垂直磁记录范文（精选2篇）

垂直磁记录 第1篇

我们知道,传统的磁存储采用水平(即纵向)记录方式。纵向记录,如其名称所示,即数据位为水平排列(数据位与磁盘表面平行)。这种记录模式的使用和演化持续了50年。然而水平式磁性记录储存密度的成长,到了21世纪初期,就遇到了物理极限-超顺磁效应(super-paramagnetic effect),使得记录密度成长降至每年50%~60%,甚至完全延缓下来。与这种记录模式相反,垂直磁记录的数据位则为垂直排列(数据位与磁盘垂直)。垂直记录模式可以很容易克服超顺磁效应,获得更多的磁盘空间来存储更多的数据,从而可以实现更高的磁录密度。因此,垂直磁记录模式近年一直受到广泛关注[1,2,3]。

实际上,垂直磁记录即磁化方向为垂直膜面方式的概念在1977年就由日本东北大学的Iwasaki教授提出[4],最原始的IBM硬盘就是使用的垂直记录模式。但由于水平记录材料过去之突飞猛进,加上垂直记录先天上的一些问题,使得垂直记录一直不能有很大的突破。

垂直磁记录模式面临的主要问题,首先是读出问题。传统的磁头读出方式为感应式读出。这种读出方式适合水平记录材料而不适合垂直记录材料。1990年IBM公司使用各向异性磁电阻磁头替代感应式磁头,使存储密度突破了1Gbit/in2大关;1995年巨磁电阻磁头将记录密度提高到5Gbit/in2。磁电阻磁头的使用极大地改进了信息检测,加速了纵向硬磁盘面密度记录密度的提高,也为垂直记录材料的应用创造了条件。

1977年后的30年里,一方面由于Iwasaki教授等人的不懈努力,另外也由于水平式磁性记录储存模式遇到了无法克服的困难,人们才重新关注起垂直记录模式。2005年,日本东芝公司(Toshiba)首先推出1.8"垂直记录硬盘机。东芝公司率先采用垂直磁记录技术于1.8"硬盘机,推出可储存40GB以及80GB两型微磁盘驱动器,使得记录密度大幅提升到133Gbit/in2。目前,市场上利用垂直记录制成的硬盘产品已超过10%,预计在2011年时,所有的硬盘产品都将采用垂直记录方式。

2 超高密度垂直磁记录介质研究最新进展

目前,作为超高密度垂直磁记录介质的侯选材料主要有3类:CoCr基薄膜,L10相颗粒薄膜和图纹结构材料[5,6,7,8,9,10,11]。下面以这3种材料为核心综述超高密度垂直磁记录介质研究最新进展情况。

2.1 L10相颗粒薄膜的问题和软硬磁层多层膜结构

目前,商业化盘片主要是以CoCrPt-SiO2材料为记录层。CoCrPt既可用作水平记录介质,又可用作垂直记录介质。用作垂直记录介质时,记录层以Ru为底层通过外延生长形成,所形成的磁性膜为颗粒膜(Granular perpendicular medium, GPM)。现在普遍认为薄膜内部晶粒之间的交换耦合作用是噪声的主要来源,因此用非磁性SiO2将磁性颗粒隔离开来,使磁性颗粒间无磁耦合交换作用力,可降低噪声。

随着记录密度的提高,单位信息位越来越小,晶粒尺寸也越来越小。当晶粒体积小到一定程度后就会受到分子热运动的干扰,改变集合体的磁矩取向。磁性材料的这种性质称为超顺磁性,它将导致信息的丢失。热扰动对微粒磁特性的影响可用剩磁随时间的变化来表示

undefined

式中,MR为记录介质剩磁,t为测量时间;τ为弛豫时间;f0为频率因子(约);K为磁各向异性常数;V为微粒体积;k为玻尔兹曼常数;T为测量温度。弛豫时间τ决定了磁化状态的稳定性。当τ与t相当时,就能观测到明显的剩磁变化;只有当τ≫t时,才观测不到热起伏的效应,也就是通常所说的稳定状态。一般地,τ≫109s,则得

KuV/kT≥40 (2)

只有当V≫Vs时,MR不随时间变化。对于CoCrPt材料,其磁异向能Ku值只有约105J/m3,取室温条件T=300K,得最小晶粒尺寸D=10nm。因此,记录位的最小尺寸约为100nm。这样,记录密度的上限约65Gbit/in2,对应不同的记录方式,上限各不相同。进一步提高记录密度的可能性极小,或者成本极高。因此要继续提升储存密度,必须寻找新材料替代现有的CoCrPt材料作为记录层材料。

目前,认为最有可能的替代材料为FePt。常用磁控溅射的方法制备FePt薄膜,但室温下溅射制备的FePt薄膜是化学无序的面心立方结构,Fe和Pt原子随机地占据面心立方晶格的格点,具有较高的对称性,磁晶各向异性能很小,表现为软磁特性,因此不适合用作记录介质。而L10相FePt有序合金是面心四方结构,Fe、Pt单原子层交替排列,由于Pt原子大的自旋轨道耦合,Fe、Pt原子之间强的杂化,以及对称破缺,使得此L10硬磁相有序合金具有很高的磁晶各向异性能(高于CoCrPt五十倍,Ku=7106J/m3)。根据FePt合金相图,从化学无序的面心立方结构到有序的四方结构的变化需要通过高温退火实现。这种过程称为有序化过程。有序化程度用有序度S作为衡量标准。有序度是一个比值,其值介于0和1之间,S=0表示完全无序,S=1表示完全形成有序结构。

利用FePt薄膜作为垂直介质还需要控制其易磁化轴取向。由于L10 FePt(111)面为最密集原子堆积面,因此形成垂直膜面的晶轴方向容易形成(111),而其磁异向性轴(001)与垂直膜面方向就有55°的夹角,也就是说不会形成垂直磁异向性,因此必须采用合适的缓冲层或衬底来提供一定的外延倾向,控制易磁化轴的取向为(001)方向。过去通常是选取MgO(001)衬底或MgO(001)缓冲层来外延生长FePt(001),但此方法却要在大约温度高于500℃时才会产生有序化过程,不利于磁性颗粒细化或恐造成不同层间的扩散。另外,MgO(001)单晶制备成本较高,以其作为衬底不适合工业化生产。

虽然使用FePt作为记录层材料具有很大潜力,但是使用L1FePt(001)来作为垂直记录介质,仍面临严重问题。为了降低噪声,必须设法使磁性颗粒大小降低,但降低磁性颗粒同时,必须提升磁性材料的磁各向异性能,否则会产生如前所述的热稳定性问题。然而,记录介质的高磁各向异性对磁头又提出较高要求,即产生可写入(writability)问题。

目前,商用磁头的最大电流为20mA,所能提供的最大的写入场(writing field)为1.2T,远低于一般FePt颗粒膜的翻转场(switching field),因此需设法降低使用FePt为记录层时所需的翻转场,目前提出解决方法有三:(1)使用热辅助磁记录方式(Thermal Assist Magnetic Recording,HAMR),当要写入时,利用聚焦的激光将光点瞬间加热至居里温度(Tc)左右,大幅降低其翻转场,这种方法的缺点是与目前的HDD平台不匹配;(2)使用倾斜式磁头,因为根据微磁学等的计算,在45°时,其翻转场最小,但此种倾斜式磁头不易制作,在商业化上不切实际;(3)利用交换耦合作用(exchange-coupled composite, ECC)。ECC是1991年Keneller等人最先提出的,当2个相邻晶粒直接接触时,界面处不同取向的磁矩产生交换耦合相互作用,阻止其磁矩沿各自的易磁化方向取向,使界面处的磁矩取向从一个晶粒的易磁化方向连续地改变为另一个晶粒的易磁化方向,使混乱取向的晶粒磁矩趋于平行排列,从而导致磁矩沿外磁场方向的分量增加,产生剩磁增强效应。ECC削弱了每个晶粒磁晶各向异性的影响,使晶粒界面处的有效各向异性减小。我们可以利用ECC效应,在作为存储记录层的硬磁材料上加上一层软磁层,这样,由于硬、软两磁层间存在交互耦合作用,当施加外场来翻转时,其上之软磁层首先受到外场的影响而翻转,并带动硬磁层翻转。此方式可因此降低记录层的翻转场。许仁华等人[8]在原有FePt/Pt/Cr三层结构上加镀一软磁之Fe层,结果发现当Fe层厚度为5nm时,可将其翻转场大幅降低65%左右,而此时Fe层的厚度为FePt硬磁层扇区壁宽度的2倍,而当Fe层厚度大于此值时,其ECC效应降低,且其耦合强度逐渐减弱,不足以来克服去磁场作用,使得Fe层磁化方向随厚度增加而逐渐转为平行膜面。这一研究成果足以证明此ECC对于降低写入场是非常有效的。

2.2 PPM结构

2005年美国卡内基-梅隆大学的朱建刚教授提出延展性垂直磁性记录媒体(Percolated perpendicular medium, PPM)的概念[12,13]。PPM可同时满足提升热稳定性及讯号/噪声比。对于常规的FePt颗粒膜,由于颗粒的不规则分布,造成“0”与“1”过渡区存在较为严重的锯齿形(zig-zag)变化,这是过渡抖动噪音(transition jitter noise)的产生根源。为了减小此锯齿形变化,使过渡区较平滑,降低噪声,就必须减小磁性颗粒的大小,但这就会丧失磁颗稳定性。PPM为连续膜,因此颗粒间存在强耦合作用,造成了高度的热稳定性。同时,颗粒间栽植了非磁性的更微小的纳米颗粒,这些非磁性颗粒可以起到磁钉扎(pinning)作用,而这些非磁性钉扎点(pinning site)可使“1”与“0”分隔开,因此如果这些非磁性钉扎点能够大幅分布,就会使过渡区非常平滑。朱建刚教授发表此研究成果后,许多研究组进行了相关实验,相继报道了在CoCrPt-SiO2系统、Co/Pt多层膜系统都观察到在某些条件下可显现PPM特性。许仁华等人在2006年开始尝试以FePt为基础来制成PPM相关之样品,此为全球第一组研究FePt PPM。他们以先前开发的FePt(001)/Pt(001)/Cr(002)三层膜为基本架构,但加非磁性MgO作为钉扎点,用共镀方法成功制成具有PPM性质的样品,其抗磁力最大可增加60%,但同时其有序度并不会降低。另外许仁华等人[8]也验证了以MgO为底层制成的FePt-MgO样品,其MgO大都会从FePt颗粒的晶界析出,即不能存在于FePt颗粒内。这个发现表示Pt层有助于MgO栽植在FePt颗粒内,从而使FePt-MgO样品显现出完全PPM特性。

2.3 图案化介质

图纹结构材料或称图案化介质(patterned media,PM)[14,15,16,17],实际上就是阵列结构材料:颗粒阵列或纳米线阵列。颗粒膜材料前面已经提到,是将磁性的颗粒(如Ni)排列在非磁性的材料(如SiO2)表面上,形成周期性排列的量子棒阵列。目前,磁纳米阵列膜信息存储介质已成为高密度、低噪音硬盘介质的发展方向之一。生长纳米线阵列的常用方法是模板法。这种方法的基本思路是:先生产出具有高孔密度和长径比可控的模板,然后在其微孔内注入磁性金属或复合磁性材料,从而得到非常有序的纳米线阵列。上述图案化介质膜上的纳米磁性单元是彼此分离的,具有这种阵列结构的阵列膜也称之为量子磁盘结构(quantized magnetic disk,QMD)[18]。与常规磁盘比较,QMD具有如下优点:第1,每一位的磁矩自发量化;第2,量子化的写入过程减少了对写头的要求和写头的精确定位;第3,纳米磁性单元通常通过非磁性材料彼此分离的,这样磁性单元间无磁耦合交换作用力,极大地降低了传输噪音;第4,能精确定位读写头,克服了超顺磁极限。

制作图案化介质已知有数种方法:(1)使用电子束刻蚀(e-beam lithography)技术,即使用扫描式电子显微镜(SEM)将电子辅助设计软件上设计的图型,控制聚焦电子束扫描出来,即是用电子束来写出图案(pattern)。虽然使用此方法可获得小尺寸且排列极为整齐的磁性数组,然而工作时间过长及无法有效的形成大面积数组,造成此法在工业应用上的限制;(2)纳米压印术(nano-imprint),纳米压印技术制作图型化记录介质是利用压印母版对铺在材料表面的阻障层进行压印的动作,此技术可取代刻蚀步骤,可得到尺寸较小的图型;(3)使用化学合成,英文为Self Organized Magnetic Array (SOMA),但此方法很难获淂大小一致、分布均匀的图案化介质。目前最常用的方法是阳极氧化铝模板(Anodic aluminum oxide template)法。氧化铝纳米模板是一维的有序性纳米材料,制作方法是先在基座上镀上Al层,将纯铝当作阳极置入电解液中,以石墨或铅笔材料当作阳极,通入适当电压后就可以在铝表面形成一氧化铝纳米模板,这种电化学阳极氧化处理的方法称为阳极氧化法,也就是俗称的阳极处理(Anodization)。事实上,铝合金经过阳极氧化处理可以自然地形成规则性纳米空孔结构,可以作为纳米结构材料。将原有3层Fe(001)/Pt(001)/Cr(002)用溅镀方法填入各个空穴内,即形成纳米磁点阵结构。虽然阳极氧化铝模板是目前制作纳米线阵列的最佳方法,但模板法如有序孔氧化铝难以实现大尺度有序排列,给此法的实际应用造成极大困难。

阵列上的纳米颗粒间的相互作用是目前人们的兴趣之一[19,20,21,22,23,24]。由于阵列膜和团簇类似,这个研究也适合于团簇间粒子的相互作用。一般而言,磁颗粒间的相互作用能要包括交换作用能、各向异性(形状各向异性、磁晶各向异性)能以及静磁相互作用能等几部分。

磁颗粒或纳米线间的静磁相互作用常常与磁偶极相互作用近似。另外,磁颗粒膜常常生长在非磁衬底(例如SiO2)上,使磁性颗粒隔离开来,使磁性颗粒间无磁耦合交换作用力。氧化铝模版方法生产的纳米线阵列也常常靠非磁性材料进行隔离。这样,阵列上的磁颗粒或纳米线的磁性质主要由形状各向异性、磁晶各向异性、以及磁偶极相互作用决定。对于基于光刻技术生长的纳米线阵列,纳米线间距一般较远,因此它们之间的磁耦合较弱,磁偶极相互作用可以忽略。对于氧化铝模版方法生产的纳米线阵列,纳米线间距一般较小,磁偶极相互作用具有重要作用。

磁偶极相互作用可用下式表示

undefined

其中rij是格点i和j之间的距离,一般以晶格长度为单位长度。Dij为有效磁偶极相互作用常数。

undefined

同交换相互作用相比,显然磁偶极相互作用与交换相互作用作用相反,前者有利于反平行磁矩,而后者有利于平行磁矩。从这个角度,磁偶极相互作用类似于反铁磁交换相互作用。

一般而言,形状各向异性、磁晶各向异性、以及磁偶极相互作用对纳米线阵列的影响是很难区分的。非晶材料的纳米线阵列不存在磁晶各向异性,因此材料的磁性主要由形状各向异性和磁偶极相互作用决定。

实际上,物质磁性取决的诸能量项可分成两类:一是交换作用能;二是各向异性能。磁偶极相互作用也是磁各向异性的起源之一。当不考虑交换相互作用,而形状各向异性占主导地位的情况下,翻转一个单磁畴磁矩造成的系统能量改变为

undefined

此公式中纳米线为长为L半径为r的圆柱,M0是其饱和磁化强度,B为外场,|pi|=1是磁矩指向的单位矢量。

了解点阵单元之间的相互作用的形式,是对点阵结构材料进行理论研究和数值模拟的基础。

3 结论

垂直磁记录 第2篇

1、根据《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB 50204-2002）、《砌体工程施工质量验收规范》（GB 50203-2002）等要求，施工单位应在结构工程完成和工程竣工时，对建筑垂直度和全高进行实测。

2、超过允许偏差且影响结构性能的部位和结构安全的关键要素，应在施工单位提出技术处理方案，并经建设（监理）单位认可后进行处理。

3、垂直度观测要求主体结构完成后测一次，装饰工程完成后测一次，竣工时再观测一次移交建设单位。

4、主体结构垂直度，按以下标准控制：砖混结构H≤10m，允许偏差10mm；H＞10m，允许偏差20mm。框架结构允许偏差为H/1000≤30m。H为柱、墙全高。竣工工程垂、直度按以下标准控制：Hg≤24m，允许偏差为4/1000 Hg；24m＜Hg＜60m，允许偏差为3/1000Hg；60m＜Hg＜100m，允许偏差为2/1000Hg；Hg＞100m，允许偏差

1.5/1000Hg。其中，Hg为自室外地面算起的建筑物高。设计另有规定的除外。

5、垂直度观测点的设置要求：在主体结构结顶前，在建筑物的室外大角的两面、各立面的宜观测点上、下各埋设一根Φ20，露出结构外墙面8厘米，一般设在檐沟下20厘米，室外地坪以上50厘米处。