（材料学专业论文）coptp磁记录薄膜的制备及相关磁性能研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a ls c i e n c e p r e p a r a t i o na n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so f c o p t pt h i nf i l m sf o rm a g n e t i cr e c o r d i n g b y y a n gb o s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rq i n g a o w u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 一，每 、 l ，f 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导f 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贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：舾强 e t 期：2 - 0 b 2 g 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： 半年口一年口一年半区两年口 学位论文作者签名：力匆幔 签字日期：灿g 1 窟 导师签名： 签字日期：刀w 7 。彦 东北大学硕士学位论文中文摘要 c o p t p 磁记录薄膜的制备及相关磁性能研究 摘要 随着硬盘记录面密度的提高，现有的c o c r - p t 合金记录介质遇到了超顺磁效应的限 制。c o p t 合金具有很高的垂直磁晶各向异性，但其晶粒间较强的交换耦合作用，限制 了其作为磁记录介质的应用。研究高磁晶各向异性、低晶粒间交换耦合的新型磁记录介 质有助于提高记录面密度、克服超顺磁效应。因此本论文研究c o p t p 三元合金体系的 相分离行为和磁性能。 由于不能直接向c o p t 薄膜中磁控溅射p 元素，因此本研究首先通过电沉积制备 c o p 薄片作为溅射靶材。在制备c o p 薄片时发现，电流密度对镀层的形貌影响较大， 对镀层中的p 含量影响较小。随电流密度的增大，镀层越来越致密，当电流密度为 1 5 a c m 3 时，镀层变为球形颗粒状。镀层中的p 含量主要取决于镀液中h 3 p 0 3 的浓度， 与电流密度和电流方式关系不大。镀层的结构主要取决于镀层中p 的含量。当p 含量小 于2 9 a t 时，镀层为非晶态；当p 含量大于3 4 a t 时，镀层为晶态的c 0 2 p 金属间化合 物。 本研究制备了一系列c o p t p 薄膜，并借助振动样品磁力计和x 射线衍射技术，研 究了p 含量和基板温度对c o p t p 薄膜磁性能和晶体结构的影响。研究发现： ( 1 ) 室温时，添加p 元素对c o p t 薄膜的矫顽力影响较大，随p 含量的增多，薄 膜的矫顽力先增大后突然减小。当p 含量小于4 a t 时，薄膜的矫顽力随p 元素的增多 而增大，并在p 含量为4 a t 时，薄膜的面内矫顽力获得最大值1 5 2 5o e 。当p 含量大 于5 a t 时薄膜逐渐转变为非晶态，矫顽力随p 含量增加逐渐下降，p 含量为7 a t 时薄 膜完全非晶化。随p 含量的增多，c o p t p 薄膜的饱和磁化强度略有降低。 ( 2 ) 随基板温度的升高，c o 1 2 a t p t 2 3 a t p 薄膜的矫顽力变化规律与 c o 1 2 a t p t 随基板温度的变化规律相似，面内的矫顽力逐渐降低，垂直膜面的矫顽力 上升。说明室温下溅射薄膜中添加少量的p 是以固溶态存在于c o p t 相中。 ( 3 ) 随基板温度的升高，c o 1 2 a t p t 7 a t p 薄膜由非晶态逐渐晶化。在基板温度 为3 0 0 时薄膜由晶态的永磁相和非晶态的软磁相组成，当基板温度为4 0 0 ，薄膜已 经完全变为晶态。 关键词：c o p t p ；相分离；磁记录介质；磁控溅射； - i i - 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r e p a r a t i o na n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so f c o - - p t - p t h i nf i l m sf o rm a g n e t i cr e c o r d i n g a b s t r a c t c o c r - p tr e c o r d i n gm e d i ao f h a r dd i s kd r i v e ，w h i c hi st h ed o m i n a n tt e c h n i q u ei nm a g n e t i c r e c o r d i n gf i e l d ，s u b je c t s t os u p e r p a r a m a g n e t i cl i m i tw h e nt h e i ra r e a ld e n s i t yt o w a r d s t e r a b i t i n 2d e n s i t y c o p ta l l o y s ，w h i c hh a v eh i g hm a g n e t i ca n i s o t r o p ye n e r g y ( m a e ) ，a r e g o o dc a n d i d a t ef o ru l t r a h i g hd e n s i t ym a g n e t i cr e c o r d i n g h o w e v e r , t h e r ea r es t r o n ge x c h a n g e c o u p l i n ga m o n gm a g n e t i cg r a i n si nc o - p t t h i nf i l m s s t u d yo nm a g n e t i cr e c o r d i n gm e d i aw i t h h i g hm a g n e t i ca n i s o t r o p ye n e r g y ( m a e ) b u tl o we x c h a n g ec o u p l i n ga m o n gm a g n e t i c n a n o g r a i n sf a c i l i t a t et oo v e r c o m et h es u p e r p a r a m a g n e t i cl i m i ta n df u r t h e rt oi n c r e a s et h e a r e a ld e n s i t yo fm a g n e t i cr e c o r d i n g t h e r e f o r e ，an o v e la l l o ys y s t e m ，c o - p t - pt e r n a r y , w a ss t u d i e di nt h i sw o r ki no r d e rt o c o n t r o lt h ee x c h a n g ec o u p l i n g s i n c ei ti sd i f f i c u l tt oa d dp h o s p h o r o u si n t oc o p ts p u t t e r e d t h i nf i l m sw i t hc o n v e n t i o n a lp r o c e s s ，c o pc h i p s ，a st a r g e te l e m e m s ，w e r ef i r s tf a b r i c a t e db y e l e c t r o d e p o s i t i o n d u r i n ge l e t r o d e p o s t i o n ，t h ec a t h o d ec u r r e n td e n s i t ya n dc a t h o d ec u r r e n t m o d em a r k e d l ya f f e c tm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o - pc o a t i n g s w l t l li n c r e a s i n go ft h ec a t h o d e c u r r e n td e n s i t y , m i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o pc o a t i n g sb e c o m e sm o r ec o m p a c ta n dd e n s e ，w h i l e t h em i c r o s t r u c t u r eo fc o - pc o a t i n g si so fs p h e r i c a lp a r t i c l e sw i t hh i g hp o r o s i t yw h e nt h e c a t h o d ec u r r e n td e n s i t yi su pt o1 5a c m 3 p h o s p h o r o u sc o n c e n t r a t i o n si nt h ec o pc o a t i n g s a r em a i n l yd e p e n d e n to nh 3 p 0 3c o n c e n t r a t i o n si nt h ee l e c t r o l y t er a t h e rt h a nt h ec a t h o d e c u r r e n td e n s i t y , c a t h o d ec u r r e n tm o d ea n ds oo n t h ec r ) r s t a ls t r u c t u r eo ft h ec o - pc o a t i n g si s a l s od e p e n d e n to nt h ep h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n w h e nt h ep h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o ni s 2 9 a t t h ec o a t i n gi so fa m o r p h o u ss t r u c t u r e ，w h i l et h ep h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o nw a sm o r e t h a n3 4 a t i tb e c o m e sc 0 2 pi n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d as e r i e so fc o p ta n dc o - p t - pt h i nf i l m sw i 廿1v a r i o u sp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n sw e r e t h e nf a b r i c a t e da td i f f e r e n ts u b s t r a t et e m p e r a t u r e s t h e i rm a g n e t i cp r o p e r t i e sw e r em e 娜e d b yav i b r a t i n gs a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) a n dt h es t r u c t u r e sw e r ea n a l y z e dw i t hx 。r a y d i f f r a c t i o n ( x r d ) t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) t h ec o e r c i v i t i e so fc o - 1 2 a t p t pt h i nf i l m ss p u t t e r e da ta m b i e n tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e t t i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t 谢t l lt h ep h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o nu pt o4 a t h o w e v e r , t h ef i l m sa r eo fa m o r p h o u s s t r u c t u r ea n dt h ec o e r c i v i t i e sr a p i d l yd e c r e a s ea f t e rt h e n m e a n w h i l e ，t h es a t u r a t i o n m a g n e t i z a t i o nd e c r e a s e sal i t t l e 、i mt h epa d d i t i o n ( 2 ) w i t hi n c r e a s i n g o ft h es u b s t r a t e t e m p e r a t u r e s ( t s ) ，i n - p l a n e c o e r c i v i t i e so f c o 一12 a t p t 一2 3 a t pt h i nf i l m sd e c r e a s e w h i l et h ep e r p e n d i c u l a rc o e r c i v i t i e si n c r e a s e g r a d u a l l y i ti se x p e c t e dt h a tp h o s p h o r o u si ss o l u b l ei nt h eh o ps t r u c t u r e dc o p tp h a s e ( 3 ) t h es t r u c t u r e so fc o - 1 2 a t p t 一7 a t pt h i nf i l m sa r es t r o n g l yd e p e n d e n to nt h et s i ti s a m o r p h o u sw h e nt h et si su pt o2 0 0 。c ，a n dt h e nt h em i c r o s t r u c t u r ec h a n g e si n t o p e r m a n e n tm a g n e t i cp h a s e ( c r y s t a l l i n e ) a n ds o f tm a g n e t i cp h a s e ( a m o r p h o u s ) t h e s t r u c t u r ei so ff u l l yc r y s t a l l i n ew h e nt h et sh i g h e rt h a n4 0 0 。c k e y w o r d s ：c o - p t - p ，p h a s es e p a r a t i o n ，m a g n e t i cr e c o r d i n gm e d i a , m a g n e t r o ns p u t t e r i n g 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 磁记录概述1 1 1 1 硬盘发展历史与现状1 1 1 2 硬盘磁记录原理2 1 1 3 硬盘磁记录基本概念3 1 2 磁记录技术面临的问题及解决方法5 1 2 1 传统磁记录技术遇到的问题5 1 2 2 克服超顺磁效应的方法6 1 3 高密度磁记录介质的要求9 1 3 1 磁性能要求9 1 3 2 显微组织要求1 1 1 3 3 织构控制13 1 4 磁记录介质研究现状1 4 1 4 1c o 基合金1 4 1 4 2 稀土过渡金属合金1 5 1 4 3l 1 0 有序结构合金：1 6 1 5c o p t 合金研究进展及本课题的创新性1 7 1 5 1c o p t 及c o p t p 研究现状17 1 5 2 本课题的创新性及研究内容。1 8 第二章实验方法2 1 2 1 溅射薄膜制备21 2 2 电沉积c o p 靶材2 2 2 2 1 实验工艺2 2 2 2 2 实验步骤2 2 2 3 薄膜的性能表征2 2 2 3 1 薄膜厚度测量2 2 2 3 2 薄膜磁性测量2 3 一v 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 3 薄膜结构、成分的表征2 4 2 4 实验过程2 5 第三章电沉积c o p 靶材2 7 3 1 引言2 7 3 2 电沉积原理2 7 3 3 电沉积c o p 研究进展。2 9 3 4 实验过程3 0 3 5 实验结果与分析3 1 3 5 1 阴极材料对镀层形貌的影响3 l 3 5 2 电流方式对镀层形貌的影响。3 1 3 5 3 阴极电流密度镀层形貌的影响3 2 3 5 4 阴极电流密度对p 含量的影响一3 3 3 5 5c o p 镀层的晶体结构3 5 3 6 本章小结3 5 第四章c o p t 及c o p t p 溅射薄膜研究3 7 4 1 引言3 7 4 2 实验过程及工艺3 7 4 2 1 实验过程3 7 4 2 2 薄膜中p p t 含量的确定3 7 4 3c o 1 2 a t p t 薄膜的磁性能3 9 4 3 1 基板温度对c o 1 2 a t p t 矫顽力的影响。3 9 4 4c o 1 2 a t p t p 薄膜磁性能4 1 4 4 1p 含量对薄膜磁性能的影响4 1 4 4 2 基板温度对c o 1 2 a t p t p 薄膜磁性的影响4 4 4 5 本章小结4 8 第五章结论与展望4 9 5 1 结论4 9 5 2 课题展望5 0 参考文献5 1 致谢5 7 硕士期间发表论文5 9 v i 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 当今世界已经进入了信息化时代，据统计，2 0 0 6 年全球制造、复制出的数字信息量 共计1 6 1 x 1 0 1 2g b ，并以惊人的速度递增，预计到2 0 1 0 年，全球数字信息量预计为9 8 8 1 0 1 2g b ，信息量增幅高达6 倍【1 】。信息量的迅速增长对信息存储技术提出了越来越高 的要求。人们对高存储量、高数据存取速度、小体积和高性价比存储设备的需求极大地 推动了存储记录技术的发展。近年来，传统存储记录技术的性能越来越高，新型的存储 技术也不断涌现，信息存储已经成为当前信息技术中最活跃的领域之一。 当前的信息记录形式大致可以分为四类：磁记录技术、光记录技术、磁光记录技术 和半导体记录技术。在信息存储领域，以磁带、软盘和硬盘为代表的磁记录技术具有独 特的地位。磁记录具有发展历史悠久、性价比高、掉电不消失等优点，因此在消费电子 领域和专业应用领域均有着广泛的应用。2 0 世纪8 0 年代，光存储和半导体存储技术的 出现和发展，打破了磁记录技术一统天下的局面，对磁记录在计算机外存储领域的统治 地位构成了一定的威胁，其中主要有光存储器件( c d 。r o m 、c d r w 、d v d r o m 、 d v d r w 和相变光盘p d ) 、磁光盘( m a g n e t oo p t i c a ld i s k ，m o ) 和半导体存储器( f l a s h m e m o r y 和s dc a r d ) 。但是光记录技术中信息的写入和读出需要精密的光学头，且光盘 驱动器价格较贵、数据传输速度慢。半导体存储器中的闪存盘( f l a s hm e m o r y ) 器件最 近几年发展迅速，它具有不需要电池供电、数据不容易丢失性等优点，但与硬盘和磁带 相比，其不足之处是存储容量小，价格高。因此，在当今的各种信息存储技术中，磁记 录技术仍然占据主导地位【2 】。 1 1 磁记录概述 1 1 1 硬盘发展历史与现状 硬盘驱动器( h a r dd i s kd r i v e ，h d d ) 是现代计算机存储结构中的重要组成部分，也 是磁记录技术中最具代表性，最有发展潜力的产品。它具有性价比高、掉电不消失、记 录频率宽、失真小等优点。除了稳定性之外，硬盘的记录面密度是人们最为关注的目标。 自1 9 5 6 年i b m 公司首次推出旋转式硬盘装置r a m a c 3 5 0 ( r a n d o ma c c e s sm e t h o do f a c c o u n t i n ga n dc o n t r o l ，r a m a c ) 以来，硬盘的记录面密度一直在不断地提高，特别 是近年来优秀磁性材料的开发和应用更是促进了硬盘记录面密度的增长。如图1 1 所示 【3 】，1 9 9 2 年i b m 公司采用薄膜磁电阻磁头( m a g n e t or e s i s t a n c e ，m r ) 以后，将硬盘的 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 面密度增长速率提高了6 0 ；1 9 9 7 年采用自旋阀巨磁电阻磁头( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 之后，硬盘的面密度更是以1 0 0 甚至几百的速率增长。2 0 0 1 年i b m 率先宣布他们所研制的硬盘面密度突破了1 0 0g b i n 2 ，达到1 0 3g b i n z ，同年9 月和1 1 月日本富士通和美国希捷存储科技有限公司也先后宣布他们所研制的硬盘面密度超过 1 0 0g b i n 2 【3 ，4 1 。2 0 0 4 年1 2 月1 3 日日本东芝公司率先在全球推出采用垂直记录方式的 硬盘装置，记录密度为1 3 3g b i n 2 。2 0 0 6 年1 2 月美国希捷，2 0 0 7 年8 月日立环球存储 科技先后推出了总容量达7 5 0 g b 和1 t b 的垂直记录硬盘，其面密度也仅仅为2 3 0g b i n 2 【4 ，5 1 ，这与历史上i b mr a m a c 3 5 0 ( 2k b i v i n 2 ) 相比，面密度已经增加了近一亿倍，但 是与未来的超高密度要求( 1t b i n 2 甚至几t b m 2 ) 还有距离，主要原因是现有的c o c r - p t 基合金记录介质遭遇了超顺磁效应的限制。 h c - o m - i 兰 口 瞄 口， o 量 x ：鼍 蚺 c o 凸 一 亿 k h g s ta r e a ld e n s i t yp e r s p e c t i v e r # , c o r d i n f l；。 1 协舭黧t r a ? v e m t s t a 。r g 8 弋0 g n 过 , , 跏d e r 。e f f e “s u p e a 柏r 1 卜、母幺。- = 毒黧嚣m i c r o d 意r i v e 巨羔u l t r a t a r lj ；跏蚊s t 甜：掣一 ；r _ _ ；丝 一：一l r n x l能t-、he-j，=一那。7。42375 i7 。一 l h g s td i s kd r i v ep r o d u c t s i n d u s t r yl a bd e m o s h g s td i s kd r i v e sw ，a f c d e m o sw a f c 毛 ， ：。旧7 触a c 鼻了h a r d 翻s k o ? _ m 。，。! ，；，一 一 7 0 8 0g o 2 0 0 01 0 p r o d u c t i o ny e a r e dg r o c h o w s k i 图1 1 硬盘记录面密度增长酣5 】 f i g 1 1a r e a ld e n s i t ye v o l u t i o no fm a g n e t i cr e c o r d i n gm e d i a 由此可见，提高硬盘的记录面密度离不开新型硬盘记录技术、优秀的磁头材料和磁 记录介质。开发新型的磁记录介质对于改善硬盘存储性能、提高记录面密度来说有着极 其重要的意义。 1 1 2 硬盘磁记录原理 磁记录是利用铁磁材料撤去外磁场后仍能保留一部分剩磁的特点，使这些材料具有 2 邯 萨 酽 醇 啦 n ， ” 吣 1 1 1 1 1 1 ， ， 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 存储效应。磁记录的写入和读出过程是以软磁材料为主的磁头完成的，它可以实现电信 号和磁信号之间的转换；磁记录介质是硬磁材料，它可以通过不同的磁矩方向来表示 “0 ”和“l ”。 在写入过程中，计算机首先将声音、图像和数字等信息转变为电信号，电流通过磁 头周围的线圈时，磁头被磁化，并在间隙处产生边缘磁场，当驱动电流改变极性时，间 隙处的边缘磁场也改变方向，这样在一个方向或另一个方向交替地磁化记录介质，磁信 号就保存在记录介质中。在需要取出记录介质中的信息时，只要使被磁化的记录介质经 过一个钝化磁路间隙，记录位上方的边缘磁场会在磁头中感生出一个磁通量的变化，磁 头中磁通量的变化在读出磁头的线圈中按比例感生电压。这个电压被放大并由信号处理 器读出，将电信号转变为声音、图像和数字，从而使被记录的信息再现【2 ，踟。 然而磁阻( m r ) 效应和巨磁阻( g m r ) 效应的出现，改变了磁头的结构。当读出 信号时，记录位磁场的变化使得读出磁头的电阻发生变化，从而使磁头中的电流发生变 化，由信号处理器处理之后，就可以把记录信息还原。g m r 效应以及将来的隧道磁阻 效应( t u n n e l i n gm a g n e t or e s i s t a n c e ，t m r ) 使磁头的读取分辨率大幅度提高，大大促进 了磁记录面密度的提高【6 q 】。 w 嘲e r a n d c l o c k d 雠 乙厂飞。厂1 。广 l 、 卜 图1 2 磁记录的读写过程【8 】 f i g 1 2w r i t i n ga n dr e a d i n gp r o c e s s e so fam a g n e t i cr e c o r d i n gs y s t e m 1 1 3 硬盘磁记录基本概念 硬盘主要组成部分是磁头和盘片。盘片是硬盘中承载数据存储的介质，硬盘是由多 个盘片叠加在一起，互相之间由垫圈隔开。如图1 3 所示，传统的水平记录盘片通常是 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 由抛光的a 1 m g 合金盘片，化学镀n i p 层，c r 下底层、磁记录层、c 保护层及有机润 滑层构成1 9 】。由于盘片在硬盘内部高速旋转，制作盘片的材料硬度和耐磨性要求很高， 因此一般采用合金材料，多数为铝合金。i b m 公司还曾经开发出以二氧化硅作为基盘的 产品，这种盘片形变率更小，但是抗震能力不强，应用面较小，因此目前大多数硬盘还 是采用铝合金作为基片。化学镀n i p 层是为了提高盘片的耐蚀性和诱导c r 下底层；c r 下底层不仅可以提高盘片的耐蚀性而且可以引导磁性层的织构、提高矫顽力。 图1 3 硬盘盘片的多层膜结构9 j f i g 1 3t y p i c a ls t r u c t u r eo fr e c o r d i n gm e d i u mo f h a r dd i s kd r i v e 。b 。 r e c o r d i n gm e d i u m 图1 4 磁盘结构基本参数和水平记录模式示意副1 0 1 f i g 1 4b a s i cp a r a m e t e r sf o rm a g n e t i cr e c o r d i n ga n di l l u s t r a t i o no fl 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 0 】 多年以来，硬盘一直采用磁场的磁化方向与盘片表面平行的水平记录技术。硬盘的 盘片可以看作是一个二维的平面，磁单元沿着盘片旋转的方向排列，磁极相邻，首尾相 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 接( 即“水平，_ - i ，o n g i t i l d i n a l ) 顺序从磁头下方通过。整整一圈下来，就是一个磁道， 盘片上的所有磁道都是同心圆，磁道的宽度用形来表示。磁头按电流脉冲将记录介质 分成一个个记录位( b i t ) ，每个记录位包括8 0 1 0 0 个晶粒，并且每个晶粒都被非磁性相 隔离，以降低晶粒间的交换耦合作用( e x c h a n g ec o u p l i n g ) 。我们把记录位的长度记为b ， 磁头与盘片间的距离记为d ，磁记录层的厚度记为万，磁头间隙之间的间隙场记为边缘 磁场。 1 2 磁记录技术面临的问题及解决方法 1 2 1 传统磁记录技术遇到的问题 近年来，随着磁记录面密度的不断提高，传统的水平记录技术面临诸多挑战。 首先，对于水平记录模式，记录位的过渡区宽度a ，限制了最终能写入的记录位线 密度【9 】， 口= 可d o - s ) + 竽 2 + ( 型h c 冽2 ， 刃 i l力l l八q i s ：1 一m r h c( 1 2 ) 当s 一1 时， a 2( 1 3 ) 其中h c 为介质的矫顽力，m r 为介质的剩余磁化强度，艿为介质的厚度， g = 0 6 7 3 1 1 + 0 2 8 6a r c t a n ( y g ) 】。因此在高记录密度时，需要降低m r 6 和提高胁来减 小过渡区宽度。 其次，在高记录密度的条件下，为了确保记录信息的可靠性，必须保证充分的信 噪比( s i g n a lt on o i s er a t i o ，s n r ) ，通常情况下，在高密度记录时要求信躁比在2 6d b - 2 7 d b 之间。根据磁记录理论，对于水平记录模式，信躁比【9 ，1 1 j s n r ：下9 6 p w s o b wo c 三 ( 1 4 ) 冗：a 2 sd 3 其中b 是记录位的长度，形是磁道的宽度，s 是磁道的截面宽度，d 为晶粒尺寸，p 。 是读出脉冲的半高宽。由上式可知，信噪比随晶粒尺寸的减小而增大。记录密度的提高 必然要求减小记录位尺寸b w , 为保证合理的信噪比，这就需要减小晶粒的尺寸。但是， 根据磁记录理论，磁性粒子并不能无限制地小下去，磁性粒子越小，其磁翻转所需的能 - 气 东北大学硕士学位论文第一章绪论 量就越小，在小到一定程度时，晶粒的热振动能量就会破坏其磁有序状态，使磁记录位 的剩磁下降甚至为零，也就是产生超顺磁性效应【1 2 ，1 3 1 ，如图1 5 所示。 图1 5 超顺磁效应【1 3 】 f i g 1 5t h ei l l u s t r a t i o no fs u p e r - p a r a m a g n e t i c 这时，热扰动可能引起记录位的自退磁，使记录位变得不稳定，从而导致记录信息 失效。因此对于磁记录介质而言，存在着一定的超顺磁极限或记录密度极限。根据 a r r h e n i u s - n e e l 定律，晶粒的热衰减时间为： f = 1 0 一e x p ( k u v k b t ) ( 1 5 ) 式中k u 和矿分别为晶粒的单轴各向异性常数和晶粒的体积，k 。为波尔兹曼常数，丁为 绝对温度，砌矿丁称之为能垒或稳定性参数。当k u v k 口t = 4 0 和k u v k b t = 6 0 时， 热衰减时间分别为7 5 年和1 0 年【1 4 , 1 5 】。为了保证介质中晶粒磁化状态的稳定，应保持较 高的k u v k 。t 值，一般认为其数值应大于6 0 ，即保证用户存储的数据至少可以保存1 0 年。 根据式( 1 3 ) 可知，对于水平记录模式来说，介质的矫顽力越高，记录位的过渡区 越小，这有利于记录面密度的提高。根据式( 1 5 ) 可知，对于水平记录模式来说，在 高密度磁记录时，晶粒的体积必然要下降，这时为了保持稳定性必须采用高磁晶各向异 性能的记录介质。然而，高磁晶各向异性能的记录介质具有高的矫顽力。提高矫顽力有 利于提高记录密度和稳定性，但是矫顽力越高，在记录过程中使磁记录层达到饱和磁化 也就越难，这就对记录磁头的间隙磁场提出了更高的要求。在记录磁头性能一定的条件 下，为了保证磁记录层达到饱和，需要使磁记录层更薄。但是磁记录层的减薄不仅受工 艺条件的限制，而且必须以保证介质的机械性能和能够提供充分的信噪比为前提。因此， 在水平记录模式下，必然存在超顺磁性的限制。 1 2 2 克服超顺磁效应的方法 目前，在提高记录面密度的同时，解决超顺磁性问题的方法【1 6 ，1 7 】主要包括以下几个 方面：( 1 ) 改进现有的磁记录介质一一采用反铁磁性耦合介质( a n t i f e r r o m a g n e t i c 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 c o u p l e dm e d i a ) ；( 2 ) 采用高磁晶各向异性能( m a g n e t i ca n i s o t r o p ye n e r g y ，m a e ) 的 介质；( 3 ) 采用新的记录方式：垂直记录技术( p 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 ，p m r ) 、 热辅助记录技术( h e a ta s s i s t e dm a g n e t i cr e c o r d i n g ，h a m r ) 、晶格介质记录技术 ( p a t t e r n e dm a g n e t i cm e d i a ，p m m ) 、渗漏垂直记录介质( p e r c o l a t e dp e r p e n d i c u l a rm e d i a ， p p m 、) o ( 1 ) 采用反铁磁性耦合介质。其基本结构是在上、下两层记录介质之间加入大约 三个原子厚度的金属钉层，其作用是分离上下两个磁介质层，使之能够出现方向不同的 磁场。上、下记录层的磁单元极性方向相反，形成方向耦合，从而起到稳定化的作用【9 ，1 7 】。 ( 2 ) 采用高m a e 的磁记录介质：从式( 1 5 ) 我们可以看出，提高k u 必然使得稳 定性增加，因此可以采用m a e 比c o c r 合金高的磁记录介质( 如c o w 、l 1 0 型有序合 金c o p t 、f e p t 等) 。在m a e 增大的同时，由于c o p t 、f e p t 有序化合金的矫顽力太大， 使其受到磁头写磁场的限制，目前这种高矫顽力的材料还不能应用于磁记录f j 引。 ( 3 ) 垂直记录技术( p 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 ，p m r ) 1 9 , 2 0 】 图1 6 纵向记录与垂直记录对比俐 f i g 1 6c o m p a r i s o nb e t w e e nl 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 ga n dp 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 1 9 7 7 年日本东北大学岩崎峻一( s 1 w a s a k i ) 1 1 9 1 教授首次提出垂直记录这一概念，+ 并且预示了它在提高记录密度方面具有极大的潜力。垂直磁记录技术是将承载数据记录 的磁矩垂直于记录介质面排列，而不是原有的是两者呈水平关系的排列，如图1 6 ( b ) 所示。这样，记录面密度提高时，磁记录位在盘片上所占的面积可以继续减小，而在垂 直方向上却能够保持不变甚至适当增加，可以使得磁记录位的体积增大或不变，从而保 证了k u v 不变甚至提高，以保证热稳定性。 在垂直磁记录模式，数据的写入采用的是单极磁头，在写入磁极用极窄的信号来 提供很高的磁通密度，并通过介质的软磁层闭合，从而对记录层磁矩定向；而磁头的回 路磁极较宽，磁通密度低，因此不会改写原有的数据。按照理论，采用“垂直记录”工 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 艺的硬盘存储密度可以达到1t b i n 2 ，是纵向磁记录理论密度的十倍。随着记录密度的 提高，垂直磁记录的磁粒体积相应也会减小，也将面临超顺磁效应和热噪声等问题。 ( 4 ) 热辅助记录( h a m r ，h e a ta s s i s t e dm a g n e t i cr e c o r d i n g ) 5 , 2 1 】 图1 7 热辅助记录原理【5 】 f i g 1 7s c h e m a t i co fh e a ta s s i s t e dm a g n e t i cr e c o r d i n g 【5 1 热辅助记录能够真正克服超顺磁效应的原因是由于它采用对温度敏感的新型材料， 能够彻底克服超顺磁效应带来的困扰，如常见的f e p t 和c o p t 金属间化合物材料。由于 f e p t 的矫顽力非常高，现有的磁头磁场水平难于使其磁化或磁翻转，也就是说，常温下， 现有写入磁头所提供的磁场都不能有效地改变它的极性，也正是这一点给硬盘的制造厂 商带来很大的麻烦。因此，采用现行的磁盘结构，根本无法用f e p t 材料来做硬盘的记 录磁层。 如图1 7 所示，希捷公司对硬盘的结构进行改良，采用了热辅助写