磁记录技术的物理原理及其进展，本文主要内容关键词为：进展论文,原理论文,物理论文,技术论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
磁记录的出现已有一百多年了，但至今仍有很强的生命力。磁记录每次取得突破性进展都是与磁介质的重大变革密切相关的，每种新型磁介质的出现，加之记录方式与装置的改进，都使磁记录的密度不断提高。
一、磁记录介质的发展概况
磁记录最早是由丹麦工程师Poulsen于1989年发明的。当时他用钢丝做记录介质，由于矫顽力低，所以输出的音质很差，未能获得广泛的应用。
1932年Ruben以
粉末和粘合剂涂成磁带，为磁带的制造工艺打下了基础。1954年M.Camras发明了制造针状
磁粉的工艺。随后，渐渐代替了粒状的磁粉；使磁带的性能稳定，易于长期使用和存放，价格低廉，为磁记录迅速发展打下了基础。
20世纪50年代的电子计算机，磁带录像机以及20世纪60年代盒式录音机等的出现，大大推动了膜记录和数字记录用的磁带，磁盘和磁鼓等的应用和发展。磁记录的理论也随之有了相应的发展。另一方面，理论也为磁记录的不断开拓和提高记录密度及小型化指出明了方向：对纵向磁记录应采用高矫顽力的介质；减薄次层；减少磁头和介质的间距及磁头的缝隙长度等。在这些原则的指导下，磁记录技术得到飞跃发展。
随着高矫顽力磁记录材料的不断开拓，如1960年美国Du-pont公司发明的
磁粉；1974年日本东京电气公司的Avily磁粉；1978年美国3M公司的金属粉等。加之磁记录技术的进步，使硬磁盘的面记录密度由1956年发明时的2000bit/平方英尺提高到1990年的约
／平方英寸，增加了约
倍。进入而21世纪以来，对于超高密度的磁记录（例如
）来说，使用磁性纳米颗粒作为存储介质是一个公认的发展方向。
二、磁存储的物理原理
磁存储材料是利用矩形磁滞回线或磁矩的变化来存储信息的一类磁性材料。物质在磁场H的感应下会被磁化，形成磁偶极子即磁矩。单位体积中的磁矩M被称为磁化强度。磁性材料（特指铁磁性材料）的特点是对外加磁场特别敏感，磁化强度M大。磁性材料的M和磁场H关系很复杂，只能用磁化曲线和磁滞回线来描述。
如图1所示是磁性材料的磁滞回线。把一块未磁化的磁性材料置于磁场H中，若从零开始缓慢增大磁场，即可观察到磁化强度M随OAB曲线变化最后在B点到达饱和。继续增大磁场，M不再增大。OAB曲线为初始磁化曲线。此时若减小磁场，M并不沿初始磁化曲线原路返回，而是沿BCD曲线变化，当磁场H为零时，M不等于零，而是等于Mr，Mr称为剩余磁化强度。继续减小磁场至D点时，磁场变化为-Hc，这时M才重新回到零，Hc值称为磁性材料的矫顽力。此时若继续增加反向磁场，M值就会在负方向上迅速增大，然后在E点再次达到饱和。若从这种负饱和状态开始，再次向正方向增大磁场，这时磁化曲线将沿着新路径EFGB变化。由图可见，EFGB曲线以原点O为对称点与BCDF曲线呈现对称形式。由这两条曲线闭合而成得到的回线，称为磁滞回线。
磁存储技术就是利用磁滞回线的两个剩磁状态+Mr和-Mr来记录二进制数字信号“0”和“1”的。磁存储密度D与磁存储材料的关系：D=(Hc/Mrm)/h从式中，h是磁性薄膜的厚度；Hc是矫顽力；Mr是剩余磁化强度；m是和磁滞回线的矩形有关的因子。
附图
图1 磁性材料的磁化曲线和磁滞回线
因此，若要提高磁存储密度，介质的Hc/Mr比和介质磁滞回线的矩形要大，介质的厚度要很薄。由于记录信号强度正比于剩余磁化强度Mr。因此，为了提高Hc/Mr比，介质的矫顽力应当很大。
根据磁化方向与存储介质的运动方向是垂直的，可把磁记录方式分为平面磁记录和垂直磁记录两种。目前计算机外存中使用的绝大多数磁盘、软盘和磁带都是采用平面磁记录方式。在平面磁记录方式中，为了提高记录信号的稳定性，磁记录介质的矫顽力必须大于纵向退磁场。纵向退磁场取决于退磁因子和磁化强度。因此，要求平面磁记录介质的矫顽力大，退磁因子小。
事实上平面磁记录介质从早期的氧化物磁粉
经由金属合金磁粉（Fe-Co-Ni等）发展到金属薄膜（CoCrPt、CoNiCr或CoCrTa等）的过程就是一个不断提高矫顽力和剩余磁化强度的过程。在这一发展过程中，人们意识到，为了实现高密度平面磁记录，磁存储介质的晶粒尺寸要小，晶粒各向异性要大，晶粒间的相互交换作用要弱，而膜化是实现这些目标行之有效的方法。
垂直磁记录方式的优点是，磁记录膜层的矫顽力不用很高，厚度也无须很薄，原因是垂直磁记录时退磁场强度会随厚度的增加而减小。正是由于垂直磁记录膜允许做得稍厚，其热稳定性也就较好。垂直磁记录方式中，磁化方向垂直于磁记录材料的膜面，因此，材料的易磁化轴也必须垂直于膜面。要做到这一点，材料的单轴各向异性长数Ku必须大于等于
。满足这个要求的材料主要是Co-Cr合金，在Co-Cr合金中添加Ta则能够有效地抑制Co-Cr合金的晶粒子并改善矩形比，同时还能抑制平面磁化的矫顽力。
三、磁介质膜的超高密度信息存储
金属磁性超薄膜和多层膜显示了杰出的特性，如容易实现的垂直磁化轴，增强的磁—光Kerr旋转和巨磁阻(GMR)等，这些特性都可能用于超高密度信息存储。
1.纳米薄膜磁介质
Rousseaux F等人用0.6～2nm的Co薄膜制成Au/Co/Au(111)器件。它显示在膜的垂直方向有增强的磁化特性，只有两个取向，向上或向下。Hosaka S等人在
基底上沉积纳米级厚度的Pt/Co膜，用磁力显微镜(MFM)对其形成磁畴和改变取向，实现信号的写入、读出。图2出示了MFM的信息写入和读出示意图，针尖上镀有厚30nm的磁性材料PtCoCr和20nm的C膜，可以在20nm直径的磁畴长记录信号。
附图
图2 扫描磁力显微镜的信息写入，读出原理图
2.近场光学的磁—光存储
用固体浸没透镜(SIL)可以得到近场光源，实现磁—光信息存储。TerrisBD等人用数值孔径为0.5的物镜将二极管激光器发出的光聚焦到磁—光(MO)盘上，记录由于磁畴取向改变产生的Kerr旋转反射光，实现信息的写入和读出。数据由在加磁场时脉冲激光写入，反向磁场可以擦除。它们的实验给出的线存储密度为
的信号存储密度。
3.巨磁阻用于信息存储
由磁性和非磁性材料交替组成的多层薄膜，当临近两层磁性膜的磁矩取向相反时，中间的非磁性的金属层电阻最大；反之，磁矩取向相反时，电阻最小；两者的差别非常大，故有很大的信噪比。在非磁性基质中的磁性材料的超微粒子也具有巨磁阻特性。巨磁阻效应与MFM相配合，可能实现超高密度信息存储，现在为一些学者研究。
四、量子磁盘与高密度磁存储
磁记录介质可以分为连续介质（薄膜）与非连续介质（颗粒）两大类。目前使用量最大的磁记录介质是包钴，的颗粒形态呈针形，的矫顽力主要取决于形状各向异性，大约为24kA/m，利用其形状各向异性可获得高矫顽力，表面包钴后，可进一步提高矫顽力。为了满足高密度磁记录对介质提出的高矫顽力Hc、高剩余磁感应强度Br的要求，1973年开发出掺钴、包钴的磁粉。掺钴的矫顽力可以做得很高，但温度稳定性差；而外延生长的包钴磁粉却可避免此缺点，并可通过控制钴含量有效地控制矫顽力，目前已广泛地应用于中、高档盒式录音带、录像带和磁盘中。
近年来各种信息飞速增加，需要记录的信息量也不断增加，要求记录材料高性能化，特别是高密度化。高记录密度的记录材料与超微粒有密切的关系。例如，要求每1
可记录1000万条以上信息，那么一条信息要求被记录
中至少要有300个记录单位。若以超微粒做记录单元，记录密度将大大提高。
纳米磁粉及由其构成的固体或液体均为纳米材料。目前已应用纳米磁粉材料研制成了多种多样的磁性材料，磁记录材料就是其中之一。由于它具有记录高密度、稳定可靠、时间基准可变、可记录频率范围大、信息写入后马上可读出、价格便宜等特点，是当今信息社会应用最广的磁性材料之一。但是，随着记录高密度化、小型化和数字化的发展，对磁粉的要求也越来越高，必须努力把磁粉的Hc由24kA/m提高到120kA/m，颗粒介质厚度由微米级降低到100nm以下，通过磁浆分散技术的改进，减小粒径以提高磁层均匀性。近年来出现的无机磁粉(NP)具有优良的性能，为椭圆形状，有可能成为近期实用化的高密度磁记录磁粉材料。以Fe为主的合金磁粉，添加Co、Ni后，其粉粒长轴150μm，短轴30μm，比
细，Hc为120kA/m～160kA/m，Br为0.23T一0.30T，用于涂布型磁带可获得高密度输出。
磁性纳米复合材料与信息化、自动化、机电一体化、国防及国民的各个领域密切相关。为了提高磁记录密度，磁记录介质中的磁性颗粒尺寸已由微米、亚微米向纳米过度，例如合金磁粉的尺寸约80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸约40nm，进一步发展的方向是所谓“量子磁盘”，利用磁纳米线的存储特性，记录密度预计可达
。由超顺磁性所决定的极限磁记录密度理论值约为
。
五、磁记录技术未来展望
对于超高密度的磁记录（例如）来说，使用磁性纳米颗粒作为存储介质是一个公认的发展方向。然而，随着颗粒尺寸的减小，每个颗粒的磁各向异性能也将随之减小，以至于变得与热能
相当。此时，热涨落将引起磁矩随机地翻转，纳米颗粒的磁性不再能保持其原来的磁化方向，结果丧失信息，这种磁矩随时间无规变化的状态被称为超顺磁，它限制了磁记录密度的提高。
最近，来自美国特拉华(Delaware)大学的Skum-ryev等借助于铁磁／反铁磁界面交换耦合机制，制备出了一种新型纳米颗粒磁性复合材料。新材料具有极好的磁各向异性和磁化的热稳定性，如果将直径约3～4nm的Co颗粒植入到顺磁基体（例如
）中，当温度T＞10K，材料便表现为超顺磁性，也就是说，各向异性能
，其中v是Co颗粒的体积，当实验者改用反铁磁CoO作为基体时，他们发现：超顺磁发生的温度被提高到了290K，这恰恰是基体CoO的反铁磁有序Neel温度
。
电子显微镜分析表明：Co颗粒在CoO基体中形成了Co芯CoO壳的“芯—壳结构”，磁化强度作为温度的函数表明，Co芯CoO壳颗粒的铁磁性（以非零的剩余磁化强度
表征）可以以低温一直维持到室温。研究者认为CoO的
，实际上反映了反铁磁结构中子晶格磁性有序的相互作用强度。Co芯颗粒的铁磁性磁矩产生一个交换场，它如同一个外场作用于CoO壳，在CoO壳中感应出了沿着Co芯磁矩方向的非零磁矩。专家预测，上述交换各向异性耦合机制，对于克服超顺磁限制进而制造超密度磁存储器，具有重要意义。