材料物理课件Chap7.5磁记录材料

1、材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering (材料物理课件Chap7.5磁记录材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 2 磁头磁头在磁记录中实现信息记录和信息读取的关键部件。它同时也是

2、电信号和磁信号之间互相转换的能量转换器件。它的种类有：体型磁头、薄膜磁头、磁电阻磁头。体型磁头和薄膜磁头都是利用电磁感应原理进行记录和信号读取。为了能使记录介质进行有效的磁化，要求磁头磁芯应具有高饱和磁通密度；读取信息时，要求磁芯材料具有高磁导率，从而敏感地感受记录信号。对这两类磁头材料的要求：1高磁导率2高饱和磁化强度3低矫顽力以及低各向异性4高电阻率5小型、轻量、耐磨性强6加工性能好材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 磁电阻磁头是利用磁阻效应制成的。磁阻效应指的是磁介质在磁场中电阻发生变化的现象。它主要

3、应用于计算机中的硬盘驱动器中读取磁信息。磁头材料磁头材料合金磁头材料合金磁头材料钼坡莫合金钼坡莫合金4wt%Mo-17wt%-Ni4wt%Mo-17wt%-Ni和仙台斯特合金和仙台斯特合金5.4wt%Al-9.6wt%Si-Fe)5.4wt%Al-9.6wt%Si-Fe)这两种材料在低频下的磁导率高，矫顽力低。它们的磁致伸缩系数接近这两种材料在低频下的磁导率高，矫顽力低。它们的磁致伸缩系数接近0 0，具，具有高饱和磁感应强度，写入性能好。有高饱和磁感应强度，写入性能好。2. 2. 铁氧体磁头材料铁氧体磁头材料它的电阻率高，涡流引起的磁损耗低，因此适合在高频条件下工作。主要有它的电阻率高，涡流引

4、起的磁损耗低，因此适合在高频条件下工作。主要有Ni-ZnNi-Zn铁氧体和铁氧体和Mn-ZnMn-Zn铁氧体。铁氧体。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 3. 非晶态磁头材料它具有良好的软磁性能。材料内部结构均匀，没有晶界。磁晶各向异性能低，矫顽力低；通过薄膜化可是涡流损耗低，明显改善高频特性。应用的材料体系有：Co-(Zr、Hf、Nb、Ta、Ti)二元合金和Co-Fe-B合金。4. 微晶薄膜磁头材料通常选择铁基合金，主要原因为Fe的饱和磁化强度高。典型的体系为Fe-MV，Nb，Ta，Hf等-XN，C，B。

5、通过溅射形成非晶膜，而后加热形成微晶。Fe-Ta-C、Fe-Ta-N的BS高于1.5-1.6T, 磁导率高于30001MHz。5. 多层膜磁头材料它是由不同化学组分的数十纳米或以下的超薄膜周期性沉积获得，具有优良的软磁特性。它的BS高达2T，Hc也很低，但难热性差。在500oC下退火，晶粒长大，软磁性能变坏。Fe-C/Ni-Fe 用于垂直记录磁头Fe-Al-N/Si-N 用于垂直记录磁头Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N 用于硬盘磁头Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 用于播送用数字式VTR磁头材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science

6、and Engineering 6. 磁电阻磁头材料一般为坡莫合金，典型的成分为Ni85Fe15。磁记录介质材料应具备的特性磁记录介质材料应具备的特性1 1BsBs大大2 2Br/BsBr/Bs大大3 3HcHc在允许范围内尽量大在允许范围内尽量大4 4作为最小记录单位的微小永磁体尽可能地小，且大小及分布均匀作为最小记录单位的微小永磁体尽可能地小，且大小及分布均匀5 5磁学分布均匀，随机偏差下磁学分布均匀，随机偏差下还要求：还要求：1)1)外表平滑、耐磨损、耐环境性能好外表平滑、耐磨损、耐环境性能好2 2磁学特性对于加压、加热等反响不敏感磁学特性对于加压、加热等反响不敏感3 3化学的、机械的耐

7、久性优良化学的、机械的耐久性优良4 4不容易导电不容易导电在高密度记录中，应选择尽可能薄的层，同时薄膜的平滑性很重要。在高密度记录中，应选择尽可能薄的层，同时薄膜的平滑性很重要。希望是单畴，尺寸在希望是单畴，尺寸在0.04-10.04-1m m范围内，形状以针状为最正确范围内，形状以针状为最正确材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 7.5.2 7.5.2 磁光记录材料磁光记录材料7.5.2.1 磁光效应一束入射光进入具有固有磁距的物质内部传输或者在物质界面反射时，光波的传输特性发生变化，这种现象称为磁光效应。

8、塞曼效应对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象称为塞曼效应2. 法拉第效应它是光与原子磁距相互作用而产生的现象。当偏振光通过一些透明物质时，如加上与入射光方向一致的磁场，透射光会在其偏振面上旋转一定的角度射出。对于铁磁铁材料来说，法拉第旋转角F=FL(M/MS)，F为法拉第旋转系数(o/cm),L为透明材料的长度，Ms为饱和磁化强度，M为入射光方向的磁化强度。对于所有透明物质来说都会产生此效应，法拉第旋转系数最大的是稀土石榴石系物质。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 3. 科顿-莫顿效应假设施加与入射光垂

9、直的磁场，入射光将分裂为沿原方向的正常光束和偏离原方向的异常光束。4. 克尔效应当光入射到被磁化的物质，或入射到外磁场作用下的物质外表时，其反射光的偏振面发生旋转的现象。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 极向克尔效应是目前应用最为广泛的一种克尔效应。从左图可以看出，当具有偏振的激光入射到磁记录介质的外表时，反射光的偏振面会旋转k或-k。 磁光记录和读出原理1. 记录原理利用热磁效应来改变微小区域的磁化矢量取向。磁光记录介质膜在室温下有较大的矫顽力，并且磁化矢量垂直于膜面。记录时，用聚焦激光局部照射到希望记

10、录的部位，该处温度升高，矫顽力下降，并且同时在该处施加反向磁场，使该部位磁化发生翻转，从而实现磁记录。它分为居里温度写入和补偿温度写入两种方式。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 2. 读出原理信息的读出利用克尔效应。磁化反转局部与周围基体的磁化方向是相反的，因此记录局部反射光偏正面的旋转角与其周围基体局部反射光的偏正面的旋转角为2K。同时，调制检偏片角度与与基体的克尔旋转方向垂直，这

11、样基板的反射光被截止，光电管只能检测到从记录位置反射的光。高K是磁光盘的必要条件。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 增大K值可以通过光学透明介质的光学干预来提高磁记录介质的克尔效应，但同时反射率不能太低，所以要选取适宜的光学膜厚。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 磁光记录介质材料磁光记录介质的根本性能要求1垂直单轴磁各向异性K应满足：2薄膜的磁滞回线应为矩形，矩形比接近1；3材料的居里温度要适中；4稳定的最小记录尺寸

12、d要小，d1/Hc，所以矫顽力要高；其它还要满足：5材料要有大的K，成膜后外表光滑平整，晶粒为纳米级或非晶薄膜；6高的热传导率；7热稳定性要好；8抗氧化，抗腐蚀能力强；9易大面积成膜。022SMK,材料的Ms不能太大；材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 2. Mn-Bi多晶膜(未实用化)它的晶体结构为NiAs六方晶体，具有大的结晶各向异性。有两个相，即低温相Tc=360oC)和高温淬火相Tc=180oC) 。3. 稀土-过渡族元素非晶态薄膜有效响应波长为800nm)典型的实用化材料为Tb-Fe-Co。4.石

13、榴石氧化物薄膜抗氧化能力强，有效响应波长较短，为510nm。5. Pt/Co超晶格和Pt-Co合金膜材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering Ni 的电阻率的电阻率-随温度变化的规律随温度变化的规律7.5.3 7.5.3 磁阻磁阻MRMR记录材料记录材料(T)=res+ph(T)+mag(T)材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 7.5.3.1 磁阻效应式中，为磁电阻系数，RT,0)/T,0)、 RT,H)/T,H分别代表为温度

14、为T时， 磁场依次为0，H时的电阻/电阻率。 一般情况下，金属的MR比较小，不超过2%-3%。如果外加电流方向与磁场方向平行，此时材料的MR效应称为纵向MR效应；垂直时那么称为横向MR效应。 电流与自发磁化强度的相对取向材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 根据磁阻效应的物理起源机制可分为：正常磁电阻效应OMR)和反常磁电阻效应。正常磁电阻效应，存在于所有磁性和非磁性材料中，它是由于载流子在磁场中运动的时候受到Lorenz力的作用，产生回转运动，从而增加了电子受散射的几率。使电阻率上升，与电子自旋根本无关。O

15、MR在低外磁场下的数值很小，但在某些非磁性材料中如：金属Bi薄膜和纳米线、Cr/Ag/CrOMR较大。它的优点是没有磁滞现象。反常效应是具有自发磁化强度的铁磁铁所特有的现象，起因被认为是自旋轨道的相互作用引起的与磁化强度有关的电阻率变化。大致原因如下：由于外加磁场引起的自发磁化强度的增加，从而引起电阻率的变化；由于电流和磁化方向的相对不同导致的MR效应,称为磁各向异性效应；铁磁铁的畴壁对传导电子的散射产生的。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Mate

16、rials Science and Engineering Albert FertPeter GrnbergThe Nobel Prize in Physics of 2007 has been awarded for the discovery of giant magnetoresistance (GMR).材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院S

17、chool of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering H=0HHc材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科

18、学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 7.5.3.2 GMR效应1. 实现GMR效应的根本要求一般由3d电子过渡族金属铁磁性元素Fe、Co、Ni)的膜层与Cr、Cu、Ag、Au、Ru、Mo等非磁性膜层交替组成的超晶格多层薄膜系统，在这样的多层膜里能出现GMR效应，电阻系数可以高达50%。它要满足以下条件：1在铁磁性导体/非铁磁性导体超晶格中，构成反平行自旋结构，体系磁化状态可以在外磁场作用下发

19、生改变。2金属超晶格的周期比电子自由程短。Cu的电子自由程在34纳米左右3自旋取向不同的两种电子上旋和下旋，在磁性膜层中的散射差异必须要大。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 早期的多层薄膜制备是用MBE，昂贵的制备本钱大大限制了GMR的应用。1990年，IBM的Parkin等人成功用磁控溅射制取了多晶的Fe/Cr)n、Co/Cu)n膜，并观察到GMR现象和层间耦合震荡。从此，GMR研究工作得到极大的推进。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and E

20、ngineering 2. GMR效应的特点1电阻变化率大，其中Cu/Co多层膜的电阻率可达70%；2随磁场增加，电阻只是减少；3电阻变化与磁化强度-磁场间所成的角度无关；4GMR效应对于非磁性导体隔离层的厚度十分敏感；5具有积层数效应。随着周期性数N的增加，GMR值也增大，当N值到达一定值时，GMR值趋于饱和。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 3. GMR效应的物理起源最初模型Stoner提出由于交换作用，对原子磁距有奉献的d电子能带产生劈裂，自旋向上的电子能带降到费米能级以下，因而自旋相下的电子比自旋向上的电子要少。二流体模型Mott提出在铁磁金属中，导电的s电子要受到磁性原子磁距的散射作用(即与局域的d电子作用，散射的几率取决于导电的s电子的自旋方向与固体中磁性原子磁距方向的相对取向。自旋方向与磁距方向一致的电子受到的散射作用很弱。反之，散射作用会很强。材料科学与工程学院材料科学与工程学院School of Materials Science and Engineering 1GMR hard drive4. GMR效应的应用材料科学与工程学院材料科学与工程学