第三章磁功能玻璃3.1磁光玻璃

第三章磁功能玻璃 3 1法拉第旋转玻璃 磁光玻璃 3 1 1法拉第效应 磁光效应 平行于磁场方向入射的直线偏振光 在通过磁场中的透明物质时偏振面产生旋转的现象 因最早由法拉第发现而得名 产生磁光效应时 偏振面旋转的角度与磁场强度 光路长度以及旋光物质的旋光性能有关 用数学式表示为 V H L式中 偏振面旋转角 分 V 费尔德常数 分 奥斯特 厘米 通常以V值来表示物质的磁光特性 相当于单位长度的样品在单位磁场强度的作用下偏振面被旋转的角度 V为正值的物质称为逆磁性物质 V为负值的物质称为顺磁性物质 H 磁场强度 奥斯特 Oe L 样品长度即光路长度 厘米 cm 磁光效应原理示意图 入射光 原偏振方向 旋转角 玻璃通过玻璃后偏振方向 逆磁玻璃即玻璃中的原子没有永久的电子轨道磁矩 因此 在磁场作用下 只能产生与磁场方向相反的极小的诱导磁矩 普通的光学玻璃属于这一类 法拉第1846年发现旋光效应时 就是用重铅硼硅酸盐玻璃做实验 之后为寻找高V值的玻璃 对含有各种金属离子的玻璃进行仔细研究 但这类玻璃V值都比较小 只有高V值的玻璃才有实际应用价值 顺磁玻璃是含稀土离子的玻璃 这类玻璃中的稀土离子都具有不成对的4f电子 因而离子本身具有永久的电子轨道磁矩 在磁场作用下将顺磁场取向 V值大 真正适合作磁光器件的还是这一类玻璃 与晶体相比 玻璃的V值虽然小 但是玻璃材料具有一系列优点 如透光性能好 光学均匀性好 价廉 特别是容易制得大尺寸制品 通过增加通光方向的尺寸 L 使偏转角满足实用要求 因此 可以与晶体相竞争 3 1 2顺磁性法拉第旋转玻璃 顺磁玻璃是将适当的高浓度的稀土离子溶解在基础玻璃中而制得的 一般 三价稀土氧化物玻璃属于顺磁玻璃 因为它们的偏振面在磁场作用下产生顺磁效应 即产生磁场的电流方向与偏振面的旋转方向一致 其中顺磁离子包括 铈Ce3 镨Pr3 钕Nd3 铽Tb3 镝Dy3 钬Ho3 铒Er3 镱Yb3 铕Eu2 等 顺磁玻璃的的费尔德常数V如下式所示 4 2 g 2NP2CnV 3chKTg 2 02式中 h K分别为普朗克和波兹曼常数 c为光速 为入射光频率 0为顺磁离子固有频率 g为玻尔磁子数 Cn为跃迁几率 g为光谱项分裂值 N为单位体积内顺磁离子数 P为与有效磁子数有关的物理量 磁光玻璃希望有高的N P Cn值 通常希望P2 g值大 由上式可看出 要制得V值大的的玻璃 必须满足以下几点 1 N大 即单位体积内顺磁离子数要多 为了得到稳定玻璃 稀土离子含量应为20 30 mol 2 Cn值大 色散也大 V值也较大 近紫外区固有振动数色散大的Ce3 Pr3 或P大的含Tb3 Dy3 的玻璃 V值也较大 3 V与波长有关 波长越短 也越小 因而V值越大 4 V与温度有关 温度低 可以提高光偏转的角度 含Tb3 的玻璃冷至20K时 V值约增加12倍 作为磁光玻璃 除了高的V值外 还要有良好的光谱特性 光透过 含铈和铽的顺磁玻璃是非常引人注目的 含三价铈的磷酸盐玻璃 在波长为640nm时 费尔德常数V值可达到0 16分 Oe cm 而含氧化铽的BaO B2O3 SiO2系统玻璃 费尔德常数V在630nm处达0 44分 Oe cm 因此 含氧化铽的玻璃是最有前途的磁光玻璃 3 1 3逆磁性法拉第旋转玻璃 对于逆磁性法拉第旋转玻璃 费尔德常数V值可用下式表示 V g 2mc2 dn d 式中 为振动数 n为折射率 g为朗特因子 由上式可看出 色散越大 费尔德常数也越大 因而含有大量Ga 1 In 1 Tl 1 Ge 2 Sn 2 Pb 2 Bi 3等离子的玻璃 具有大的费尔德常数 对于含PbO的硅酸盐 硼酸盐 磷酸盐及锗酸盐玻璃 V值随PbO的浓度增加而增大 以硅酸盐及锗酸盐玻璃更好 如PbO B2O3 Bi2O3 B2O3 Tl2O B2O3 PbO GeO2系统 PbO TeO2 Sb2O3 TeO2系统 Al2O3 Cs2O Rb2O Sb2O3系统 Y2O3 B2O3 TeO2系统玻璃具有很高的透明性和很高的V值 5461 处的V值可达0 50 0 10分 Oe cm 硫 硒 砷等非氧化物玻璃也是较有前途的逆磁性旋光玻璃 但只能用于红外光谱区域 如As2O3 As Se 3 1 4法拉第旋转玻璃的应用 1 调制激光光调制器 光隔离器 光开关2 测定磁场 或测定大电流 利用已知费尔德常数的法拉第玻璃 根据偏振面的旋转角度 可以测定磁场强度 反之 根据高压线周围产生的磁场 也可以测定高压电流的大小 3 2计算机磁盘玻璃 硬盘是硬磁盘驱动器的简称 是目前计算机中不可缺少的外存储设备之一 由于其盘片与通常的聚脂薄膜类软盘相比 是刚性盘片 且与驱动机构等封装在一起而得名 其主要构件有 盘片组 磁头组件 伺服机构 电讯号的传送与处理机构 盘壳 硬盘片是硬盘驱动器中存储信息的核心部件 占硬盘制造成本的20 30 是一种高附加值的产品 在市场上一直供不应求 3 2 1对磁盘基板的要求 影响硬盘的性能指标除了记录方式 磁头结构和磁头材料外 很重要的一个方面是盘片旋转速度以及盘片的记录密度 随着信息的发展 对磁盘的存储量 读写速度以及能源消耗 耐冲击等指标提出了更高的要求 硬盘也相应地朝着容量更大 速度更快 体积更小 安全性更高的方向发展 1 基板的作用与其材料选用要求传统的磁盘基片是Al Mg或Al P金属基片 多采用薄膜复合结构 如下图所示 润滑膜CoCr合金含碳衬层Cr磁性膜NiP膜Al合金基板 即在非常光滑的基板上溅射一薄层磁性膜和一层为含碳材料的保护性衬层 在衬层上面是一薄层润滑膜 用于改善磁头与盘片间的界面性能 a 基板材料必须具备一定的力学强度与表面硬度盘片在工作过程中与会受到许多力的作用 如盘片的重力 盘片随主轴高速旋转而产生的离心力 高速旋转时硬盘空气湍流对盘片的作用力等 运输与携带过程中还会由于各种机械震动而使盘片受到冲击 但是 在整个盘片中 由于磁性层 衬层 润滑层都是薄膜结构 基本上不具备必要的力学性能 因此 盘片的机械性能主要由基板提供 b 具有较大的弹性模量盘片以较高的转速旋转有利于硬盘快速读写数据 但随转速的提高 硬盘内空气湍流对盘片的作用会急剧增大 盘片在此作用下会产生不规则振动 对盘片会造成极大伤害 并且振动的振幅随主轴转速增大而增大 达到一定程度时 盘片会扭曲变形 使整个硬盘损坏 目前普通硬盘的转速为5400转 分钟 部分高档硬盘转速已达7200转 分钟 IBM和日本日立公司等都发布了12000转 分钟的硬盘 正在向14000转 分钟发展 那时盘片受到的作用力更大 由于材料的抗弯性能及共振频率与其弹性模量有关 为了得到较高的转速 基板材料需具有较大的弹性模量 c 基板材料必须具有非常光滑平整的表面以得到较低的飞行高度 当硬盘处于非使用状态时 盘片是静止的 磁头与盘片相接触 当进行读写操作时 盘片随主轴按设定的转速相对磁头旋转 而磁头相对于盘片径向移动 这种操作方式称为接触启动 停止 contactstart stop 简称CSS 磁头与盘片间是很小的距离 此距离称为飞行高度d 是提高盘片存储密度的控制因素 飞行高度d越低 存储密度越大 d已从1997年约50nm降低至目前的接近10nm 而存储密度相应由几个Gb 千兆字节 in2提高到20Gb in2 在降低飞行高度的同时必须考虑到盘片与磁头间的静摩擦 摩擦 磁头与盘片间的空气层越薄 就越难以阻止磁头与盘片间的过多接触与作用 解决的办法就是使盘片表面非常光滑平整 而盘片上的各薄膜层的平整性是由基板表面特性所决定的 欲得到较低的飞行高度 基板材料必须具有非常光滑平整的表面 d 基板具有很好的化学稳定性 受水气等影响较小 2 现有合金硬盘基板的局限性目前 硬盘大都采用铝镁合金基板 其退火后硬度约为0 9Gpa 比较软 不能满足盘片的高转速与高抗冲击性能要求 为了提高其强度与硬度 利用化学方法在其表面沉积一层NiP层 约为10 20um厚 镍与磷重量比约为90 10 从而使其表面硬度达到5 6Gpa 努普硬度 存在的问题 沉积NiP层与铝的膨胀系数有差别 在加工处理过程中容易产生热失配 使盘片出现扭曲 NiP层在稍高的处理温度 高于250度 下会经历一个非晶相到晶相的转变 易于造成材料结构的破坏 最突出的问题是NiP层的球团状结构特性使盘片的表面不均匀 难以获得非常光滑平整的表面 也就难以满足低飞行高度的要求 因此NiP Al基板盘片很难用于20nm以下的飞行高度 由于铝材料刚性不强 难以承受高速旋转时的较大作用力 盘片厚度难以进一步降低 转速也不能进一步提高 直径为65mm即2 5英寸的盘片典型厚度为0 635mm 存储密度为0 5Gb 千兆字节 in2 若再进一步减小盘片厚度就容易发生翘曲现象 由于材料本身固有的缺陷和价格问题 人们一直在寻找性能较优 价格低的替代品 3 2 2玻璃硬盘基板1 玻璃基板的特点a 优点 玻璃的刚度比铝合金大 适于制造薄盘 可省却NiP层的涂覆 玻璃是宏观均匀的 在抛光过程中无塑性变形 能够得到非常光滑的表面 b 缺点 玻璃是一种脆性材料 盘片在高速旋转中可能由于表面裂纹扩展造成玻璃开裂的可能性 解决方法 通过离子交换在玻璃表面产生压应力层 从而钝化裂纹尖端 阻止裂纹扩展 提高玻璃的强度 硬磁盘玻璃基板作为计算机硬盘盘基的一种新型材料 具有耐冲击 不变形 表面光滑 不吸水 不易划伤 机械强度高等优点 用它作硬盘的盘基 一块2 5英寸玻璃盘片存储容量可以达到8GB 大幅度增加信息记录密度 提高信息存储量 加快信息存取速度 从发展来看 玻璃盘基是最佳的选择 近年来发展起来的玻璃基板与铝基板相比 在硬度 强度 膨胀系数 比重 表面粗糙度 平直度等指标上具有明显优势 玻璃盘基与传统的铝合金盘基比较特性玻璃基板铝合金基板与铝基比较密度 g cm2 2 52 665 抗拉强度 Kg mm2 4525 80 表面硬度 Kg mm2 55050 60 8倍比热 Cal g 0 180 2145倍平行度 um 1 8 15 7倍电阻 Ohm cm 9 253 33 64 电容 PF cm 1 42 1 50 接触噪声 mv v 1319 24 48 传播延迟 Psec cm 7899 8 28 从上表可以看出 玻璃基板比铝合金基板轻6 表面硬度高出一个数量级 膨胀系数低许多 其加工后的表面几何尺寸精度都高出20倍 此外在电阻 电容 接触噪声和传播延迟等方面都比铝基片具有极佳性能 是硬盘盘片的发展方向 无论从短期还是长期来看 最终用户选择硬磁盘驱动器的三个要素是 1 运行速度快 2 可靠性高 3 储存量大 IBM公司正是按此需求发展其的玻璃基磁盘的 目前其基片在硬盘驱动器的转速已经达到10000rpm 比传统的铝基片具有活力和更高的可靠性 玻璃基片具有以下特征 1 磁膜表面的均匀性提高近20 增加了磁盘的可靠性 2 明显减少了表面缺陷 有助减少磁头读写错误 3 显著地减低飞行高度 使磁头与磁盘的距离接触达最低 4 较高的硬度 减少磁盘的磨损 5 较高的冲击和损伤承受力 由于玻璃基体的这些优势使硬盘驱动器具有更高容量 更高的记录密度 135G in2 可靠性更高 读写准确率高 还提高数据的完整性和存储保留时间 减少物理性的损伤 使最终用户获得性能价格比高的硬盘驱动器 因此 硬盘驱动器的发展趋向要求通过采用新型磁头降低磁头飞行高度和加快磁盘转速来增大存储的信息容量和提高存取速度 单张铝基板盘片 3 5 的最大存储容量1 6G 而玻璃基板 2 5 已达到近8G 希捷公司2009年3 5英寸盘片容量达到2 5TB 磁盘机的旋转速度由4800rpm 10000rpm提高到10000rpm 30000rpm 随着磁头飞行高度的降低和磁盘运转速度的加快 对基板表面粗糙度 表面平直度和基板强度提出了更高的要求 要求盘面光滑 耐磨 平直度好 能适应高速旋转等特点 这样 铝基板已难以胜任 由于玻璃基板具有表面光滑 不易划伤 不吸收水份 适应高速旋转等优点 并且玻璃基板薄膜介质及镀膜工艺的突破 使玻璃基板取代铝基板已成为必然 此外 硬盘驱动器的发展趋势还要求其小型 轻便 低功耗 使用时水平垂直放置均可 使用环境应相对宽松 例如笔记本电脑 经常随身携带 有振动冲击问题 振动时 磁头与磁盘表面接触很容易使柔性铝基板产生塑性变形而失真 同时破坏基板表面涂履的10 m镍层 所以 近年来 美国 日本的笔记本电脑硬盘几乎都使用表面致密 镀层附着力强 不易破坏的玻璃做基板 台式电脑方面 1999年 IBM公司的36GB和SEAGATE公司28GB的高容量 高速和高可靠性用玻璃盘片制作的硬盘驱动器 预示着玻璃基板在台式电脑的应用需求已启动 将以几何级数递增 2009年的主流硬盘容量为320 1500GB 2 玻璃基板种类现在世界上应于硬盘盘基的玻璃基板分为两类 一类是化学强化的薄板玻璃基板 另一类是微晶玻璃基板 1 化学增强的玻璃基板 其强化机理是对钠钙硅酸盐或碱铝硅酸盐玻璃采用K Na 离子交换 使玻璃表面产生100 150 m厚的应力层 以提高玻璃强度 玻璃盘片薄膜结构包括三层 一层金属铬衬层 一层磁性膜和一层二氧化硅覆层 均采用溅射沉积法得到 抛光加工后表面粗糙度Ra达到20埃左右 由于K Na 离子容易析出 破坏表面记忆膜的记录性能 表面必须镀SiO2膜 这种化学增强玻璃基板与传统的NiP Al基板相比有许多优点 但存在三大缺点 化学强化造成玻璃表面须二次抛光 增加工作量 2 由于存在K Na 离子 表面须镀SiO2膜 提高了成本 3 难以达到高容量所需求Ra小于10埃的表面粗糙度 因此 化学强化玻璃基板将逐步淘汰 2 微晶玻璃基板在基础玻璃组份中引入核化剂 在晶化处理过程中控制晶体生长的尺寸 从而达到提高玻璃强度及其加工性能并控制表面粗糙度Ra小于10埃 没有化学强化基板的三大缺陷 适用于新型的MR 磁阻读写头 磁头 GMR 巨磁阻