第6章磁记录材料.ppt

第6章 磁记录材料本章将要介绍的主要内容：☞磁记录概述；☞磁头及磁头材料 ；☞磁记录介质及介质材料 ；☞磁光记录材料 ；☞磁泡及磁泡材料6.1 磁记录概述我们已经进入信息社会？“知识大爆炸”？记忆靠人脑？6.1.1 磁记录的基本过程（b）（a）（c）抹音磁头录音磁头放音磁头驱动器记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流将电磁铁磁化，在气隙出产生溢出磁场当磁带转动通过磁头气隙时，气隙处的溢出场将磁带磁化磁带转动离开气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从而在磁头线圈中产生感应电压，该电压正比于磁通的变化率虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复，但是经过适当的电路处理以后，就能重现记录信号存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场的强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场，就可以抹除原先记录的信息，抹除之后，记录介质又可准备记录新的信息 6.1.2 模拟式磁记录模拟式磁记录无调制记录无偏磁记录偏磁记录调频制FM调幅制AM脉冲时间调制PTM脉冲宽度调制PWM脉冲编码调制PCM 偏磁信号本身并不反映在磁介质的记录信号上。

通过磁头（电磁转换器）实现模拟信号或脉冲信号反映在磁介质的记录信号上通过电子管、晶体管等调制器来实现的；调制记录无偏磁记录 信号转换成电流后，直接送入磁头线圈而记录在磁介质上缺点：信号失真、能量转换效率差、信噪比低等；偏磁记录直流偏磁交流偏磁记录调幅高频载波：调制信号：调制后：调频载波信号：调制信号：调频波为：5.1.3数字式磁记录数字式记录数字记录采用on和off这两种有一定间隔的脉冲信号，主要采用“1”和“0”这两种数值的信号数字信号记录有利用磁化方向记录和利用磁化反转记录两种方式，记录原理如下：101100a.利用磁化方向进行记录 b.利用磁化反转进行记录数字信号调制原理tb01000111+I-I磁头行走方向数字信号记录介质记录电流脉冲电压（再生）两种磁化模式NNSS排斥厚度d比特间距b（因排斥而发生退磁效应）a.水平磁化模式（b》d）NSb db.垂直磁化模式（b

垂直磁记录头与介质材料基板基板坡莫合金膜Co-Cr合金主磁极（坡莫合金膜）铁氧体励磁线圈磁记录层打底层6.2 磁头与磁头材料 磁头是指能对磁介质进行信息记录、再生及读取功能的器件 采用磁头与磁记录介质相组合的形式，通过磁头间隙产生的漏磁通使磁性膜磁化高密度存储要求：磁记录介质：高剩磁，高矫顽力，矩形比接近1；磁 头：高磁通密度，高磁导率再生时获得足够大的输出保持相对稳定的磁化状态对记录介质进行有效地磁化有效地再生记录信号典型磁头示例6.2.1磁头的种类体型磁头薄膜磁头磁电阻磁头磁性合金：坡莫合金、仙台斯特合金、Fe-Al合金和Fe-Al-B合金 ；铁氧体磁头：Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体 MIG磁头：铁氧体磁芯间隙中沉积一层软磁合金薄膜 工作缝隙小、磁场分布陡河磁迹宽度窄，故可提高记录速度和读出分辨率 利用磁电阻效应制成电磁感应原理电磁感应型磁头和GMR磁头电磁感应磁头记录与再生原理磁电阻磁头结构示意IIIHMθ电极电极I：电流H：外加磁场M：磁化强度磁电阻磁头再生原理HRRtHbHs6.2.2 磁头材料☞合金磁头材料☞铁氧体磁头材料☞非晶态磁头材料 ☞微晶薄膜磁头材料 ☞多层膜磁头材料 ☞磁电阻磁头材料 主要包括下面几类：含钼坡莫合金和仙台斯特合金 镍锌铁氧体和锰锌铁氧体 Co-（Zr，Hf，Nb，Ta，Ti）二元系合金薄膜和Co-Fe-B类金属非晶态薄膜 Fe-Ta-C，Fe-Ta-N等 Fe-C/Ni-Fe ；Fe-Al-N/Si-N；Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 等坡莫合金 6.3 磁记录介质及介质材料日常生活中的磁记录媒体6.3.1 磁记录介质应具备的特性 1） 饱和磁通密度2） 矩形比大3）矫顽力在磁头允许的范围内尽可能的大4） 作为磁化反转的单位的体积应尽量小， 大小及分布均匀5） 磁学特性分布均匀，随机偏差小6） 表面光滑，耐磨损，耐环境性好7） 磁学特性对于加压、加热等反应不敏感8）化学的、机械的耐久性优良9） 不容易导电高出力高记录密 度低噪声高可靠性基本要求记录介质应具备的条件6.3.2颗粒状涂布介质对颗粒介质的要求对颗粒介质的要求 颗粒状介质最好是单畴的；颗粒的形状以针状为最佳 ；颗粒状介质信噪比与 成正比，N为单位体积内磁性颗粒数 样品开关场分布尽可能窄矫顽力在磁头允许的情况下足够高 居里温度必须比记录介质材料在使用、存贮和运输过程中的环境温度要高。

颗粒状涂布介质结构 Al2O3微颗粒带基记录层有机粘接剂及润滑剂磁性粉Al2O3粉/铁丹粉/碳粉涂布型磁带结构示例涂布型磁带主要由带基和附着其上的磁性涂覆层构成 基板记录层有机粘接剂磁性粉Al2O3补强剂涂布型磁盘结构示例常用磁盘分硬盘和软盘两大类：硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金盘基上附着磁记录层软盘是在可挠性PET盘基上附着磁记录层 磁性粉（1）-Fe2O3（2）包覆Co的-Fe2O3（3）CrO2（4）金属磁粉（5）氮化铁（6）钡铁氧体矫顽力范围为20～32kA/m 矫顽力范围为55～70kA/m 矫顽力范围为35～50kA/m 矫顽力可达51kA/m 矫顽力范围为100～900kA/m 纯铁的MS＝1700kA/m磁化强度和矫顽力比氧化物高，但易腐蚀 颗粒状介质的优缺点颗粒状介质的优缺点 （1）介质的磁性能由颗粒本身决定，其磁性能和非磁性能可独立改造和控制；（2）颗粒状涂布介质生产速度块，产量高，成本低；（3）可提供或可开发的颗粒选择范围宽，只是受到磁头材料的限制优点：缺点：（1）磁性颗粒所占比重较小，使得涂层的磁性能和记录性能变差；（2）介质厚度较大；（3）磁性颗粒分散性难以控制，很难产具有理想记录特性的颗粒；（4）在涂布过程中用磁场对颗粒进行定向或打乱定向不是很有效。

6.3.3 薄膜介质基底附加层磁性层保护层薄膜记录介质的一般结构薄膜记录介质由基底、附加层、磁性层和保护层组成在磁层和附加层之间也可增加一层缓冲层保护层可以是单层的，也可以是多层的在保护层上还可以增加一层润滑层 基底和附加层要求薄膜与基底之间有很强的粘结力，因此必须保持基底清洁度和材料的兼容性 为了使磁盘表面形貌均匀，基底必须有很好的抛光对于硬盘来说，基底的硬度很重要，因此需要添加非磁性附加层来提高硬度附加层除了可提高硬度外，还可以减少缺陷磁性层磁性层制备方法很多，有电镀法、真空蒸镀法、溅射法等，可根据不同的介质灵活采用真空蒸镀溅射早期现今溅射镀膜基板单晶体AB岛状生长模式工艺控制因素：入射原子速度、能量；基板温度影响形核及成膜的因素：表面扩散；停滞时间；再蒸发；体扩散Co的单方向生长模式基板c轴[0001]方向为了获得高矫顽力，薄膜通常选用高各向异性的Co基合金保护层和润滑层记录层（Co-Cr-Ta，Co-Cr-Pt等）缓冲层（Cr，Cr-Mn，Cr-Ta等）基底和附加层保护层和润滑层Co-Cr-Ta记录层（10nm~130nm）Ni-Fe软磁层（7000nm）基底和附加层水平磁记录盘片结构示意垂直磁记录盘片结构示意保护层保护层应尽可能薄、不粗糙、耐磨，同时应不使磁头磨损，还应尽可能具有强的抗腐蚀性 保护层材料应该是比较硬的、化学性质不活泼的、能与磁性层很好粘结但与磁头不粘结的材料，同时应有高的抗张强度，并且不易碎裂 常用的保护层材料有硬质碳，除此之外，保护层材料还有TiC、TiN、SiC、CrC3、Al2O3等 典型磁记录介质示例常用的磁记录介质有磁带、磁盘和磁卡等磁带是在基板上，沉积磁性层并构成复合材料膜层结构磁带断面结构磁盘磁性层基板（如PET等）磁性层基板（如PET等）Ti膜倾斜蒸镀可挠性软盘准二层膜垂直记录可挠性软盘软盘是在可挠性PET盘上附着磁记录层磁盘由在圆盘状盘基表面附着磁记录介质层构成。

常用磁盘分为硬盘和软盘两类：硬盘基板（铝合金）基板（铝合金）NiP磁性层SiO2保护膜TiNi-Fe膜磁性层碳保护膜硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金基盘上附着磁记录层电镀磁性膜硬盘垂直磁性膜硬盘磁盘制备工艺基盘制作（坯料）如Al-5%Mg合金熔炼、铸造，压延，圆板冲切，加压退火内外径切削，两面研磨电镀Ni，研磨，洗净磁性膜溅射，碳膜溅射，润滑液镜面研削，研磨，铬酸盐光泽处理，洗净磁性膜涂布（磁性粉、粘接剂、添加剂），树脂硬化，润滑膜凹凸检查，磁性检查，膜缺陷检查基盘制作（成膜基板）洁净基板制作工程洁净基板制作工程记录介质形成工程记录介质形成工程检查工程薄膜型涂布型硬盘驱动器结构示意图磁卡磁卡方便信息的存储、读出，使用方便、安全、快捷，保密性好磁性条纹类型基体基体附着磁性条纹磁性层附着磁性条纹卡全磁性涂布卡俯视图侧视图磁卡构造基体（PET188~250m）中心部分（PVC，0.56mm）过渡片（PVC，0.1mm）保护层银灰层磁性层（5~15  m）磁性条纹磁卡制备工艺流程设计组版，校正制版印刷覆膜数据写入最终检查成品出厂贴磁条整平断截，成形扩充，加工磁检查，消磁6.4 磁光记录材料磁光记录实际上是光辅助式磁记录本节主要讲述下面内容：6.4.1磁光效应磁光效应6.4.2磁光记录和读出原理磁光记录和读出原理6.4.3磁光记录介质材料磁光记录介质材料6.4.1 磁光效应赛曼效应法拉第效应和科顿-莫顿对发光物质施加磁场，光谱发生分裂无应用入射光透射光磁场H磁场H异常光线正常光线法拉第效应科顿-莫顿效应克尔效应xyzMMM（a）（b）（c）克尔效应（a）极向克尔效应；（b）横向克尔效应；（c）纵向克尔效应当光入射到被磁化物质，或入射到外磁场作用下的物质表面时，其反射光的偏振面发生旋转的现象称为克尔效应记录层克尔效应的应用利用极向克尔效应进行磁光记录的原理非记录点记录点记录位极向克尔效应是目前应用最为广泛的一种克尔效应，当具有直线偏振的激光入射到磁记录介质的表面时，反射光的偏振面因磁性膜的磁化作用而旋转 或 角度。

6.4.2 磁光记录和读出原理记录磁场：Hb初始态（a）（b）（c）磁光记录原理激光光束磁光记录原理磁光记录原理 基本原理是利用热磁效应来改变微小区域的磁化矢量取向 记录时，用聚焦激光局部照射希望记录的部位，该处温度升高，矫顽力下降，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 两种记录方式HCHcrHcLTrTLTCTHcrHcLTrTLHCTTCTcomp（a）居里温度写入方式（b）补偿温度写入方式磁光记录中两种不同的写入方式磁光记录分居里温度（TC）写入和补偿温度（Tcomp）写入两种方式 两种记录方式共同的特点：记录温度TL下的矫顽力HCL比室温Tr下的矫顽力HCr要低得多 磁光记录读出原理激光功率低于记录时功率光盘记录、再生、擦除原理汇总大体分为三类：☞再生专用型（便携音响用光盘(CD)等）；☞一次写入型（文书文件，录像文件等）；☞可擦除重写型记录用光强度大光强度小基板反射膜再生专用型形成沟槽一次写入型基板反射膜光强度大光强度小记录用基板光强度大光强度小记录用基板光强度小光强度大记录用发生相变开孔合金层1合金层2光强度小光强度大基板记录用相互扩散内部变形可擦除重写型基板记录用非晶态光强度小光强度大相变制导膜基板记录用垂直磁化膜记录：光磁记录再生：克尔效应消除：高温+磁场记录：高温+急冷再生：光强变化消除：低温徐冷6.4.3 磁光记录介质材料本节讲述的主要内容： ☞磁光记录介质的基本性能要求 ☞ Mn-Bi多晶膜 ☞稀土-过渡族元素非晶态薄膜 ☞石榴石氧化物薄膜 ☞ Pt/Co超晶格和Pt-Co合金薄膜 磁光记录介质基本性能要求☞垂直磁化，要求：☞为了产生良好的记录开关特性，要求矩形比等于或接近于1 ；☞居里温度适中，否则记录用半导体激光器的功率必须很大；☞稳定的最小记录位尺寸d可粗略地表示为： ，因此要求材料的矫顽力要足够大 ☞另外还要求低噪声，化学结构等稳定，便于大面积均匀成膜，具有很强的市场竞争性等Mn-Bi多晶膜 六方晶体Mn-Bi是最早研究的磁光记录介质，晶体的c轴垂直于膜面（KU>0），矫顽力大（160kA/m～320kA/m）。

Mn-Bi在晶体结构上有两个相，即低温相和高温淬火相低温相居里温度较高，TC=360℃当加热至居里温度以上时，部分转变为顺磁相，从而导致磁矩下降高温顺磁相急冷至室温（淬火）时，晶体将保持高温相的结构高温相的居里温度低，TC=180℃，对磁光记录有利，但由于MS低，相应的F也低，读出信号变小结晶相晶体结构居里温度（℃）室温磁化强度（kA/m）品质因子（633nm）相对激光记录功率相对读出信号（633nm）低温相NiAs3606003.0511高温相无序NiAs1804401.40.2～0.350.3～0.5缺点：TC太高缺点：不稳定因此，Mn-Bi尚无应用稀土-过渡族元素非晶态薄膜 非晶态的优点是可获得成分连续变化的合金体系，这样可大范围调节记录介质的磁光性能，因此对设计理想的磁光记录介质十分有利非晶态R-TM合金中，当R为轻稀土类时，磁矩基本上是相互平行的（铁磁性）；R为重稀土类时，磁矩为反平行的（亚铁磁性）因此，重稀土-过渡族金属合金，可以使整体磁化强度MS较小同时，单原子各向异性大的Tb、Dy和Co感生的非晶薄膜的各向异性能也大因此，Tb-Fe-Co非晶态薄膜成为磁光盘中使用最为普遍的合金成分。

Tb-Fe-Co非晶膜有以下优点：（1）在近红外区（例如光波长为800m）能长期使用；（2）可容易地获得垂直磁化膜；（3）为非晶态结构，可避免晶界等造成的再生噪声；（4）居里温度TC为200℃，与现在半导体激光功率可良好对应等 稀土-过渡族元素非晶态薄膜发展趋势轻RE(Nd，Ce)-Co和重RE(Cd，Tb，Y)-Co非晶态合金薄膜的与激光波长变化关系的比较高密度存储要求记录波长变短，但重RE-TM化合物的 值变小，因此，短波长磁光记录应采用轻稀土-过渡族金属非晶态薄膜 石榴石氧化物薄膜石榴石氧化物在短波长时有很大的磁光效应，波长为510nm时的法拉第效应达7.5/μm ，非常利于用作磁光存储介质RE-TM非晶态薄膜虽成功用于第一代磁光盘，但由于以下原因难以在记录密度上有更大的突破：首先，稀土抗氧化能力差，对需永久保护的文档资料是一个安全隐患；其次，RE-TM靶材的制作和回收困难，不利于降低盘片的制作成本 1958年发现YIG单晶能传递红光和近红外光，且法拉第旋转角较大； 1963年用它的单晶作成磁光调节器；70年代初，液相外延石榴石单晶薄膜成功地用于磁泡器件；80年代初期石榴石薄膜的磁光盘研究成了热门话题 ；利用石榴石氧化物记录介质的高度抗氧化性和抗辐照性，其可用于特殊用途，如军事、航空、航天等 。

薄膜各向异性和磁光效应主要考虑石榴石薄膜各向异性常数KU和磁光效应特性 其各向异性主要源于感生应力：其中：薄膜与衬底不同的热膨胀而引起的应力 杨氏模量泊松比 薄膜的膨胀系数 衬底的膨胀系数 磁光效应主要来自电子自旋-轨道相互作用，其能量大小为：自旋-轨道耦合系数 轨道角动量 自旋角动量 Pt/Co超晶格和Pt-Co合金薄膜 Pt/Co超晶格在波长400nm下，K>0.3，其磁和磁光性能已达到实际使用的要求；另外，Pt/Co超晶格的反射率高，其磁光品质因子在短波长范围内优于RE-TM薄膜，是下一代超高密度的磁光存储介质 一般认为，其有效单轴各向异性来源于：Pt/Co超晶格一般采用溅射成膜的方法制备CoPt合金薄膜也具有强的垂直各向异性、高的矫顽力和大的极向克尔旋转，是下一代短波长磁光记录的后备材料 磁性层厚度界面各向异性体积各向异性6.5磁泡及磁泡材料 6.5.1 磁泡材料应具备的条件磁泡材料应具备如下条件：（1）材料应能垂直磁化，要求：（2）磁泡的直径要小，磁学特性与温度相关性要小磁泡的最小直径取决于材料自身的磁学特性： （3）磁泡的迁移率要比较大为提高磁泡的迁移率，材料的K不宜过大。

同时，若材料的K值过大，还会导致磁泡直径大，不利于高密度记录，因此必须探求最佳磁学特性的范围 6.5.2 磁泡材料磁泡材料主要有单晶石榴石外延薄膜和非晶态合金薄膜两种类型 单晶石榴石外延膜 是目前使用的磁泡材料，研究内容主要包括：寻找小泡径材料，提高畴壁迁移率，改善温度系数等目前常用的材料有：(EuEr)3(FeGa)5O12，(EuY)3(FeGa)5O12，(SmY)3(FeGa)5O12，(YSmLuCa)3(FeGe)5O12等 非晶态磁泡材料，泡径约在0.08～5m之间，畴壁迁移率为61.5～376.9cm/sA/m因此非常适合制造高密度，高操作速度的磁泡存贮器因为是非晶态，所以制作薄膜时无需单晶基片，并省去了单晶生长、切割、研磨、抛光等大量繁琐的工艺，同时降低了成本然而非晶态磁泡材料有温度性能差的明显缺点，所以很难用来制作磁泡器件 6.5.3 磁泡器件的制作GGG单晶生长基片定向、切割、研磨、抛光液相外延稀土石榴石磁泡薄膜材料性能测试芯片制备中测及划片装架及焊接器件封装器件测量制备磁泡器件的工艺流程磁性外延膜制备方法磁性外延膜的制备方法主要有化学气相沉积和液相外延法高频加热线圈原料气体基板反应管排气溶液包熔融原料滑板单晶基板化学气相沉积（CVD）外延法液相外延法。