1、第四章第四章 磁记录材料磁记录材料*21世纪是世纪是 “信息世纪信息世纪”，大容量存储技术在信息处理、传，大容量存储技术在信息处理、传递和保存中占据相当重要的地位。递和保存中占据相当重要的地位。*磁记录技术在信息存储领域具有独特的地位，它的发展已磁记录技术在信息存储领域具有独特的地位，它的发展已经有经有100多年历史。多年历史。*磁记录设备：磁带、软盘、硬盘磁记录设备：磁带、软盘、硬盘 特点：价格低廉，性能优良，记录密度逐年提高，特点：价格低廉，性能优良，记录密度逐年提高，信息写入和输出速度快，容量大，可擦除重写信息写入和输出速度快，容量大，可擦除重写实例：磁带录音机、录像机、银行卡、图书卡、
2、门卡、实例：磁带录音机、录像机、银行卡、图书卡、门卡、计计算机算机*光记录的特点：非接触式记录，存储密度高、容量大，性光记录的特点：非接触式记录，存储密度高、容量大，性价比高价比高缺点：缺点：信息的读写需要精密跟踪伺服的光学头，光盘驱动信息的读写需要精密跟踪伺服的光学头，光盘驱动器价格较贵，数据传输速度慢器价格较贵，数据传输速度慢*固态存储器的特点：没有固态存储器的特点：没有运动部件，可靠性高，可以高速运动部件，可靠性高，可以高速随机存储，随机存储，不需电池供电，数据为不挥发性不需电池供电，数据为不挥发性缺点：存储量较小，价格高缺点：存储量较小，价格高*20世纪世纪80年代出现的其它存储设备：
3、光盘、固态存储器年代出现的其它存储设备：光盘、固态存储器（如（如U盘等）盘等）4.1 磁记录概述磁记录概述*磁记录的功能是将一切能转变为电信号的信息磁记录的功能是将一切能转变为电信号的信息(如声音、如声音、图像、数据和文字等图像、数据和文字等)，通过电磁转换记录和存储在磁记录，通过电磁转换记录和存储在磁记录介质上，并且该信息可以随时重放。介质上，并且该信息可以随时重放。*根据记录信息的形态，磁记录可分为：根据记录信息的形态，磁记录可分为：模拟式磁记录、数模拟式磁记录、数字式磁记录字式磁记录*根据磁化强度与记录介质的取向，数字式磁记录可分为：根据磁化强度与记录介质的取向，数字式磁记录可分为：水平
4、磁化模式、水平磁化模式、垂直磁化模式垂直磁化模式4.1.1 磁记录的基本过程磁记录的基本过程*由介质上的记录磁迹所构成的磁化强度的空间变化代表记由介质上的记录磁迹所构成的磁化强度的空间变化代表记录信号的时间变化规律录信号的时间变化规律4.1.2 模拟式磁记录模拟式磁记录定义：定义：将声音振动的大小、图像的明暗等原样地转变为磁将声音振动的大小、图像的明暗等原样地转变为磁化的强弱，记录在记录介质表面上的方式化的强弱，记录在记录介质表面上的方式分类：分类：无调制记录（直接记录）、调制记录无调制记录（直接记录）、调制记录无调制记录：无偏磁记录、直流偏磁记录、无调制记录：无偏磁记录、直流偏磁记录、交流偏
5、磁记录交流偏磁记录*偏磁信号本身并不反映在磁介质的记录信号上偏磁信号本身并不反映在磁介质的记录信号上 直接记录直接记录调制记录：调幅记录、调频记录调制记录：调幅记录、调频记录*载波信号反映在磁介质的记录信号上载波信号反映在磁介质的记录信号上一、偏磁记录一、偏磁记录1、直流偏磁记录、直流偏磁记录*优点：优点：较好的线性关系和较好的线性关系和较高的记录灵敏度较高的记录灵敏度*缺点：缺点：当没有信号时，存当没有信号时，存在直流背底噪声；在直流背底噪声；信号的动态变化范信号的动态变化范围只能在线性部分围只能在线性部分2、交流偏磁记录、交流偏磁记录*特点：特点：存在交流消磁，不存在交流消磁，不导致背底噪
6、声；很导致背底噪声；很好的线性特性；信好的线性特性；信号失真度小，信噪号失真度小，信噪比高。比高。二、调制记录二、调制记录*调制的原因：输入信号随时间的变化范围很宽，有些是超调制的原因：输入信号随时间的变化范围很宽，有些是超低频信号，有些是瞬态式的信号，动态范围很宽。低频信号，有些是瞬态式的信号，动态范围很宽。*调制：调制：用低频信号去控制高频振荡，使其具有低频信号特用低频信号去控制高频振荡，使其具有低频信号特征的过程称为调制。征的过程称为调制。*调幅：以调制信号去控制载波的振幅，使载波的振幅按调调幅：以调制信号去控制载波的振幅，使载波的振幅按调制信号的规律变化。包络线反映了调制波的特点。制信
7、号的规律变化。包络线反映了调制波的特点。*调频：以调制信号去控制载波的频率，使载波的频率按调调频：以调制信号去控制载波的频率，使载波的频率按调制信号的规律变化。特点：其频率随调制信号振幅的变化而制信号的规律变化。特点：其频率随调制信号振幅的变化而变化，而它的幅度却始终保持不变。变化，而它的幅度却始终保持不变。4.1.3 数字式磁记录数字式磁记录*根据磁化强度与记录介质的取向，数字式磁记录可分为水根据磁化强度与记录介质的取向，数字式磁记录可分为水平磁化模式和垂直磁化模式两类。平磁化模式和垂直磁化模式两类。一、水平磁记录一、水平磁记录*通常采用环通常采用环形磁头与具形磁头与具有纵向磁各有纵向磁各向
8、异性的记向异性的记录介质相组录介质相组合的形式，合的形式，记录介质中记录介质中的剩磁方向的剩磁方向平行于介质平行于介质平面。平面。*水平磁记录的位密度越来越大地受到退磁场引起过渡区展水平磁记录的位密度越来越大地受到退磁场引起过渡区展宽限制的影响。展宽决定于宽限制的影响。展宽决定于CrHM/*限制：过小的晶粒尺寸难以长久地保持磁记录的信号，而限制：过小的晶粒尺寸难以长久地保持磁记录的信号，而过高的矫顽力势必使磁头难以写入。过高的矫顽力势必使磁头难以写入。二、垂直磁记录二、垂直磁记录*随着记录面密度的提高，微小磁化单元产生的退磁场越来越随着记录面密度的提高，微小磁化单元产生的退磁场越来越小。因此相
9、比水平磁记录，垂直磁记录大幅度地提高了记录小。因此相比水平磁记录，垂直磁记录大幅度地提高了记录密度。密度。*要实现垂直磁记录，记录介质应具有很强的垂直磁各向异性要实现垂直磁记录，记录介质应具有很强的垂直磁各向异性4.2 磁头及磁头材料磁头及磁头材料*定义：实现电信号和磁信号之间相互转换的电磁能量定义：实现电信号和磁信号之间相互转换的电磁能量转换器件。转换器件。*体型磁头体型磁头 薄膜磁头薄膜磁头 磁电阻磁头磁电阻磁头4.2.1 磁头的种类磁头的种类*体型磁头的磁芯材料：体型磁头的磁芯材料：Fe-Ni合金为基础的软磁合金；合金为基础的软磁合金；Mn-Zn铁氧体和铁氧体和Ni-Zn铁氧体；铁氧体；
10、MIG磁头磁头(metal in gap)*薄膜磁头的优点：工作缝隙小、磁场分布陡和磁迹宽薄膜磁头的优点：工作缝隙小、磁场分布陡和磁迹宽度窄，故可提高记录速度和读出分辨率。度窄，故可提高记录速度和读出分辨率。*体型磁头和体型磁头和薄膜磁头都是利用电磁感应原理进行记录薄膜磁头都是利用电磁感应原理进行记录和再生。都有如下要求：和再生。都有如下要求：1、高磁导率；、高磁导率；2、高饱和磁化强度；、高饱和磁化强度；3、低矫顽力及低、低矫顽力及低各向异性；各向异性；4、高电阻率；、高电阻率；5、小型、轻量，耐磨性强；、小型、轻量，耐磨性强；6、加工性好。、加工性好。*磁电阻磁头：利用各向异性磁电阻效应，
11、为读操作磁头磁电阻磁头：利用各向异性磁电阻效应，为读操作磁头4.2.2 磁头材料磁头材料一、合金磁头材料一、合金磁头材料*常用材料：含钼坡莫合金、仙台斯特合金常用材料：含钼坡莫合金、仙台斯特合金*合金合金磁头材料的优点：高磁导率、高饱和磁化强度、磁头材料的优点：高磁导率、高饱和磁化强度、矫顽力低等。矫顽力低等。缺点：涡流损耗大缺点：涡流损耗大二、铁氧体磁头材料二、铁氧体磁头材料*常用材料：常用材料：Ni-Zn、Mn-Zn*优点：损耗低，材质硬，抗腐蚀性比金属好。优点：损耗低，材质硬，抗腐蚀性比金属好。*缺点：饱和磁化强度低缺点：饱和磁化强度低 在提高记录密度上存在困难在提高记录密度上存在困难三
12、、非晶态磁头材料三、非晶态磁头材料*特点：饱和磁化强度高，矫顽力低，高频特性较好，特点：饱和磁化强度高，矫顽力低，高频特性较好，耐磨性耐腐蚀性好。耐磨性耐腐蚀性好。*常用材料：常用材料：Co-(Zr, Hf, Nb, Ta, Ti)二元系合金薄膜，二元系合金薄膜，Co-Fe-B类金属非晶态薄膜。类金属非晶态薄膜。四、微晶薄膜磁头材料四、微晶薄膜磁头材料*特点：有更大的饱和磁化强度，比非晶材料更适合高特点：有更大的饱和磁化强度，比非晶材料更适合高矫顽力磁性介质的高密度特性。矫顽力磁性介质的高密度特性。*常用材料：常用材料：Fe-M(V，Nb，Ta，Hf等等)-X(N，C，B)五、多层膜磁头材料五
13、、多层膜磁头材料*特点：与微晶薄膜相比，多层薄膜进一步抑制了晶粒特点：与微晶薄膜相比，多层薄膜进一步抑制了晶粒的生长，实现了低磁致伸缩的生长，实现了低磁致伸缩 BS高，高，HC低低缺点：耐热性差缺点：耐热性差*目前典型的多层膜材料：目前典型的多层膜材料：Fe-C/Ni-Fe 用于垂直磁记录磁头；用于垂直磁记录磁头；Fe-Al-N/Si-N 用于垂直磁记录磁头；用于垂直磁记录磁头；Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N 用于硬盘磁头；用于硬盘磁头；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 用于广播用数字式用于广播用数字式VTR。六、磁电阻磁头材料六、磁电阻磁头材料*坡莫合金是沿用至今的坡莫合金是沿
14、用至今的MR磁头用磁性材料。磁头用磁性材料。原因：磁各向异性小。原因：磁各向异性小。4.3 磁记录介质及介质材料磁记录介质及介质材料*分类分类(据磁性记录层据磁性记录层)：颗粒状涂布介质和薄膜型磁记录介质颗粒状涂布介质和薄膜型磁记录介质*基本要求：具有高的记录密度基本要求：具有高的记录密度()、高出力、高出力()、高可靠性、高可靠性()以及低噪声以及低噪声()4.3.1 磁记录介质应具备的特性磁记录介质应具备的特性饱和磁感应强度饱和磁感应强度(Bs)大；大； 矩形比矩形比(BrBS)要大；要大；矫顽力矫顽力(HC)在允许的范围内应尽可能大；不能太大，太大在允许的范围内应尽可能大；不能太大，太大
15、则写入与擦除不易；则写入与擦除不易；*记录介质应具备的条件：记录介质应具备的条件：作为最小记录单位的微小永磁体应尽可能小，且大小及分作为最小记录单位的微小永磁体应尽可能小，且大小及分布均匀；布均匀； 磁学性能分布均匀，随机偏差小；磁学性能分布均匀，随机偏差小；表面平滑，耐磨损、耐环境性能优良；表面平滑，耐磨损、耐环境性能优良；磁学特性对于加压、加热等反应不敏感；磁学特性对于加压、加热等反应不敏感；化学的、机械的耐久性优良；化学的、机械的耐久性优良； 不容易导电。不容易导电。*记录介质的磁性层的厚度是影响记录密度的因素之一，记录介质的磁性层的厚度是影响记录密度的因素之一，实际上膜厚度可取记录信息
16、波长的实际上膜厚度可取记录信息波长的1/4。4.3.2 颗粒状涂布介质颗粒状涂布介质一、对颗粒介质的要求一、对颗粒介质的要求*要求颗粒是单畴的（要求颗粒是单畴的（0.041 m），太大易受外界磁场），太大易受外界磁场的干扰，太小易受晶格热振动影响形成超顺磁。的干扰，太小易受晶格热振动影响形成超顺磁。*颗粒的形状以针状为最佳颗粒的形状以针状为最佳 矫顽力大。矫顽力大。*信噪比与信噪比与N1/2成正比，成正比，N为单位体积内磁性颗粒数，但为单位体积内磁性颗粒数，但颗粒数太多会使磁化状态不稳定。颗粒数太多会使磁化状态不稳定。*居里温度必须比记录介质所处的环境温度要高。居里温度必须比记录介质所处的环境
17、温度要高。二、颗粒状涂布介质结构二、颗粒状涂布介质结构*涂布工序在磁场下完成，尽可能保证颗粒的长轴方向涂布工序在磁场下完成，尽可能保证颗粒的长轴方向沿着记录道方向取向排列沿着记录道方向取向排列 。*硬盘：硬盘：12mm厚的铝合金盘基；软盘：厚的铝合金盘基；软盘：PET盘基盘基*理想的粘结剂：由疏水基和亲水基构成，亲水基吸附理想的粘结剂：由疏水基和亲水基构成，亲水基吸附于微粒上起锚连作用，疏水基在其外侧构成链状壳层。于微粒上起锚连作用，疏水基在其外侧构成链状壳层。三、磁性粉三、磁性粉1、 -Fe2O3*德国于德国于1934年发明。年发明。优点：易于制造和分散，价格便宜，对温度、应力和时优点：易于
18、制造和分散，价格便宜，对温度、应力和时间稳定性好。间稳定性好。 缺点：矫顽力不高（缺点：矫顽力不高（2032KA/m）2、包覆、包覆Co的的 -Fe2O3* -Fe2O3表面表面包覆包覆Co的铁氧体。的铁氧体。矫顽力：矫顽力：5570KA/m3、CrO2*优点：饱和磁化强度与优点：饱和磁化强度与 -Fe2O3相当，但矫顽力明显高相当，但矫顽力明显高于后者，可达于后者，可达3550KA/m。缺点：价格昂贵，缺点：价格昂贵，6价铬离子有毒。价铬离子有毒。4、金属磁粉金属磁粉*优点：比氧化物更高的磁化强度和矫顽力。优点：比氧化物更高的磁化强度和矫顽力。*缺点：化学性质活泼，易腐蚀，易与粘结剂发生反应
19、。缺点：化学性质活泼，易腐蚀，易与粘结剂发生反应。5、氮化铁氮化铁*Fe4N：居里温度为：居里温度为500度，矫顽力约为度，矫顽力约为51KA/m。6、钡铁氧体钡铁氧体*很高矫顽力，很高矫顽力，100900KA/m，添加，添加Co和和Ti等可对其进等可对其进行调节；饱和磁化强度与行调节；饱和磁化强度与 -Fe2O3相当；单轴磁晶各向相当；单轴磁晶各向异性非常强，特别适用于作高密度的垂直磁记录。异性非常强，特别适用于作高密度的垂直磁记录。四、颗粒状介质的优缺点四、颗粒状介质的优缺点*优点：优点：1、磁性能和非磁性能可以独立地进行改造和控制。、磁性能和非磁性能可以独立地进行改造和控制。2、生产速度
20、快，产量高，成本低。、生产速度快，产量高，成本低。3、颗粒选择范围宽，只是受到磁头材料的限制。、颗粒选择范围宽，只是受到磁头材料的限制。*缺点：缺点：1、磁带和软盘中磁性颗粒的体积比为、磁带和软盘中磁性颗粒的体积比为40%，硬盘中仅，硬盘中仅为为20%，这使得涂层的磁性能和记录性能变差。，这使得涂层的磁性能和记录性能变差。2、软盘和磁带涂布介质的厚度很难小于、软盘和磁带涂布介质的厚度很难小于1 m，硬盘很，硬盘很难小于难小于0.25 m。3、存在颗粒结块，分散性难控制，很难获得具有理想、存在颗粒结块，分散性难控制，很难获得具有理想记录特性的颗粒。记录特性的颗粒。4、磁场对颗粒进行定向或打乱定向
21、不是很有效。、磁场对颗粒进行定向或打乱定向不是很有效。4.3.3 薄膜介质薄膜介质*薄薄膜介质膜介质包包含含100的磁性材料，因此使用薄膜介质的磁性材料，因此使用薄膜介质比使用颗粒状介质能得到更高的输出幅度。比使用颗粒状介质能得到更高的输出幅度。*剩余磁化强度不是材料本身的固有特性，而强烈地依剩余磁化强度不是材料本身的固有特性，而强烈地依赖于微结构、薄膜厚度、薄膜沉积的表面特赖于微结构、薄膜厚度、薄膜沉积的表面特性性以及沉以及沉积的积的工工艺条件。艺条件。矫矫顽力也不是材料的顽力也不是材料的固有固有属性，它与属性，它与薄膜内的磁各向异性有关。薄膜内的磁各向异性有关。*基底基底：基底要有很好的抛
22、光基底要有很好的抛光，因为，因为磁头磁头介质介质间间距距的的变化，变化，表现为信号幅度的调制或信号下降，甚至丢失脉冲表现为信号幅度的调制或信号下降，甚至丢失脉冲；基板基板的硬度很重要。的硬度很重要。*附加层附加层：一般使用一般使用Ni-P化学镀层，厚度范围为化学镀层，厚度范围为1525 m，它是非它是非晶态晶态和和非磁性的非磁性的，目的是提高硬度和减少缺陷，目的是提高硬度和减少缺陷。*磁性层磁性层：大部分实用的磁性薄膜是大部分实用的磁性薄膜是Co基金属合金基金属合金，制备制备方法有化学沉积方法有化学沉积(电镀、化学镀电镀、化学镀)和物理沉积和物理沉积(真空蒸镀、直真空蒸镀、直流或射频溅射、离子
23、镀等流或射频溅射、离子镀等)两种两种。*保护层保护层：保护层保护层应该是应该是比较比较硬硬的、化学性质不活泼的、的、化学性质不活泼的、能与磁性层很好粘结能与磁性层很好粘结但但与磁头不粘与磁头不粘结结的材料，同时应的材料，同时应有有高高的抗张强度，并的抗张强度，并且不且不易碎裂易碎裂。通常使用的保护层材料是硬。通常使用的保护层材料是硬质碳，采用的成膜方法一般是溅射。其它保护层材料：带质碳，采用的成膜方法一般是溅射。其它保护层材料：带有有Cr增强层的溅射铑薄膜增强层的溅射铑薄膜、SiO2、TiC、TiN、SiC、CrC3、 A12O3等。等。4.4 磁光记录材料磁光记录材料4.4.1 磁光效应磁光
24、效应*定义：一定义：一束入射光进入具束入射光进入具有固有固有磁矩的物质内部传输或有磁矩的物质内部传输或者在物质界面反射时，光波的传播特性发生变化者在物质界面反射时，光波的传播特性发生变化。*磁光效应的类型：磁光效应的类型：1、塞曼效应、塞曼效应：对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象。：对发光物质施加磁场，光谱发生分裂的现象。2、法拉第效应和科顿法拉第效应和科顿-莫顿效应莫顿效应3、克尔效应、克尔效应4.4.2 磁光记录和读出原理磁光记录和读出原理一、磁光记录原理一、磁光记录原理*热磁效应：温度升高。矫顽力下将，在该处施加反向热磁效应：温度升高。矫顽力下将，在该处施加反向磁场，使该部位磁化发生反转，从而实现磁记录。磁场，使该部位磁化发生反转，从而实现磁记录。二、磁光记录读出原理二、磁光记录读出原理*读出时激光不能使记录介质过热，因此加热功率要比读出时激光不能使记录介质过热，因此加热功率要比记录时的功率低。记录时的功率低。*提高磁光薄膜的克尔效应和磁光盘的动态特性，高的提高磁光薄膜的克尔效应和磁光盘的动态特性，高的 K为必要条件。为必要条件。4.4.3 磁光记录介质材料磁光记录介质材料Mn-Bi合金合金 稀土稀土-过渡族元素非晶态薄膜过渡族元素非晶态薄膜 石榴石石榴石氧化物薄膜、氧化物薄膜、Pt/Co多层膜、多层膜、Pt-Co合金薄膜合金薄膜
