（分析化学专业论文）纳米晶与纳米阵列的制备及磁学特性研究.pdf

查苎兰二望鉴竺堕主塑查 苎墨 摘要 由于磁性纳米材料所具有的优异性能，它对于开发新代超高信息磁存储量 子磁盘具有重要的理论意义和潜在的应用前景。未来的趋势，磁性材料的制造技 术将进入一个纳米时代。本文综述了磁性纳米材料的最新进展，采用化学方法合 成了两种不同类型的磁性纳米材料，并对其磁学性质进行了深入的研究，主要内 容如下： 1 采用液相法制各了单分散且粒子尺寸可控的c o 纳米晶。通过调节反应时 间，反应温度和表面活性剂的比例等反应条件，可以实现对纳米粒子的尺寸可控 生长。一般情况下，纳米粒子的尺寸随着反应时间的延长而增加；不同性质表面 活性剂的比例可以控制纳米粒子的生长速度进而也控制其尺寸。本文利用具有较 大空间位阻的三苯基膦以及长链油酸作为表面活性荆，合成出稳定性好，具有 b - m n 相立方对称结构的单分散、粒径均一的磁性c o 纳米晶。 2 用自组装的方法得到二维( 2 d ) 和三维( 3 d ) c o 纳米粒子的有序阵列， 利用透射显微镜研究了粒径、温度、有机溶剂以及浓度对c o 纳米粒子的自组装 的影响。c o 纳米晶的2 d 和3 d 的有序阵列是以六方堆积结构存在，第二层的粒子 以六边形排列。有序阵列的形成是诸如溶剂的蒸发速度，粗糙的表面形貌，以及 基地表面的缺陷等共同作用的结果。在用自组装方法排列纳米粒子时，由于上述 几种因素的作用，溶剂挥发后纳米粒子就能“自发地”进行有序排列。通常，如果 粒子的粒径足够小( 1 0 r i m 左右) 、溶液浓度接近1 ，这种“自发”行为就会发生。 3 研究了锚纳米粒子磁学特性，磁滞回线表明其具有明显的铁磁性特征， 但其矫顽力h e 为9 0 0 0 e ，剩磁比m r m s 为0 3 0 ，均小于块体钴的相关值。按照z f c 测试方法用s q u i d 对平均粒径为8 r i m 的钻纳米粒子的闭锁温度n 作了测试，发现 在9 2 k 时钴纳米粒子由铁磁性向超顺磁转变，其中闭锁温度的宽化可能是由于在 紧密堆积的粒子间存在静磁藕合作用。并对磁性纳米粒子在超高密度磁记录材料 的应用进行了探讨。 苏轶砷兰州大学博士学位论文摘要 4 采用双脉冲直流沉积技术，在阳极氧化铝( a a o ) 模板中合成了c o p t p t 、 c o p t 多层纳米线阵列，研究了合金成分、单层厚度、热处理等对阵列膜磁性的 影响；首次发现c o p t p t 、c o p t 纳米线具有竹节状的结构，通过改变c o 和p t 层厚度，阵列膜的各向异性得到一定改变，这种阵列膜有望在高密度磁光存储上 有很好的应用。 5 采用电化学沉积方法成功地制备出c o p t 合金纳米线阵列膜。形貌和物象 分析表明，模板中的纳米线均匀有序，彼此独立，相互平行。当外加磁场与c o p t 纳米线的线轴方向一致时，h c = 2 4 0 0 0 e ，m r m s = o 7 5 ，适合用作高密度垂直磁 记录介质。 6 结合微磁学及最新文献报道，对c o p t 合金纳米阵列的磁化反转机理进行 了详尽的探讨。一致反转模式和卷曲反转模式属于非局域化模式，然而，由于纳 米线多为多晶组成，存在各种磁混乱及局域化磁性核，即使对于无限长纳米线， 局域化磁性核的形成将导致形成一定的能垒继而改变磁化反转机制，局域化成核 反转能够比较合理地解释纳米线阵列的垂直磁性。 关键词：钴纳米晶自组装超顺磁性磁性纳米线阵列电化学沉积 多孔阳极氧化铝垂直磁记录 苏轶坤兰州大学博士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t d u et ot h ee x t r a o r d i n a r yp e r f o r m a n c e ，m a g n e t i cn a n o m a t e r i a l sh a v et h e h u g e p o t e n t i a la p p l i c a t i o no nh i g h l yd e n s i t ym a g n e t i cr e c o r d i n g ，h i g h l yd e n s i t yd i o d ea n d f i e l de m i s s i o nm a t e r i a l t h em a n u f a c t u r eo fm a g n e t i cm a t e r i a lw i l l g oi n t o r u a i r l o e p o c h i nn e a rf u t u r e i nt h i st h e s i s ，w er e v i e w e dt h el a t e s td e v e l o p m e n ti nr e s e a r c ho f m a g n e t i cn a n o m a t e r i a l s ，c h e m i c a l l ys y n t h e s i z e d t w ok i n d so f p o t e n t i a l l l a n o m a g n e t i cm a t e r i a li nh i g h l yd e n s i t ym a g n e t i cr e c o r d i n ga n di n v e s t i g a t e dt h e i r m a g n e t i cp r o p e r t i e s t h em a i n r e s u l t sa a sf o l l o w s ： 1 m o n o d i s p e r s ec o b a l tn a n o p a r t i c l e s ( n p s ) a r es y n t h e s i z e db yh i g h - t e m p e r a t u r e r e d u c t i o no fs o l u t i o n - p h a s ec o b a l tc h l o r i d ei nt h ep r e s e n c eo fap a i ro f s u r f a c t a n t s ， o l e i ea c i da n d t d p h e n y l p h o s p h i n e t h es y s t e m a t i ca d j u s t m e n t o ft h er e a c t i o n c o n d i t i o n - - t i m e ，t e m p e r a t u r e ，c o n c e n t r a t i o n a n d c h e m i s t r y o f r e a g e n t s a n d s u r f a c e s - - - c a nb eu s e dt oc o n t r o ln ps i z ea n dt h u sp r e p a r eas e r i e so f n p s a m p l e s i n g e n e r a l ，n a n o c r y s t a l ( n c ) s i z e i n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n g r e a c t i o nt i m e ，a sm o r e m a t e r i a la d d st on c s u r f a c e s ，a n dw i t hi n c r e a s i n gt e m p e r a t u r e ，a st h er a t eo fa d d i t i o n o fm a t e r i a lt ot h ee x i t i n gn u c l e ii n c r e a s e s a ne f f e c t i v es t r a t e g yi n v o l v e su s i n gap a i r o fs u r f a c ea g e n t so fw h i c ho n eb i n d st i g h t l yt ot h en c s u r f a c e ，h i n d i n gg r o w t h ，a n d t h eo t h e ri sl e s s t i g h t l yb o u n d ，p e r r m t a n gr a p i dg r o w t h f o re x a m p l e ，j u d i c i o u s a d j u s t m e n to f t h er a t i oo f c a r b o x y l i ca c i d ( t i g h t l yb o u n d ) a n da t k y l p h o s p h i n e ( w e a k l y b o u n d ) s t a b i l i z e r sa l l o w st h eg r o w t hr a t ea n dt h e r e f o r et h es i z e o ft h en c st ob e e o n t r o l t e d 2t h e m o n o d i s p e r s e c o b a l tn a n o c r y s t a l sc a nb ea s s e m b l e dt of o r mat w od i m e n s i o n a l h e x a g o n a l c l o s e p a c k e d s t r u c t u r e t h ei n f l u e n c eo ft h es i z eo fn a n o p a r t i c l e s ， e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e ，o r g a n i cs o l v e n t ，a n dc o n c e n t r a t i o no nt h ef o r m a t i o no f t h e c o b a l t n a n o p a r t i c l e sa r r a y i ss t u d i e d b y t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p y a n d u l t r a v i o l e ta b s o r p t i o n t h e2 da n d3 da s s e m b l i e so ft h ec o b a l tn p sa r eh e x a g o n a l s t a c k i n gs t r u c t u r e s ，a n dt h ep a r t i c l e si nt h es e c o n dl a y e ro c c u p yt h es i t e so ft h e 苏轶坤兰州大学博士学位论文 h e x a g o n a la r r a n g e m e n t s t h e ya r eu s u a l l ys e p a r a t e db yd o m a i nb o u n d a r i e sr e s u l t i n g f r o mt h es o l v e n te v a p o r a t i o nr a t e ，t h er o u g hs u r f a c em o r p h o l o g ya n dt h ed e f e c t so n t h es u r f a c eo ft h es u b s t r a t e w h e nt h es o l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni sn e a r l y1 t h ec o b a l t n p sa l es e l f - a s s e m b l e di n t ow e l l d e f i n e da n de x t e n d e d2 d s u p e r l a t t i c e s 3w e i n v e s t i g a t em v s h h y s t e r e s i sl o o p sf o rc on c s m a g n e t i cp r o p e r t i e so ft h e 8 - n mc o b a l tn a n o p a r t i c l e sa l em e a s u r e d b ys q u i du s i n g as t a n d a r da i r l e s s p r o c e d u r e t h e m a g n e t i z a t i o n a saf i m c t i o no f t h et e m p e r a t u r ei na1 0 0 ef i e l db e t w e e n5a n d3 0 0 kd e t e r m i n e st h eb l o c k i n gt e m p e r a t u r eu s i n gaz e r o - f i e l dc o o l i n g ( z f c ) p r o c e d u r e f r o mt h ec o n c r e t em e a s u r e m e n td a t a , t h eb l o c k i n gt e m p e r a t u r e ( 乃) i s 9 2 k t h e b r o a dt r a n s i t i o nf r o ms u p e r p a r a m a g n e t i s mt of e r r o m a g n e t i s ma r o u n d 。9 2 ki s p r o b a b l y d u et ot h em a g n e t o s t a t i cp a r t i c l ei n t e r a c t i o n si nt h ec l o s e - p a c k e da r r a y s 4w ef a b r i c a t ec o p t 、c o p t p tm u l t i l a y e rn a n o w i r ea r r a y sb y t w o - p u l s et e c h n i q u ea n d r e s e a r c ht h e m a g n e t i cp r o p e r t i e sv s a l l o yc o n t e n t ，s i n g l el a y e r t h i c k n e s sa n d a n n e a l i n ge f f e c t s t h er e s u l ti st h a tc o p tn a n o w i r e h a sb a m b o o - l i k es t r u c t u r ea n dt h e m a g n e t i ca n i s o t r o p yc h a n g er a p i d l y w i t hc oo rp t l a y e rc h a n g e w e d r a wt h e c o n c l u s i o nt h a tc o p t p tm u l t i l a y e rn a n o w i r ei so fg r e a tp o t e n t i a la p p l i c a t i o nf o rh i g h d e n s i t ym a g n e t o - r e c o r d i n g m e d i a 5w ea l s of a b r i c a t ec o p tn a n o w i r ea r r a y si nt h en a n o p o m n sa n o d i ca l u m i n u mo x i d e ( a a o ) t e m p l a t eb ye l e c t m d e p o s i t i o nt e c h n i q u e t h e r e s u l t so ft e ma n dx r d i n d i c a t et h a tt h en a n o w i r e so ft h ea r r a y sa r eu n i f o r m ，w e l li s o l a t e da n dp a r a l l e lt oo n e a n o 也e r w h e nt h eo r i e n t a t i o no ft h ea p p l i e df i e l di sc o n s i s t e n t 、i t ht h ea x i so f t h e n a n o w i r e s h c i sa sh i 【g ha s2 4 0 0 0 ea n dm r ，m si s0 7 5 s u c hm e s a h a sp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n o n h i g h - d e n s i t yp e r p e n d i c u l a rr e c o r d i n g m e d i a - 6w ed i s c u s st h em a g n e t i cr e v e r s a lm e c h a n i s mo fs u c hm e d i a i nd e t a i lb yc o m b i n i n g t h em i c r o m a g n e t i c sa n dt h er e c e n tr e f e r e n c e c o h e r e n t r o t a t i o na n dc u r l i n gm o d e s a l e d e l o c a l i z e d h o w e v e r , b e c a u s e t h em i c r o s t r u c t u r e so fm o s t n a n o w i r e sa r c i 7 苎苎! 兰盟查兰苎主芏堡垒圭 兰坐! ! 坠 p o l y c r y s t a l l i n e a n de v e ni na ni n f i n i t e l yl o n g c y l i n d e r , t h e r ea r es m a l lm a g n e t i z a t l o n c o n f u s i o na n dl o c a l i z e dm a g n e t i cn u c l e a t i o n t h ef o r m a t i o no fl o c a l i z e dm a g n e t i c 肌c l e a t i o nr e s u l t si na n df o r m saf i n i t ee n e r g yb a r r i e r ，s o t h en u c l e a t i o np o c e 8 s d o m i n a t e sm a g n e t i z a t i o n r e v e r s a lp r o c e s sl o c a l i z e dm a g n e t i z a t i o n r e 。e r s a l 。a nm o 。 r a t i o n a l l ye x p l a i n t h e p e r p e n d i c u l a rm a g n e t i cp r o p e r t i e s i nt h en a n o w l r e8 m y s k e y w o r d s ：c o b a l t n a n o c r y s t a l s s e l f - a s s e m b l y , s u p e r p a r a m a g n e t i s m ，n a n o 。a r r a y s ， p o m l l s 趾o d i ca l u m i n u m , h i 咖d e n s i t y m a g n e t i c r e c o r d i n g , e l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o n 苏轶坤兰州失擎博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纳米材料及纳米技术综述 1 1 1 纳米科技的进展和趋势 美国科学家a r m s t r o n g 说：“正像二十世纪7 0 年代微电子技术产生了信息革 命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”我国著名科学家钱学 森也预言：“纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是次 技术革命，从而将是二十一世纪又一次产业革命【i 】。”纳米新科技是物理、化学、 生物、材料、电子等多种学科交叉汇合点，其将成为二十世纪科学的前沿和主 导科学。 我们知道，以原子为单元的有序阵列可以形成为有自身特点，相对独立的一 个新的分支科学。所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构 筑或营造一种新的体系，它包括一维的、二维的、三维的体系。这些物质单元包 括纳米微粒、稳定的团簇或人造超原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸 的孔洞【2 】。 纵观纳米材料发展的历史，大致可以划分为三个阶段f 3 1 。第一阶段( 1 9 9 0 年 以前) 主要是在实验室探索用各种手段制备各种纳米粉体材料，合成块体( 包括 薄膜) ，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能，研究 的对象一般局限在单一材料和单相材料。第二阶段( 1 9 9 4 年前) 研究的重点是如 何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。 通常采用纳米微粒与纳米微粒复合( o 0 复合) ，纳米微粒与常规块体复合( 0 3 复合) 及发展复合纳米薄膜( o 2 复合) 。这一阶段纳米复合材料的合成及物性 的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段( 1 9 9 4 年至今) 研究的重点 是纳米组装体系、人工组装合成纳米结构材料，或者成为纳米尺度的图案材料。 第三阶段研究的特点是强调按人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有 目的地使该体系具有人们所希望的特性。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米 丝、纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系， 其中包括纳米阵列体系、介孔组装体系和薄膜镶嵌体系。例如，人们可以通过s t m 苏轶坤兰州大学博士学住论文 第一章绪论 操纵原子，把纳米微粒整齐的排列。美国加利福尼亚大学洛仑兹伯克力国家实验 室的科学家在n a t u r e 杂志上发表论文，指出纳米尺度的图案材料是现代材料化学 和物理学的重要前沿课题。可见纳米结构的组装体系很可能成为纳米材料的前沿 主导方向。 纳米新材料对我国传统产业改造与升级有着关键作用。同时日本科学家也认 为，纳米技术是一项主要的基础技术，由此发展起来的纳米信息、纳米生物、纳 米材料等将对未来世界产生不可估量的影响【4 j 。如今纳米科技已逐步走向市场， 据不完全统计，2 0 0 0 年全球纳米技术创造的产值达3 7 5 0 亿美元，预计到2 0 1 0 年全 世界纳米技术创造的年产值将达1 4 4 万亿美元。预计不久的将来，纳米科技将深 入到各行各业乃至千家万户，并将成为今后二三十年科技发展的主导技术。随着 科技的发展，纳米科技将日益受到人们的重视，纳米技术的的应用领域将不断拓 展，并将产生革命性的变革。 1 1 2 纳米科技在磁学中的地位 我们知道，当材料的尺度步入纳米后，由于其特殊的物理结构而出现一系列 的现象和效应，如量子尺寸效应、小尺寸效应1 5 】、表面效应【6 一、宏观量子隧道 效应1 9 、库仑堵塞效应【1 0 1 以及介电限域效应。由于纳米材料出现以上与块体材料 不同的效应和现象，使得它们在磁、光、传感等方面呈现出与常规材料不同的特 性。因此纳米尺度材料在高密度磁存储、电子材料、光学材料、高致密度材料的 烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。 纳米材料在磁学领域中的应用主要体现在以下几个方面： f 1 1 巨磁电阻( g m r ) 及其应用 巨磁电阻效应是近1 0 年来发现的新现象。所谓磁电阻是指电阻在一定的外 加磁场下变大或变小的现象，一般磁性金属和合金都有磁电阻现象。巨磁阻是指 在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁 电阻数值约高1 0 余倍。1 9 8 6 年德国的c d n b e r g 教授首先在f e ，c 胛e 多层膜中观 察到反铁磁层间耦合。1 9 8 8 年法国巴黎大学的肯特教授呲1 2 1 研究组首先在f e c r 多层膜中发现了巨磁电阻效应，打开了新兴的磁电子学大门，为纳米磁性材料的 研制开拓了新领域。2 0 世纪9 0 年代，人们在f e c u ，f e a u ，c o c u ，c o a g 和 苏轶坤兰州太学博士学位论文 第一章绪论 c o a u 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应，巨磁阻多层膜在高密 度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景【l ”。1 9 9 4 年i b m 公司首次在巨磁 电阻材料发现后第六年成功研制成巨磁阻效应读出磁头，将磁盘记录密度一下子 提高了1 7 倍，达到5 g b i n 2 ，后来达到l lg b i n 2 ，从而在与光盘竞争中磁盘重新 处于领先地位。阻巨磁阻是如何产生的昵? 由于铁磁金属中自旋向上和向下的电 子在费米面附近的电子数不等。若在上层的自旋向上的电子进入下一层时，能够 进入下一层的自旋向上的子能带，电子不受磁散射。如果不能进入下一层自旋向 上的子能带，则将受到自旋向下子能带的强烈散射，引起大的磁电阻。实验和理 论工作者在研究g m r 效应时取得了一定的进展，目前理论模型主要有准经典的 玻尔兹曼输运方程近似【1 4 - 1 7 】和量子统计的线性响应计算【1 8 。2 ”，两种理论模型虽然 近似方法不同，但都能定性解释一些实验现象 2 2 , 2 3 1 。图1 1 为利用两流模型来解 释g m r 的机制。 广q 图h - 1r 1 广一 l 埋霹 一 。 外加磁场使该磁性多层膜处于饱和状态时( 相邻磁性层磁矩平行分布) ，而电阻 处于低阻态的导电输运特性，电阻：r 2 r 3 1 ( r 2 + r 3 ) ，1 t 2 r 1 r 3 图1 - 1 利用两流模型来解释g m r 的机制 苏轶冲兰州大学博士学位论文 第一章绪论 由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用 于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开 关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小， 能工作于恶劣的工作条件等优点。 ( 2 ) 量子磁盘与高密度磁存储【2 4 】 计算机中具有存储功能的磁盘发展总趋势是尺度不断减少，存储速度快速提 高。一般的磁盘存储密度达到1 0 6 1 0 7 b i t h 1 2 ，光盘问世以后，把存储密度提高 到1 0 9 b i f f i n 2 。人们曾经试图通过减小磁性材料的颗粒尺寸继续提高磁盘的存储密 度，但受到超顺磁性的限制，有人一度把1 0 n b i t i n 2 称之为不可逾越的极限。近 年来纳米技术的快速发展，人们能根据需要设计新型的纳米结构、提高磁存储密 度，突破了上述极限，创造了新纪录。量子磁盘的问世，使磁盘的尺寸比原来的 磁盘缩小1 0 0 0 0 倍，磁存储密度达到4 x1 0 b i t i n 2 。1 9 9 7 年，密尼苏达大学 ( m i n n e s o t a ) 电子工程系纳米结构实验室首次采用电子束刻蚀印刷术结合电化 学沉积在s i 上制备了周期为4 0 n m l o o n m 的n i 或c o 纳米棒阵列，这种磁性的 纳米棒阵列实际上是一个量予棒阵列，它与传统磁盘磁性材料成连续分布不同， 纳米磁性单元被非磁性物质分开，在无外加磁场的情况下只有两种磁化状态，即 向上或者向下，因而人们又把具有这种结构的材料称为量子磁盘。如果让每一根 纳米棒记录二进制的一个数据，其记录密度超过6 0 0 g b i t s i n 2 。据科学家预计， 这种量子磁盘在今后几年内有可能进入实用化阶段，美国商家已着手中试，加快 规模生产。 图1 - 2 量子磁盘扫描电镜像 4 苏轶坤兰州太学博士学位论文 第一章 绪论 图l 一2 是采用纳米平板印刷术成功地制备了纳米结构的磁盘，尺寸为1 0 0 l o o n m ，它是由直径为l o n m ，长度为4 0 h m 的c o 棒按周期为4 0 h m 排列成阵列。 ( 4 ) 高密度记忆存储元件【2 j 记忆存储元件的发展趋势是降低元件尺寸，提高存储密度。铁电材料，特别 是铁电薄膜是设计制造记忆元件的首选材料。为了满足2 1 世纪信息产业的需求， 如何进一步缩小记忆元件的尺寸，提高存储密度一直是人们关注的热点。1 9 9 8 年德国马普学会结构物理研究所利用自组装生长技术在铁电膜上成功合成了纳 米b i 2 0 3 有序平面阵列，记忆元件尺寸达到了1 4 n m x1 4 n m ，芯片的存储密度为 1 g b i t s i n 2 。因此，纳米结构有序平面阵列体系是设计下一代超小型、高密度记忆 元件的重要途径。 ( 5 ) 磁制冷技术中的应用【2 5 8 0 年代以来，由于常规制冷剡氟里昂对大气臭氧的破坏及制冷效率低这两个 突出问题的困扰，磁制冷技术的研究辱i 起了入们的广泛兴趣。磁制冷工质材料是 磁制冷技术的关键。随着近年来纳米固体理论的发展及其对各个学科的交叉渗 透，特别是新型纳米磁性材料方面的研究，对于开发具有增强磁热效应的低磁场 磁制冷工质材料带来了极大的希望。 ( 6 ) 磁密封、磁扬声器中的应用 2 6 当磁性颗粒尺寸进一步减小时，在一定温度范围内将呈现类似于顺磁体的超 顺磁性。6 0 年代末期，研制成功的磁性液体即磁流体具有固体的强磁性和液体的 流动性，主要应用于磁密封和磁扬声器。同时这磁性材料的诞生为磁性材料增 添的新的一页，也为8 0 年代纳米微晶材料( 纳米微晶软磁材料、纳米复合永磁材 料) 的问世铺平的道路。 除了在磁性领域的应用外，纳米材料分别在电子、信息产业【2 5 】；生物、医 学领域；能源领域1 2 7 中都有着广泛的应用。例如应用纳米技术可以使得电子产 品缩微化，解决目前微细加工领域的一些难题，使计算机袖珍化，使笔记本电脑 更易携带。早在1 9 9 8 年，i b m 公司的科学家就利用扫描隧道显微镜上的探针， 成功的移动了氙原子，并利用它拼成了i b m 三个字母( 见图卜3 ) 。目前，利 用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。例如单电子晶体管、红绿蓝三基色可 调谐的纳米发光二极管。纳米技术和材料在轻工业和家电行业也出现了应用的热 苏轶坤兰州夫学博士学位论文 第一章绪论 潮，电视机显示屏使用的纳米三防涂料( 防静电、防辐射、防眩光) 现己开发成 功。 1 2 磁记录综述 图1 3 移动氙原子，拼成了i b m 三个字母 1 2 1 磁记录发展的历史和进展1 2 8 ”】 生活在当今这个信息高度发达的社会里，人们对于高性能、低成本、非挥发 性介质的要求与日俱增。至今，已经有很多种信息存储系统，包括：磁带驱动器、 磁盘驱动器，磁光存储器、半导体闪盘、软盘驱动器、全信息光盘存储器等等。 现今应用最广泛的是磁记录和磁传感应器。 磁记录是以磁性薄膜为记录介质，用磁的或与磁结合的方法实现信息存取的 技术。主要有数据磁带、磁卡，计算机外存硬软磁盘；电子照相软盘；录音、 录像磁带；可擦磁光盘和固态磁泡布洛赫线存储器四类技术。磁记录从诞生到现 在已经走过了1 0 0 多年的历程。1 8 8 8 年美国科学家o s m i t h 发表了关于磁性录音 的论文，开始了磁记录研究的新纪元；在那阻后的几十年里，许多磁记录专利应 运而生，如1 9 3 2 年德国科学家e s e h o l l e r 发明了纸基体上磁粉涂布磁带，1 9 3 5 年 日本开始生产钢丝录音机。在最近的十年中，磁记录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。硬盘驱动器技术以 其快、便宜、容量大、体积小、可靠、技术进展快等优点，代表了磁性信息存储 技术的最前沿。近年来，硬磁盘在技术上取得了惊人的发展，主要表现在以下两 茎整兰兰型苎兰堡主兰堡垒墨苎二主矍堡 个方面： 第一，性能越来越高 首先，硬磁盘的记录密度不断提高，存储容量越来越大。记录密度的提高是 硬磁盘发展的主线和基础。表i 一1 列出了近年来硬磁盘面记录密度的进展情况。 面 数线道矫 时 公司密 ( g b 传 ( m b 密 ( k b p i ) 密 ( k b p i ) 顽 ( k h 间 i n 2 )s ) m 、 度 蛊 度度力 1 9 9 8 1 3 1 51 9 5 4 2 73 1 1 32 2 5 1 2 9r e a d r i t e 1 9 9 9 f u j i t s u 2 0 1 9 9 9 r e a d r i 把2 0 1 91 7 5 4 8 04 3 1 51 9 8 1 9 1 9 9 9 s e a g a t e 2 3 1 8 7 1 9 9 9 r e a d r j t e 2 6 1 52 3 05 0 45 2 1 61 9 8 1 9 8 1 9 9 9i 3 5 1 33 8 9 1 9 秋 1 9 9 9 r e a d l 姓t e 3 6 1 01 7 3 5 1 17 0 1 42 5 4 1 6 1 1 2 0 0 0 r e a d r i t e5 0 1 21 4 05 5 29 0 1 9 2 9 2 1 0 3 2 0 0 0 r e a d 陆e6 3 1 21 6 06 0 01 0 5 1 33 1 0 1 4 1 0 2 0 0 0 f u j i t s u 5 66 8 0 8 2 4 2 0 0 0 i b m 1 0 34 0 6 2 5 42 9 6 1 0 2 0 0 1 f u j i t s u 1 0 6 1 41 2 8 1 8 7 5 01 4 1 1 93 1 6 1 1 8 2 0 0 2 r e a d r i t e1 3 0 3 1 8 1 3 4 2 0 0 2 f t l i i t s u 3 0 0垂直记录 5 2 0 0 2 1 1 s e a g a t e 1 0 0垂直记录 表卜1近年来硬磁盘面记录密度的主要进展 苏轶坤兰州大学博士学位论文 第一章绪论 从上世纪9 0 年代起，硬磁盘的面记录密度一直以6 0 1 0 0 的年增长率快 速增加。当今商品硬磁盘系统的工作面密度已高达3 0 6 0 g b i n 2 ，实验室研究的 面记录密度已突破1 0 0 g b i n 2 大关。2 0 0 0 年，i b m 实现了1 0 3 g b i n 2 的面记录密度； 2 0 0 1 年8 月f u j i t s u 宣布硬盘面记录密度j 2 蟾w j l 0 6 g b i n 2 ；2 0 0 2 年4 月底，r e a d r i t e 公 司宣布其硬盘面密度达到1 3 0 g b i n 2 ；到2 0 0 2 年5 月l o 日，f u j i t s u 又宣布其利用c p p 超级g m r 磁头和垂直记录技术达到了3 0 0 g b i n 2 的面记录密度；2 0 0 2 年1 1 月， s e a g a t e 也采用垂直记录技术实现了1 0 0 g b i n 2 的面记录密度。面记录密度的提高 为减小磁盘尺寸和提高硬磁盘驱动器的记录容量奠定了基础。目前，3 1 5 英寸硬 磁盘已成为应用最广的主流硬盘，2 1 5 英寸、1 1 8 英寸和1 1 0 英寸等小尺寸硬盘的 应用越来越多。每台驱动器中的平均盘片数已从几年前的3 1 l 片降为1 6 8 片( 2 0 0 1 年) 。目前，主流硬磁盘的盘片数量一般为单片或两片。1 9 9 8 1 9 9 9 年，主流硬 磁盘的记录容量一般为4 8 g b ，而当前商用主流硬盘的容量已提高至1 j 2 0 8 0 g b ，1 2 0 1 8 0 g b 的硬磁盘也已经上市。2 0 0 2 年下半年，m a x t o r ( 迈拓) 公司已 经推出了目前存储容量最高的m a x t o r5 0 0 0 x t 硬磁盘，其存储容量达到2 5 0 g b 。 最近f u j i t s u 推出世界上第一台存储容量为8 0 g b 的2 1 5 英寸硬磁盘驱动器，到年 底存储容量1 2 0 g b 的2 1 5 英寸驱动器有望上市。 其次，硬磁盘的数据传输率也越来越高。磁盘的数据传输率为线记录密度、 磁道直径和磁盘转速的乘积。近年来，磁盘转速已从5 4 0 0 r m i n 、7 2 0 0 d m i n 提高 到1 0 0 0o i _ 珈妇以上。s e a g a t e ，f u j i t s u ，i b m 等公司已经在多款硬磁盘产品中采用 了1 0 0 0 0 r m i n 和1 5 0 0 0 d m i n 的转速，使平均寻道时间降低到3 5 m s ，这就为数据 传输率的提高创造了条件。尽管现在磁盘盘径越来越小，但由于线记录密度和磁 盘转速的提高，使数据传输率获得不断提高。从上世纪9 0 年代以来，数据传输率 的年增长率一直在4 0 以上。1 9 9 9 2 0 0 0 年，f u j i t s u j r 4 1 i b m 分别实现了3 6 0 m b s 和4 8 0 m b s 的数据传输率；之后，r e a d _ r i t e 、g u z i k 和s e a g a t e 均通过实验验证了 l1 0 0 b s 的数据传输率。采用一种称之为倾斜垂直磁记录的记录系统数据传输 率达到了1 1 5 g b s 。目前，商品硬磁盘的最高数据传输率已经达n 1 0 0 m w s b a 上。 第二，应用领域越来越广 硬磁盘除了作为各种计算机系统不可缺少的标准配置外，近年来，随着存储 容量的提高和价格的下降，已经在新一代电子消费领域和各种便携式设备( 例如 8 苏轶坤兰州大学博士学位论支第一章绪论 数字录像机，m p 3 录音机，数字照相机，游戏控制器以及各种智能化便携设备， g p s 和自动化p c 等) 中获得了越来越广泛的应用。以在数字录像机方面的应用为 例，数年前，日本s o n y 等公司推出了以硬磁盘为记录介质的个人录像机 p v r ( p e r s o n a lv i d e or e c o r d e r ) ，其中有一种称之为c o c o o n 机的家用设备特别适 合于宽频带时代的家庭娱乐。用户可以把两台c o c o o n 机结合为主从型机器，它 可以提供3 2 0 g b 的总存储容量，这大约相当于4 0 部d v d 质量的整版电影。另一种 d v r 录像系统是由一台大容量h d d 和一台d v n _ rw ( d v 口r a m ) 结合而成的， h d d 的容量从6 0 g b 到1 6 0 g b ，最多可存储2 0 0 部v h s 质量的整版电影， m a t s u s h i t a 的p v d v 啪a m 录像机( 采用4 0 g b 硬磁盘) ，东芝公司的r d - - s t y l e 录像系统( 采用8 0 g b 硬磁盘和4 1 7 g b 的d v 脚a m ) 都属于这种类型。 应用领域的拓宽大大推进了硬磁盘，特别是小尺寸硬磁盘的发展，使得微型 驱动器的市场一直非常活跃。由i b m 首先推出的微型h d dm i c r o d r i v et m ，其初 始存储容量为3 4 0 m b ，已经在电子照相机等便携设备中获得应用，目前的产品容 量为1 g b ，年内将提高至u 2 g b 和4 g b ，现在由i b m 和h i t a c h i 联合组建的h i t a c h i g l o b a ls t o r a g et e c h n o l o g y 公司制造和销售。日本t o s h i b a 和f u j i t s u 也有类似的微型 硬磁盘。这些微型驱动器将在便携式设备的相关应用领域与闪存卡进行竞争a 虽 然硬盘驱动器耗电较多，但其存储容量大，成本低，而且读写速度快。闪存卡 的容量提高到1 0 g b 尚需要相当长的时间。这些微型驱动器大小只有 4 2 1 8 x 3 6 1 4 x 5 m m ，重量1 4 1 6 9 ，介质的面记录密度在3 0 g b i n 2 以上，只采用一片 直径3 2 m m 的盘片。当面记录密度达到1 0 0 g b i n 2 以上时，微型驱动器却可达到 1 0 g b 以上的存储容量。另外，尺寸为1 1 8 英寸( 7 0 x 6 0 x 8 m m ，5 0 6 2 9 ) ，存储容量 4 0 g b 的硬磁盘驱动器已经或即将上市，这些驱动器非常适合用于膝上和掌上计 算机，可用来存储用户不希望直接存储在内部h d d 上的数据、文件和程序。 1 2 2 磁记录材料的特点及分类3 8 1 一产品特点