寸的方法实现，需对记录磁畴作精确控制。最近，s h i m a z a k i 等人已提出磁多 值磁光盘，这种盘由二层t b f e c o 层和作为顶盖层的p t c o 层构成，通过4 电平外磁 场的转换进行多值记录。所录数据用4 种不同的不连续电平检出。对高密度记录，这 是一种值得研究的方法，但关键是改善信噪比和提高信号处理性能。 2 脉冲宽度调制( p w m ) “” 目前市场上的磁光盘多采用激光脉冲位置调制法口p m ) 记录信息，以有无磁畴代 表数据“1 ”或“0 ”。为进一步提高记录密度，现正在研究一种新的记录方法一脉冲 宽度调制法( p w m ) 。在p w m 方式中，以磁畴磁化方向的改变来代表记录信息。 当膜面的磁化方向由上转为下时表示数据“1 ”，反之则代表“0 ”。在同样的条件下， 改用p w m 记录方式可以将光盘容量和数传率提高一倍左右，容量超过1 3 g b 的光 盘都采用p w m 记录方式。但p w m 方式对记录磁畴的特性要求较高，能否精确控制 磁畴的形状，尤其是磁畴边界的规则性是决定系统读出性能的关键。 3 台面和沟底记录( g r o o v e a n dl a n dr e c o r d i n g ) 。“ 现行的光盘大都采用连续复合伺服格式，信息记录在伺服沟道的沟底或台面， 采用沟底和台面同时记录可使记录容置增加一倍。 在光斑对台面轨迹扫描时，因相邻槽内有无记录磁畴的影响就会产生探测信号 4 华中理工大学博士学位论文 差，从而形成串扰，沟底与台面记录的应用使得道间串扰加剧。利用道问串扰抵消法 和磁超分辨技术可有效地减少这种串扰，其中，串扰抵消法的使用效果对沟槽深度、 磁畴的尺寸、克尔椭圆率等参数的微小变化很敏感。 4 区域恒角速度格式( z o n e dc o n s t a n tv e l o c i t y ) 。6 当前的6 5 0 m b 磁光盘采用的是恒角速度c a v 格式，这种格式光盘的外道与内 道容量相同，使内逆记录密度大于外道，外道容量损失较大。1 3 g b 以后的光盘一般 都采用分区等位密度技术，在可编程均衡器及频率合成器的技术基础上，采用区域恒 角速度( z c a v ) 格式，充分利用光盘的外道容量，有效地提高了光盘的记录容量。 各种提高磁光存储密度的方法及其对容量的影响( 以提高倍数表示) 如表1 1 所示。 表1 - 1 各种技术对容量的影响 激光波长( r i m ) 7 8 06 7 04 1 0 标记边缘记录1 51 51 5 区域恒角速度z e a v x 1 51 51 5 位密度 1 01 21 9 道密度 1 21 4 2 3 沟底与台阶同时记录 22 2 总体容量提高 5 47 62 0 从表1 1 可以得知，以第一代3 5 英寸1 2 8 m b 的单面磁光盘为例，在现有7 8 0 n m 波长的激光器条件下，利用区域恒角速度、高分辨读出方式等相关技术，可使容量从 1 2 8 m b 提高到7 0 0 m b ；如果采用4 1 0 n m 的短波长激光器，容量将提高到原来的2 0 倍即2 5 g b 。 1 3 、提高磁光盘存储速度的相关技术 光盘存取时间长是与磁盘竞争的最大缺陷，最根本的改进是实现光盘的直接重 写”1 “，它使磁光盘完成一次擦除写入操作所需要的盘片旋转圈数，由原来的三次 减少到了一次，大大缩短了记录存取时间。直接重写技术可采用两种方式实现：光强 华中理工大学博士学位论文 调制和磁场调制。 磁场调制中，根据数据进行调制的是记录磁场，而激光一般以恒定的强度持续 照射介质。其记录原理与传统磁记录相似，只不过是激光热效应作用下的磁记录。记 录位密度可达3 3b i t s u m ，不受激光点的限制。提高数传率的主要限制是磁场切换频 率。在盘片结构上，采用传统的m o 介质，结构与第一代光盘相同，只是在盘片的 背面涂有保护层，允许小型磁头与m o 介质保持足够小的距离，以提供足够大的磁 场。这种m o 盘一般限制为单面，有碍整盘容量的提高。磁场调制的一个典型特点 是：磁畴长度方向的磁化反转位置( 边界) ，取决于磁场的反转位置，与由温度分布 决定反转位置的记录方式相比，克服了由于热扩散原因而导致的边界位置的波动，特 别适合于p w m 记录方式。可将窄脉冲激光与磁场调制直接重写结合起来，同步作用 于介质，并采用p w m 记录方式。在激光能量利用率提高的同时，获得了较陡的温度 梯度，使形成的记录畴边界清晰，记录畴之间无热干扰。 光强调制( l i g h ti n t e n s i t ym o d u l a t i o nd i r e c to v e r w r i t el i m d o w ) 中根据数据进 行调制的是激光的强度，并辅以外加直流偏磁场。盘片结构上必须采用多层膜结构， 至少包括磁特性不同的两个以上的磁性层，采用激光功率一磁性层温度一层间交换耦 合磁力的调整机制实现直接重写。详细描述参见本文第五章。 光强调制直接重写双面可写，且激光功率可高频调制，容量大，数传率高，可 靠性好。但由于是多层耦合膜结构，层间交换耦合作用要求严格，介质制作工艺较复 杂，尚须解决批量生产的问题。 光学头可动部分的质量和尺寸在很大程度上影响着数据的存储速度。光学头设 计的最新技术包括“”：增大转速，使用单片非球面塑料物镜，向集成化光学头、光 纤光学头的方向发展。 1 提高数据存取速度的其他技术还包括直接寻道技术“”、并行数据存储技术等， 其中，直接寻道技术是将普通驱动器中粗寻道和精细寻道两步过程改进为一步到位， 但需要解决跟踪伺服线性范围窄的问题。而并行数据存储技术则是采用激光阵列进行 多通道并行记录和读出数据，r y o i c h ia r a i 等人报道了采用二极管阵n j k 光束存储 系统的研究结果，实验结果表明，数据传输率达到了3 0 0 m b s 以上。 1 4 、磁光记录畴形成的理论研究 热磁写入过程中，在激光束、偏磁场与记录介质的相互作用下，形成了磁化方 向垂直于膜面的磁光记录畴。围绕着记录畴的形成，人们在理论上已做了和正在做深 6 7 华中理工大学博士学位论文 入的探讨。例如，记录畴的微观结构；磁畴壁在照射微区升温和降温过程中的运动； 记录膜中温度的横向和纵向分布；温度的梯度分布对磁光记录畴形成的影响：多层膜 中交换耦合作用的影响等。 磁光记录膜的一个重要性质是具有垂直磁各向异性，记录畴的磁化方向垂直于 膜面。垂直磁各向异性的起源一直是磁光存储理论研究的热点。它与材料的组成成 份、制备方法、制备条件、膜层结构等有关。 目前研究方法主要包括：用数值计算方法对磁光记录的微观过程进行模拟计 算；用偏光显微镜、磁力显微镜、洛仑兹显微镜等各种高分辩率的显微镜直接观察磁 光记录畴的微观结构。 1 4 1 温度场分布的模拟计算“”1 激光束经过聚焦后在膜面上形成的光点尺寸很小，磁光记录过程中光照微区的温 度分布很难进行直接测试，因此，一般都是根据一定的记录介质和记录条件，采用数 值计算方法进行模拟计算。b j b a r t h o l o m e n u s z 运用拉普拉斯和傅里叶积分方法计 算了r e t m 记录层中的温度分布，并与实验结果进行了比较，两者符合得较好。m o t o k o h a s e g a w a 等人则报道了利用l a n d o w l i f s h i t z 方程计算磁光记录中磁畴形成的动 态过程。他们发现，记录光束的半径对记录过程有很大的影响。 c l i n e 等运用格林函数计算了单层膜和连续激光记录条件下的温度分布。 m a n s u r i p u r 等先后计算了静态和动态记录过程中，多层膜介质中的温度分布。 h m h o l t s l a g 在求解热传导方程中，采用了一些合理的近似处理，给出了多层膜的 温度分布的解析解，虽然误差较大。但作为定性分析比较方便。 对磁光记录过程中温度分布进行模拟计算的求解方法虽然各不相同，但出发点 都是热传导方程。所不同的是：针对不同的记录介质和记录条件，提出了不同的边界 条件。 1 4 2 垂直各向异性和磁光效应机理”“” 柱状记录磁畴的磁化方向垂直于介质表面。其正反两个不同的方向被用来表征二 进制中的“0 ”和“1 ”。 ， 对于垂直磁各向异性的起源，部分学者认为，磁光介质的结构各向异性造成了其 垂直磁各向异性。r e t m 磁性膜的单轴垂直各向异性的起源归因于：配对理论、单 7 华中理工大学博士学位论文 离子各向异性、柱状生长、极化作用和应力。v g h a r r i s 等人则认为垂直磁各向异 性与t b - - t b 、f e - - f e 及t b - - f e 近邻关联对相关。而且t b - - t b 和f e f e 近邻关联对 在磁光膜面内占主导地位；而t b f e 近邻关联对则在垂直膜面的方向占主导地位。 y a s u t a r ou e s a k a 等人对测量垂真磁各向异性磁场的方法进行了模拟计算。 r e - t m 薄膜的磁光效应主要来自稀土元素的d f 跃迁和过渡金属元素的d - d 跃 迁。d f 跃迁在可见和红外波段产生磁光效应，吼的大小直接与自旋轨道耦合、自旋 极化、振子强度、态密度等基本量相互作用所产生的介电常数张量的非对角项有关。 1 4 3 影响记录磁畴尺寸和形状的有关因素”“ 关于记录畴尺寸和形状的控制，对于不同的调制方式应采用不同的技术。对于 光强调制记录方式，为了形成小磁畴，峰值温度分布将通过缩短脉冲宽度和增大脉冲 幅度从而产生大量瞬时能量而变陡。较高功率的窄脉冲有较高的能量利用率，加温过 程中的径向热扩散较小，这时，膜面径向温度分布基本上与入射光班的强度分布重 合。所以，采用窄脉冲记录不仅可以提高能量利用率，还有利于提高记录密度。据报 导，在波长为6 8 5 n m 和n a = 0 5 5 4 条件下，磁畴尺寸( 标记长度) 可以达到0 3 9 u m 数 量级。 磁畴的形成遵循磁畴能量最小准则”“，磁畴形状和大小可以通过h u t h 模型 6 4 】 分析和估算。该模型的分析精度较高，但涉及的参数较多，运算过程复杂。 近年来的研究中，人们多采用热阈值模型“”( t h e r m a l l yt h r e s h o l d i n gm o d e l ) 对 磁畴形状和大小作近似分析。该模型的主要思想如下： 记录膜中温度高予或等于瓦的区域形成磁畴，磁畴形状由温度等于的等温线 决定死满足如下关系式： 日。，+ 日。( ) + 日。( 瓦) = 日。( 瓦) 其中，日。：外偏置磁场强度；日。：退磁场强度；日。：与畴壁能有关的有效 场强；日，：介质矫顽力。该模型使用方便，在不对磁畴形状作精细分析时，目前多 采用它分析和计算磁畴形状和大小。 磁光记录新技术中，如标记边沿记录方式，要求对记录畴的长度、宽度及形貌 作精确的控制。磁畴形状的不规则性和非对称性将造成读出信号抖动，这是导致系统 误码的重要原因之一。m t a k a h a s h i 等利用热传导方程计算了磁光盘在不同动态记录 条件下的记录畴形状。结果表明：记录磁畴形状与脉冲长短关系密切。光脉冲较窄时 r 华中理工大学博士学位论文 ( 4 0 0 n s ) 时，磁畴呈现头尖尾宽的泪滴 状( t e a r d r o p l i k e ) 。他们的模拟计算结果基本上与实验观察结果相符合。 s y o n e z a w a 等报道了在磁场调制方式的直接重写过程中，分别采用脉冲光和 连续光照射下的模拟计算结果。主要分析了脉冲宽度、频率等对记录畴形貌的影响。 结果表明：磁畴形状与调制方式有关，在磁场调制直接重写方式中，磁畴形状呈月牙 形。另外，采用脉冲光记录可以获得相对均匀和稳定的记录畴。t w m c d a n i e l 等计 算了在小功率读出光束的作用下，t b f e c o 磁光记录介质磁畴的热稳定性。 磁畴形状及其稳定性与外偏置磁场强度和材料组分也有一定关系。除此之外， 在盘片中加入热沉层有利于在记录密度较高时避免磁畴的边界位置产生较大偏移。 1 5 、磁光记录磁畴的观测方法。”3 磁畴是磁光记录中信息的物理载体，是磁光记录材料最基本的特点之一，观察 磁畴不但可以说明某种磁畴形貌产生的原因，更重要的是有助于讨论磁光记录材料的 记录和读出特性。由于磁光记录磁畴一般没有表面形貌的变化，因此不能用普通显微 镜进行观察。另外，当前用于磁光存储的材料均为垂直磁化方向记录，即记录畴的磁 化方向垂直于膜面。由此可知。要观察磁光记录畴必须采用对垂直磁各向异性敏感的 显微镜，如偏光显微镜、磁力显微镜、洛仑兹显微镜等。 s a e n z 等对磁力显微镜的理论作了阐述，并用它对磁光记录磁畴进行了观察。他 们发现显微镜探针对磁力图有很大的影响。m a n a l i s 等提出了用磁力显微镜测试磁光 介质矫顽力的方法。一般的磁力显微镜的磁力图只能表示磁力的有无，而不能表示磁 力的大小，但m a r t i n 等报道了用磁力显微镜获得定量磁力图的方法。 g r e i d a n u s 等则用洛仑兹电子显微镜，在g d t b f e 磁光记录介中观察到了0 2 5 u m 的记录畴。 k o h a s h i 等利用自旋偏振化扫描电子显微镜( p s e m ) 观察了t b f e c o 介质中的记录 磁畴，并研究了记录功率对记录畴形貌和大小的影响。观察结果表明：记录畴的大小 随功率的增大而增大；台阶与沟槽的边界具有阻止记录畴扩张的作用。这对台阶和沟 槽同时记录的方式十分有利，因为这种作用可以减小台阶和沟槽之间的串扰。 虽然磁力显微镜、洛仑兹电子显微镜等在分辨率、精细结构的测量方面占优势， 但对于很多研究者来说，经常需要的是在试验室条件下，现场制备大量的薄膜样品， 现场记录和现场定点观测。另外，磁光记录畴壁的运动对记录和擦除过程都很重要， 为了直接观察畴壁的运动过程，需要记录和观察同时进行，即实时观察。从定位和实 9 华中理工大学博士学位论文 时性考虑，磁力显微镜和洛仑兹显微镜显然无法满足这一要求。u h a r t m a n n 等最先 报道了基于偏光显微镜的磁畴观察方法。m a n nd u 等人则在偏光显微镜的基础上配以 高速摄影装置，在接近居里温度时，直接观察到了g d t b f e 介质的畴壁运动。虽然放 大倍数有限，分辨率较低，很难获得磁畴的精细结构，但由于这一方法所固有的特点， 加上光学元器件和图象处理软硬件的高速发展，目前国内外不少学者仍然在研究和使 用偏光显微镜观察磁光记录畴。 1 6 、显微图象的的计算机辅助测试和分析咖1 7 通过偏光显微镜的目镜观察，对记录畴的大小、形貌进行人工测量和判读，这 种方法既费工费时、操作复杂，而且精度不高，许多定量化的特征参数难以得到，使 得图象分析停留在定性的水平上。 显微图象的计算机辅助测试和分析系统的建立，可以带来以下几个优点： 提高分析和测量的速度和精度 特征的提取和分析定量化，避免了人- r n 读中存在的模糊性。 扩大了测量和分析的范围。 近年来，数字图象处理在材料科学中获得了广泛的应用，在磁光记录畴方面也 有不少实用化的系统被报导。系统的功能各不相同，视研究对象而异，但基本构成是 相同的，主要包括五个部分： 显微镜( 大都采用偏光显微镜) 和附属光路。 摄像机：如视象管、c c d 等。 计算机 图象处理设备，包括图象帧存贮器、图象显示器等。 应用软件包：具有一定的针对性和专用性，对不同的处理观察对象，其分析和处 理软件包是不同的，这是显微图象处理系统中最重要的工作。 这些系统在一定程度上提高了分析的速度和精度，使部分特征得到了定量化， 如磁畴的有效直径和椭圆率等。但是，数字图象处理技术在软硬件方面都取得了长足 的进步，同时，磁光存贮技术的快速发展在多方面对磁光记录畴的观测和分析提出了 更新、更多和更高的要求。为了满足这些要求，我们必须借鉴这些系统的测量原理和 设计思想，并在此基础上做出应有的改进。 多层薄膜磁光盘结构是目前商品化磁光盘的主流结构，其中的反射层一般都是 不透光的金属铝膜。为研究直接重写技术和磁超分辨读出技术，必须观测多层耦合膜 1 0 华中理工大学博士学位论文 的记录畴。利用光束透过磁性薄膜产生的法拉第效应进行观测的传统方法，遇到了无 法克服的困难。 磁畴图象是通过摄像机从偏光显微镜得到的，对其观察存在碡个困难：一是由 于光照不均匀以及膜面上微缺陷等形成的噪声影响；二是由于磁性层的极向k e r r 转 角一般都较小，依赖克尔效应所产生的光强明暗差别不明显。所以，记录磁畴与其背 景的灰度差很小。 考虑到记录畴的上述成像特点，图象处理中首先必须实现的是要将畴图象从背 景图象中分离出来，准确地提取待进一步处理的畴图象。采用何种算法进行去噪声、 边缘检测、图象二值化等，是处理过程的关键所在。 另外，局部或整体的特征参数的定义和提取、记录激光功率和脉冲宽度( n s 级) 的准确控制、j b j j n 偏置磁场的驱动和控制、磁场和记录光束的同步、记录点的准确定 位等都是需要同时解决的问题。 1 7 、本文研究的主要内容及意义 磁光记录技术发展到今天，无论是存取速度的提高还是记录密度的增大，多层 膜结构特别是包含多种磁性膜在内的多层膜磁光盘，在理论分析和产品化方面都有着 非常重要的价值。磁光记录畴是磁光盘信息的基本物理载体，它的尺寸大小和形貌特 征，在磁光记录新技术中，起着越来越重要的作用，对存取速度和记录密度都有直接 的影响。 本文基于上述认识，结合“磁光盘光调制直接重写关键技术”( 国家科委9 6 一 e 0 1 一0 3 一0 1 ) 的课题，以计算机数值计算、图象处理技术等为手段，在记录层温度 场分布的计算、多层膜的磁光特性计算、膜层匹配、磁光记录磁畴的观测等方面，从 理论分析到实验测试，在前人的基础上做了一些较为系统的研究。为提高磁光盘的记 录密度和改善读出性能提供了一定的参考依据。各章包括的主要内容如下： 第一章绪论 通过大量的文献阅读和研究，论述了磁光记录的基本原理、磁光存储技术的相 关理论研究、提高存取速度和记录密度的新技术和新思想。 第二章多层结构磁光薄膜记录特性的理论研究 分析了多层结构磁光记录介质的光学耦合特性；采用数值计算方法求解了多层 结构磁光记录介质的热传导方程，估算了多种记录条件下磁光记录畴的尺寸大小，结 合热磁记录和k e r r 信号读出这两个物理过程，通过遗传优化算法进行了膜层匹配的 华中理2 - - 大学博士学位论文 研究。 第三章磁光记录畴图像观测系统设计 在偏光显微镜的基础上，利用磁光克尔效应，设计了一套适合多层结构磁光盘 的反射式磁光记录和磁畴图象观测系统。 第四章磁畴图象的计算机辅助观测 利用现代数字图象处理技术，包括硬件和软件技术，在很低的对比度条件下准 确地提取了记录畴图象，给出了记录畴特征参数的定义和计算方法。 第五章光调制直接重写磁光记录技术的实验研究 从理论上分析了实现光调制直接重写的方法，多层耦合膜的各功能层作用与结 构，对相关参数进行了系统测试，观察了普通磁光盘和直接重写磁光盘的记录畴。 第六章总结 对全文的工作进彳亍了总结。 本文的研究工作得到国家重点科技攻关项目“磁光盘光调制直接重写关键技 术”( 国家科委9 6 一e 0 1 - 0 3 - 0 1 ) 的资助。 1 2 华中理工大学博士学位论文 第二章多层结构磁光薄膜记录特性的理论研究 2 1 、引言 对于磁光存储，主要包括热磁写入和k e r r 信号读出两个物理过程。记录介质在 聚焦激光束的照射下，受热微区迅速升温至居里点( 也可以是补偿点) ，使其矫顽力 迅速下降，因此在一较小的外加偏磁场作用下就可以使微区的磁化方向按外磁场方向 取向。激光照射结束后，微区温度迅速下降，而磁化方向保持不变，同时矫顽力迅速 增大，从而形成了记录磁畴。磁化方向垂直于膜面、方向相反的两种柱形磁畴分别代 表数据“0 ”和“l ”。这就是磁光存储中的热磁写入过程。信息的读出是利用磁光效 应中的极向克尔效应。当线性偏振光入射到垂直磁化膜上时，反射光束将变为椭圆偏 振光，而且相对于入射光束，其偏振面会发生与介质的磁化强度m 方向有关的旋转， 顺时针或逆时针方向转过一角度，此即k e r r 转角以。 由于r e t m 磁光薄膜的本征k e r r 角很小，而且具有较强的表面反射，使其信 嗓比小、灵敏度低，实用化的磁光盘都需要通过多层膜结构进行磁光k e r r 效应增强 1 4 2 - 1 4 3 。为了达到这一目的，需要研究膜层参数对热磁写入和磁光读出两个物理过程 的影响。 膜层参数对热磁写入的影响反映在磁光薄膜表面的温度分布上。照射微区的温 度高低决定了磁化所需的外加偏置磁场的大小，其分布决定了记录磁畴的形貌。从中 我们可以知道，照射区的温度分布对磁畴的形成有着重要的意义。本文尝试用交换方 向差分法，直接求出记录介质的温度场分布。在此基础上，评价膜层参数对记录畴大 小的影响。 膜层参数对读出过程的影响主要反映在k e r r 转角口女和反射率月上。由膜层参 数计算8 t 和r ，前人己作了大量的工作”7 1 1 。本文采用光学薄膜的特征矩阵来计算 目和r ，并讨论膜层参数如折射率、厚度等对目女和r 的影响。 多层膜结构不是各膜层的简单堆积，而是一个有机的组合，这意味着必须进行 膜层的优化匹配。传统的方法有“穷尽法”、“统计实验法”等“”1 ”1 ，存在运行速 度慢、搜索范围窄、容易形成局部优化等问题。本文采用遗传算法有效地解决了上述 这些问题，取得了令人满意