磁信息存儲(chǔ)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與磁學(xué)應(yīng)用

磁信息存儲(chǔ)工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步與磁學(xué)應(yīng)用

1磁信息存儲(chǔ)的發(fā)展在近代和近350年的物理遺傳發(fā)展歷史中，物理不僅在定量闡明物質(zhì)世界的基本運(yùn)行規(guī)律方面發(fā)揮了作用，而且作為各種工業(yè)技術(shù)和工程研究的主體來(lái)源。物理學(xué)經(jīng)歷了幾次突破進(jìn)步的進(jìn)展，包括牛頓力學(xué)、麥克斯韋的電磁學(xué)、力學(xué)、討論物理和定量物理。作為物質(zhì)研究的一個(gè)分支，鐵磁學(xué)有著悠久的歷史。這項(xiàng)研究對(duì)科學(xué)產(chǎn)生了科學(xué)的影響。它是對(duì)潘基文的理解和討論，也是海森伯模型海森伯模型的建立。同時(shí)，在技術(shù)上還有許多重要的技術(shù)應(yīng)用。例如，永磁體在能源和機(jī)器能力的轉(zhuǎn)化方面起著重要作用，軟磁體在能源傳輸?shù)闹行闹衅鹬匾饔?。不同設(shè)計(jì)的特殊磁膜和磁體可以相互轉(zhuǎn)換信息和磁體?，F(xiàn)代社會(huì)的特征之一,就是信息的快速流動(dòng),并為每個(gè)普通人所分享.這種信息的普及,是建立在發(fā)達(dá)的信息工業(yè)的基礎(chǔ)上的.龐大的信息工業(yè),可以分為信息的處理(CPU)、信息的存儲(chǔ)、信息的傳輸(通信、網(wǎng)絡(luò))、信息的輸入輸出(打印機(jī)、屏幕)這四個(gè)部分,每個(gè)部分的硬件相對(duì)獨(dú)立,但是為了使一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn),需要這幾個(gè)部分組合起來(lái).電子化的信息存儲(chǔ),使得信息的快速?gòu)?fù)制、檢索、大量保存、快速處理成為可能.信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的三個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo)分別是存取速度(accessrate)、單位價(jià)格(priceperbit)、存儲(chǔ)容量(storagecapacity),這正體現(xiàn)了現(xiàn)代人對(duì)信息的基本需求.信息存儲(chǔ)可以有三種主要的實(shí)現(xiàn)方式:具有最高存取速度的半導(dǎo)體存儲(chǔ)(計(jì)算機(jī)內(nèi)存、Flash等),價(jià)格低廉、攜帶方便的光存儲(chǔ)(光盤(pán)、DVD等),以及具有最佳綜合性能的磁存儲(chǔ)(包括聲音記錄、圖像記錄、數(shù)據(jù)記錄三種).這三種信息存儲(chǔ)方式各有自己的適用范圍,互相不可替代.磁存儲(chǔ)發(fā)展最早,歷史最長(zhǎng).目前,磁信息存儲(chǔ)系統(tǒng)是全世界鐵磁性材料最重要的應(yīng)用市場(chǎng),其產(chǎn)值要大于傳統(tǒng)的應(yīng)用于電機(jī)等系統(tǒng)的永磁材料和應(yīng)用于磁芯的軟磁材料.隨著網(wǎng)絡(luò)的普及、信息的爆炸性增長(zhǎng),全世界的磁信息存儲(chǔ)市場(chǎng)很大,1995年就達(dá)到約1000億美元,其中聲音記錄和圖像記錄占了約40%的市場(chǎng),數(shù)據(jù)記錄占了約60%的市場(chǎng),隨著PC的普及,數(shù)據(jù)記錄的市場(chǎng)比例還在增加.磁存儲(chǔ)的市場(chǎng)需求包括公共需求(商業(yè)、金融業(yè)、軍事、科學(xué)教育、健康衛(wèi)生、政府部門(mén)的信息存儲(chǔ))、娛樂(lè)需求(錄音、錄像、游戲等)、個(gè)人信息管理等方面.錄音機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)硬盤(pán)、軟驅(qū)以及1951年前使用的磁鼓外存,1977年前使用的計(jì)算機(jī)磁芯內(nèi)存等,都是磁信息存儲(chǔ)100年來(lái)發(fā)展歷史上的重要技術(shù),并在最近20多年已經(jīng)反過(guò)來(lái)對(duì)相關(guān)基礎(chǔ)研究有很大的促進(jìn)作用.2磁信存儲(chǔ)技術(shù)的百年發(fā)展2.1聲音記錄1878年,美國(guó)人OberlinSmith參觀(guān)了愛(ài)迪生的實(shí)驗(yàn)室,對(duì)其中的留聲機(jī)產(chǎn)生了很大的興趣.回家以后,他就畫(huà)了一張?jiān)O(shè)計(jì)圖,發(fā)表在ElectricalWorld雜志上.這張?jiān)O(shè)計(jì)圖基本體現(xiàn)了后來(lái)的磁記錄系統(tǒng)的三部分基本結(jié)構(gòu):存儲(chǔ)信息的磁媒體、讀寫(xiě)信息的磁頭、實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)讀寫(xiě)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng).不過(guò),他本人并沒(méi)有具體做出實(shí)物.1898年,丹麥電信工程師ValdemarPoulsen制造出了第一臺(tái)可以記錄聲音的鋼絲電話(huà)留言機(jī),這是人類(lèi)歷史上第一次利用鐵磁性來(lái)存儲(chǔ)信息.這臺(tái)機(jī)器名叫Telegraphone,樣子很像滑線(xiàn)變阻器,也很像愛(ài)迪生的留聲機(jī)的原始模型.他用的存儲(chǔ)磁媒體就是鋼琴絲;磁頭就是一個(gè)簡(jiǎn)單的螺線(xiàn)管.不過(guò),當(dāng)時(shí)磁學(xué)才剛剛起步,還沒(méi)有很好的鐵磁材料,這臺(tái)機(jī)器的聲音記錄質(zhì)量比不過(guò)留聲機(jī),并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),只是在巴黎國(guó)際博覽會(huì)上得到了人們的注意.在歷史上第一個(gè)取得技術(shù)突破和市場(chǎng)突破的是錄音機(jī).1931年,德國(guó)德累斯頓的一位工程師FritzPfleumer發(fā)明了“會(huì)發(fā)聲的紙”,實(shí)際上就是第一臺(tái)錄音機(jī).他將粉碎的鐵磁顆粒用膠水粘在紙條上,作出了第一條磁帶,這在當(dāng)時(shí)是一種全新的磁媒體,可以記錄20分鐘的聲音.可惜紙易碎,脆弱的紙條式磁帶無(wú)法實(shí)用化,這個(gè)系統(tǒng)還需要改進(jìn).1932年,在Pfleumer的專(zhuān)利基礎(chǔ)上,德國(guó)電信AEG公司和德國(guó)三大化學(xué)公司之一BASF公司合作建立了磁帶實(shí)驗(yàn)室.研發(fā)團(tuán)隊(duì)中的Matthias提出了一種復(fù)合材料式的雙層磁帶模型,底層為30μm厚的醋酸纖維素薄膜,上層為20μm厚的羰基鐵粉末和醋酸纖維素的混合物,從而實(shí)現(xiàn)了真正的磁帶.1933年,研發(fā)團(tuán)隊(duì)中一位30歲的工程師EduardSchueller發(fā)明了環(huán)形磁頭,這是磁記錄工業(yè)的一個(gè)重要進(jìn)展,從此以后,通過(guò)一個(gè)窄窄的磁隙,磁場(chǎng)可以被控制在一個(gè)很小的范圍內(nèi),從而實(shí)現(xiàn)較高密度的信息存儲(chǔ).由于這個(gè)設(shè)計(jì)的重要性,后來(lái)幾乎所有的電磁學(xué)教科書(shū)上,都介紹了這個(gè)環(huán)形磁頭的設(shè)計(jì).復(fù)合磁帶(compositetape)、環(huán)形磁頭(ringhead)以及磁帶的初始交流消磁(acerasure)這三項(xiàng)重大技術(shù),使得AEG-BASF團(tuán)隊(duì)研發(fā)的Magnetophon錄音機(jī)信噪比超過(guò)60dB,取得了很大的成功,也體現(xiàn)了材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)和電子學(xué)結(jié)合的強(qiáng)大威力.2.2maagophon標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)特點(diǎn)在聲音的磁記錄實(shí)現(xiàn)以后,由于第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后的50年代電視逐漸開(kāi)始普及,電視臺(tái)迫切需要能進(jìn)行圖像記錄的設(shè)備.人耳能聽(tīng)到的聲音的信號(hào)帶寬為20Hz—20kHz,而電視圖像是由每秒25或30次的畫(huà)面構(gòu)成的,每幅畫(huà)面由500道線(xiàn)構(gòu)成,每道線(xiàn)包含幾百格信息,因此需要的控制電子槍的信號(hào)帶寬為30Hz—5MHz,其載體信號(hào)的頻率自然要求更高.信號(hào)的頻率是由速度和存儲(chǔ)密度決定的,信息上的寬帶,意味著磁帶和磁頭之間的相對(duì)速度必須增大,信號(hào)存儲(chǔ)的密度也得增大,因此圖像記錄就需要不同于聲音記錄的設(shè)計(jì).在第二次世界大戰(zhàn)中,有一個(gè)來(lái)自加州的美國(guó)空軍的工程師JohnMullin,在英國(guó)聽(tīng)到了當(dāng)時(shí)德國(guó)廣播中播放的高保真度的音樂(lè),這就是由AEG-BASF研發(fā)的Magnetophon錄音機(jī)播放的.戰(zhàn)后,Mullin通過(guò)美國(guó)軍方把兩臺(tái)錄音機(jī)及其設(shè)計(jì)圖紙運(yùn)回了加州舊金山.加州的一家在戰(zhàn)時(shí)生產(chǎn)飛機(jī)用小電機(jī)的Ampex公司,此時(shí)面臨沒(méi)有軍方訂單的危機(jī),聽(tīng)了Mullin帶回的錄音機(jī)播放的音樂(lè),決定復(fù)制Magnetophon錄音機(jī).錄音機(jī)中的幾乎所有機(jī)械裝置、電機(jī),都是Ampex公司熟悉的,只有兩個(gè)核心部件:磁帶和磁頭,需要重新研制,以便于大規(guī)模生產(chǎn).Ampex公司的工程師使用高磁導(dǎo)率的鎳鐵合金(permalloy)替代了德國(guó)人用的環(huán)形磁頭中的硅鋼片,結(jié)果取得了更好的錄音效果.到1947年,復(fù)制并改進(jìn)Magnetophon錄音機(jī)的工作取得了成功,Ampex公司獲得了美國(guó)ABC廣播電視網(wǎng)的訂單,此后一舉打開(kāi)了錄音機(jī)的市場(chǎng).錄音技術(shù)的成熟,使得廣播電臺(tái)運(yùn)行成本下降,廣播由此成為普通人生活的一部分.此后,在1948年,JackMullin就考慮是否能做出錄像機(jī).在20世紀(jì)50年代初,固定磁頭的錄像機(jī)在美國(guó)和英國(guó)的多家公司的參與下做了出來(lái).不過(guò),由于圖像信號(hào)需要的帶寬為MHz的量級(jí),錄像磁帶必須飛快地運(yùn)行,這樣磁帶就需要非常長(zhǎng),很不方便.1955年,Ampex的一個(gè)工程師RayDolby想到可以使用快速轉(zhuǎn)動(dòng)的磁頭,并在磁帶上橫向掃描,這樣來(lái)解決磁頭和磁帶之間需要很大的相對(duì)速度的問(wèn)題.這個(gè)發(fā)明后來(lái)被稱(chēng)為鼓形磁頭(drumhead),圓筒邊上每隔90度嵌入一個(gè)磁頭,所以也被稱(chēng)為四磁頭(quadruplexhead).Ampex的工程師使用鋁鐵合金Alfenol(16%Al,84%Fe)作為磁頭材料,比鎳鐵坡莫合金的抗磨損能力提高四倍.這個(gè)鼓形磁頭的自轉(zhuǎn)速度為240rps,從而使錄像帶和磁頭之間的相對(duì)速度達(dá)到1500in/s,能實(shí)現(xiàn)6MHz圖像記錄所需的帶寬.1956年,Ampex請(qǐng)了當(dāng)時(shí)各大廣播公司CBS,ABC,BBC的代表來(lái)參觀(guān)做好的錄像機(jī),圖像非常清晰漂亮,大獲成功.錄像機(jī)系統(tǒng)的最重要的兩個(gè)核心部件:錄像帶和磁頭,后來(lái)也不斷進(jìn)行更新.1956年,與Ampex的四磁頭錄像機(jī)配合的錄像帶,由杜邦公司和3M公司合作研發(fā).杜邦公司生產(chǎn)的聚乙烯對(duì)苯二酸鹽作為錄像帶的基底;3M公司生產(chǎn)的1μm長(zhǎng)的γ-Fe2O3針形顆粒,大致沿著磁帶的橫向排列,構(gòu)成磁記錄媒體,這種錄像帶可以播放100次.后來(lái),3M公司又不斷研發(fā)出信噪比更高的錄像磁帶,并一直是美國(guó)顆粒磁記錄媒體的主要廠(chǎng)家.到了1964年,Ampex公司的FredPfost使用一種新的合金Sendust(也叫Alfesil,5%Al,10%Si,85%Fe)代替原來(lái)的鋁鐵合金Alfenol做錄像機(jī)磁頭,使得磁頭的使用壽命延長(zhǎng)到幾百個(gè)小時(shí).在這種復(fù)合錄像磁頭中,磁頭縫隙中的Al2O3或SiO2薄膜是使用濺射的方法制備的,這也是薄膜濺射的方法比較早期的工業(yè)應(yīng)用.錄像技術(shù)的完善,使得電視錄像帶成了電影膠片以外第二種存儲(chǔ)圖像信號(hào)的介質(zhì).錄像帶的大量使用使電視臺(tái)的運(yùn)行成本下降,電視臺(tái)逐漸普及,播放時(shí)間變長(zhǎng),在60年代已經(jīng)使得電視進(jìn)入尋常百姓家,并影響到美國(guó)的大選進(jìn)程.2.3dm的數(shù)據(jù)機(jī)硬盤(pán)磁信息存儲(chǔ)在聲音記錄和圖像記錄方面的成功,自然促使這種技術(shù)在其他形式的信息存儲(chǔ)方面的應(yīng)用.一般其他形式的信息,都是以數(shù)據(jù)的形式出現(xiàn)的,統(tǒng)稱(chēng)為數(shù)據(jù)記錄.早期的電子計(jì)算機(jī),每一個(gè)新的應(yīng)用程序,都需要重新設(shè)計(jì)硬件與之配合.1950年以后,JohnvonNeumann提出的程序數(shù)字計(jì)算機(jī)的概念改變了計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),計(jì)算機(jī)包括一個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的處理器、一個(gè)程序和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)、一個(gè)控制器、一個(gè)輸入輸出設(shè)備共四個(gè)部分.計(jì)算機(jī)變得更容易使用了,硬件和軟件變得相對(duì)獨(dú)立,同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提出了很高的要求.除了在計(jì)算機(jī)方面的應(yīng)用,軍事上的飛機(jī)和火箭的飛行數(shù)據(jù)(包括引擎溫度、油壓、電子系統(tǒng)電壓、電流等)的記錄、銀行和金融業(yè)每天的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的記錄,都急需進(jìn)行不易丟失的數(shù)據(jù)存儲(chǔ).這樣,在錄音、錄像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,開(kāi)發(fā)磁數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)就變得刻不容緩了.在20世紀(jì)40年代,美國(guó)的數(shù)據(jù)都是用打孔機(jī)記錄在數(shù)據(jù)紙上的.實(shí)際上在中國(guó),這種技術(shù)到五六十年代進(jìn)行“兩彈一星”項(xiàng)目的時(shí)候還在使用.1947—1948年,美國(guó)軍方在德國(guó)的Magnetophon錄音機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上,研發(fā)了磁鼓數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)(drumrecorder),進(jìn)行比較快速的數(shù)據(jù)存儲(chǔ).在40年代,國(guó)際商用機(jī)器公司(IBM)一直在做打孔式紙帶的計(jì)算器,并有廣泛的客戶(hù).到了40年代后期,IBM開(kāi)始認(rèn)識(shí)到磁存儲(chǔ)的重要性,購(gòu)買(mǎi)了由RemingtonRand公司制造的美國(guó)第一臺(tái)數(shù)據(jù)磁帶機(jī)Univac系統(tǒng).1951年,IBM在Univac基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出720磁帶機(jī),其中使用了類(lèi)似于德國(guó)Magnetophon的醋酸纖維素-鐵氧體顆粒磁帶作為數(shù)據(jù)記錄媒體,另外,一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)格式為不回零反轉(zhuǎn)格式(non-return-to-zeroinverse,縮寫(xiě)為NRZI),磁頭中的電流在+1和-1之間躍變,其中每次反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)為二進(jìn)制數(shù)1,否則為0)提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度.這臺(tái)磁帶機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸速率為7500bit/s,比打孔的紙帶機(jī)快,但是仍然跟不上計(jì)算機(jī)需要的數(shù)據(jù)速率.雖然如此,磁帶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)還是由此成為了計(jì)算機(jī)的外存之一.1957年,IBM推出了革命性的隨機(jī)存取計(jì)算和控制方法(randomaccessmethodofaccountingandcontrol,RAMAC)IBM350計(jì)算機(jī)硬盤(pán).硬盤(pán)的基底是1mm多厚的鋁合金圓盤(pán),表面用γ-Fe2O3針形顆?；煸谟推嶂?用旋轉(zhuǎn)涂覆(spin-coating)方法制備磁記錄層.硬盤(pán)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與鼓形數(shù)據(jù)磁帶機(jī)類(lèi)似,新設(shè)計(jì)了一個(gè)噴氣旋轉(zhuǎn)軸承和磁頭-磁盤(pán)之間的空氣間隙(airbearing),磁頭在硬盤(pán)上的飛行速度很快,實(shí)現(xiàn)了2kbit/in2的數(shù)據(jù)記錄面密度.到1997年,計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的密度達(dá)到了2.6Gbit/in2,40年之內(nèi),面密度大約每?jī)赡攴环?一共增長(zhǎng)了一千多萬(wàn)倍,堪稱(chēng)奇跡.在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)40多年的發(fā)展歷史中,有幾項(xiàng)技術(shù)起了關(guān)鍵性的作用,其中包括薄膜寫(xiě)磁頭、磁阻和巨磁阻讀磁頭,高矯頑力的薄膜硬盤(pán),以及部分響應(yīng)最大相似(partialresponsemaximumlikelihood,PRML)信號(hào)處理系統(tǒng),其中多項(xiàng)技術(shù)與凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)的發(fā)展有很大的關(guān)系.1979年,薄膜感應(yīng)磁頭(thinfilminductivehead)開(kāi)始在IBM3370硬盤(pán)中使用.薄膜磁頭的制備,使用了半導(dǎo)體集成電路工業(yè)中通用的光刻技術(shù),可以將磁頭的尺度,尤其是磁隙的寬度進(jìn)行精密的控制.薄膜磁頭的第一層是Ni-Fe軟磁層,作為磁頭的一個(gè)磁極;然后覆蓋一層薄薄的絕緣材料,在其上制備控制電流的8匝銅導(dǎo)線(xiàn),在銅導(dǎo)線(xiàn)上再覆蓋一層絕緣材料;最后是另一個(gè)軟磁磁極.一系列薄膜磁頭是在一個(gè)Al2O3-TiC陶瓷晶片上同時(shí)進(jìn)行物理沉積的,切割以后就得到一系列硬盤(pán)中使用的磁頭滑塊,有很好的工業(yè)效率.薄膜磁頭的發(fā)明,使得計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的數(shù)據(jù)記錄面密度達(dá)到了7.7Mb/in2.磁阻效應(yīng)在1856年就為物理學(xué)家開(kāi)爾文爵士所知.1971年,Ampex公司的RobertHunt制造出了第一個(gè)磁阻磁頭(MRHead),代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)形磁頭進(jìn)行信號(hào)的讀出,這樣能解決在記錄密度增高、磁頭尺度減小的情況下,感應(yīng)式磁頭的信號(hào)不斷按比例下降的難題.磁阻磁頭的核心部分,是一個(gè)磁矩被調(diào)節(jié)到適當(dāng)方向的Ni-Fe軟磁薄膜,在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的硬盤(pán)上飛過(guò)的時(shí)候,數(shù)據(jù)1對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)較大,軟磁薄膜中的磁矩隨之轉(zhuǎn)動(dòng),導(dǎo)致薄膜電阻和讀出電壓隨之改變,信號(hào)就被讀出了.磁阻磁頭的讀出靈敏度,要大大高于感應(yīng)式薄膜磁頭,后來(lái),一般把磁阻磁頭和薄膜磁頭做在一起,成為一個(gè)讀寫(xiě)復(fù)合磁頭.Ampex公司就在斯坦福大學(xué)的北面,是個(gè)典型的硅谷中小公司,他們?cè)诼曇?、圖像信息存儲(chǔ)技術(shù)中的多項(xiàng)創(chuàng)新,是很多硅谷高科技公司的成功創(chuàng)意的縮影.在1985年和1991年,IBM分別在數(shù)據(jù)磁帶系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)硬盤(pán)系統(tǒng)中使用了磁阻磁頭.使用了磁阻磁頭以后,1991年的IBMCorsair硬盤(pán),存儲(chǔ)面密度達(dá)到了90Mb/in2,總存儲(chǔ)容量達(dá)到了1GB.1986年,金屬多層薄膜Fe/Cr/Fe的巨磁阻效應(yīng)被德國(guó)物理學(xué)家GrunbergP發(fā)現(xiàn),同時(shí)受到科學(xué)界和工業(yè)界的重視.到了1996年,在計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中,巨磁阻多層膜代替了一般的磁阻薄膜,大幅度提高了感應(yīng)磁場(chǎng)信號(hào)的靈敏度,使得巨磁阻磁頭(GMRHead)成為了讀磁頭,數(shù)據(jù)記錄面密度由此超過(guò)了1Gb/in2.記錄信息的硬盤(pán)磁媒體,與磁頭總是協(xié)同進(jìn)步的.硬盤(pán)的基底是機(jī)械性能很好的Al-Mg合金,在其上有一個(gè)10μm厚的NiP層,這個(gè)很硬的NiP層可以用化學(xué)法減薄至5μm,最后可以使得表面變得非常完美而平整.然后,在NiP層上濺射幾十納米厚的Cr底層,在其上再濺射10nm到幾十納米厚的Co-Cr合金磁記錄層.根據(jù)金屬物理的基本原理,Cr底層的表面織構(gòu)決定了具有六角結(jié)構(gòu)的Co-Cr合金原胞的取向(到目前為止,絕大多數(shù)硬盤(pán)中的磁薄膜的磁矩都是水平取向的),從而可以控制自發(fā)磁化的取向,以及納米磁顆粒之間的交換相互作用,這樣Co-Cr合金薄膜層的水平矯頑力可以達(dá)到3000Oe(1Oe=79.5775A/m)以上,可以實(shí)現(xiàn)超高密度的磁記錄.二進(jìn)制的信號(hào)存儲(chǔ)要求每個(gè)比特中的信息盡量獨(dú)立,互不干擾.高矯頑力之所以對(duì)于高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)有利,是因?yàn)橄噜彵忍刂g的靜磁相互作用正比于Ms/Hc,所以,目前最好的硬盤(pán)薄膜,在能讀出信號(hào)的前提下,盡量減小薄膜的飽和磁化強(qiáng)度,增大矯頑力.在鈷合金的薄膜上面,一般還需要濺射10nm左右的類(lèi)金剛石碳薄膜,保護(hù)磁記錄媒體.為了減小磁頭和硬盤(pán)之間摩擦,由化學(xué)家研究出來(lái)的2—3nm的高分子潤(rùn)滑層要涂覆在類(lèi)金剛石層表面,最終完成硬盤(pán)的結(jié)構(gòu).到2003年,計(jì)算機(jī)硬盤(pán)在實(shí)驗(yàn)室中的存儲(chǔ)密度已經(jīng)超過(guò)了100Gb/in2,也就是說(shuō),硬盤(pán)薄膜中每一位二進(jìn)制數(shù)對(duì)應(yīng)的一個(gè)比特占有的面積小于80nm見(jiàn)方的尺度(實(shí)際上比特長(zhǎng)度小而磁道寬度大,單個(gè)比特的形狀為長(zhǎng)方體).為了實(shí)現(xiàn)這么小的尺度,必須在磁存儲(chǔ)介質(zhì)的制備、納米磁頭器件的制備、微磁學(xué)理論、信號(hào)處理、摩擦學(xué)等諸領(lǐng)域有強(qiáng)大的基礎(chǔ)研究綜合能力,互相配合,才能實(shí)現(xiàn)目前的磁信息存儲(chǔ)技術(shù).下面僅就微磁學(xué)理論方面做一個(gè)回顧,討論一下基礎(chǔ)研究與工業(yè)技術(shù)發(fā)展的關(guān)系.3微磁學(xué)的提出鐵磁性材料的研究歷史悠久,不過(guò)一般認(rèn)為,磁學(xué)是在19世紀(jì)末居里和朗之萬(wàn)的對(duì)磁性的研究工作以后才正式建立.1907年,外斯提出的鐵磁體的分子場(chǎng)理論,也能解釋鐵磁體磁化率的居里-外斯定律.20世紀(jì)初,物理學(xué)產(chǎn)生了以相對(duì)論、量子物理為代表的巨大進(jìn)步,對(duì)物理學(xué)的各個(gè)方面都有深遠(yuǎn)的影響.1927年,泡利等人從電子在電磁場(chǎng)中的相對(duì)論性的總能量表達(dá)式出發(fā),解釋了朗之萬(wàn)提出的“永久磁子”的根源,指出永久磁子從微觀(guān)的角度說(shuō)就是原子、離子的磁矩.1929年,海森伯在建立了量子力學(xué)的矩陣表象以后,轉(zhuǎn)而研究外斯分子場(chǎng)的微觀(guān)來(lái)源,他認(rèn)為兩個(gè)原子之間的電子波函數(shù)的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)的能量差,提供了原子磁矩之間的鐵磁或反鐵磁交換相互作用.這個(gè)理論從定性上可以解釋自發(fā)磁化,但是定量上還只能解釋強(qiáng)大的外斯分子場(chǎng)的一個(gè)小部分.所以,鐵磁性的定量解釋,到現(xiàn)在還是物理學(xué)沒(méi)有完全解決的問(wèn)題之一.由于鐵磁性材料在工業(yè)應(yīng)用中的重要性(最重要的傳統(tǒng)材料鋼材也具有鐵磁性),雖然鐵磁性的定量解釋沒(méi)有完全解決,但對(duì)鐵磁性的理論需求卻越來(lái)越強(qiáng).1935年,蘇聯(lián)物理學(xué)家朗道和栗夫希茨提出了一個(gè)重要的非線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)方程,即Landau-Lifshitz方程,以解釋磁矩在外加磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng).1938年,還在美國(guó)哥倫比亞大學(xué)讀博士、研究鋼鐵的力學(xué)問(wèn)題的布朗(WilliamFullerBrownJr.)看到了朗道和栗夫希茨提出的鐵磁性研究方法,大感興趣,他意識(shí)到這是現(xiàn)代磁疇理論的基礎(chǔ),也是后來(lái)微磁學(xué)理論的基礎(chǔ)之一.1948年,英國(guó)的Stoner和Wohlfarth兩位解出了單磁疇顆粒在均勻反轉(zhuǎn)的情況下的磁滯回線(xiàn),后來(lái)被稱(chēng)為Stoner-Wohlfarth模型,這是微磁學(xué)理論的另一基礎(chǔ).從30年代到40年代,布朗在美國(guó)多個(gè)機(jī)構(gòu)工作,包括普林斯頓大學(xué)、美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室(U.S.NavalOrdnanceLab,簡(jiǎn)稱(chēng)NOL)、石油公司的研發(fā)部等.在此期間,布朗試圖用近似的方法來(lái)求解Landau-Lifshitz這個(gè)三維非線(xiàn)性方程,在沒(méi)有計(jì)算機(jī)協(xié)助的情況下,他在解釋接近飽和的磁滯回線(xiàn)方面取得了很好的結(jié)果.在NOL期間,他在鐵磁性的解釋和測(cè)量方面訓(xùn)練了大量的人才,并對(duì)當(dāng)時(shí)美國(guó)軍方的磁鼓數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的研發(fā)起了推動(dòng)作用.1955年,他開(kāi)始在明尼蘇達(dá)州的3M公司工作,3M公司參與錄音和錄像磁帶的研發(fā),磁記錄需要單磁疇顆粒,所以在此期間他的主要興趣是研究單磁疇顆粒出現(xiàn)的條件,以及磁疇的釘扎對(duì)鐵磁性的影響.1958年,布朗在美國(guó)一個(gè)國(guó)內(nèi)會(huì)議上,做了一個(gè)題為“Micromagnetics:SuccessortoDomainTheory?”的報(bào)告,第一次提出了微磁學(xué)的名詞和概念,也就是說(shuō),避開(kāi)鐵磁性自發(fā)磁化的難題,將鐵磁體內(nèi)部劃分為微小的單磁疇單元,分別研究每個(gè)單元的磁矩的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,以更好地理解鐵磁體的基本性質(zhì).在20世紀(jì)60—70年代以后,隨著電子計(jì)算機(jī)對(duì)非線(xiàn)性方程求解能力的提高,布朗提出的微磁學(xué)方法被硅谷的研發(fā)工程師接受,逐漸用到了磁信息存儲(chǔ)工業(yè)中,并對(duì)尺度越來(lái)越小的各種磁記錄介質(zhì)和磁頭的研究,起到了非常重要的作用,微磁學(xué)融入了磁信息存儲(chǔ)工業(yè)設(shè)計(jì)的基本理論,形成了自己的體系.對(duì)于磁帶等比較厚的磁存儲(chǔ)介質(zhì),在磁帶的縱截面中,可以建立一個(gè)二維的微磁學(xué)模型,在模擬環(huán)形磁頭場(chǎng)的寫(xiě)入過(guò)程時(shí),可以將深入磁帶縱深處各個(gè)微元的磁矩分布及其隨時(shí)間的演變計(jì)算出來(lái),從而計(jì)算出讀出信號(hào)的大小、信號(hào)反復(fù)寫(xiě)入的噪音特性等問(wèn)題.計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的薄膜磁介質(zhì)中的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)比特中的磁矩分布問(wèn)題,也在80年代末用微磁學(xué)的方法得到了解決,從而促進(jìn)了計(jì)算機(jī)硬盤(pán)循著類(lèi)似集成電路發(fā)展中Moore定律的規(guī)則不斷進(jìn)步.由于微磁學(xué)對(duì)于應(yīng)用磁學(xué)研究的重要性,到80年代,美國(guó)大學(xué)里的磁學(xué)研究開(kāi)始普遍接受微磁學(xué)為磁學(xué)理論的主流這一觀(guān)點(diǎn).到了2000年以后,微磁學(xué)已經(jīng)被工業(yè)界以及凝聚態(tài)物理-材料科學(xué)界的人士廣泛接受,成為具有指導(dǎo)鐵磁性相關(guān)的工業(yè)器件設(shè)計(jì)及鐵磁性研究的基礎(chǔ)理論.微磁學(xué)后期的發(fā)展歷程,有點(diǎn)類(lèi)似于19世紀(jì)熱力學(xué)理論的發(fā)展,都是工業(yè)中有重要應(yīng)用的問(wèn)題的研究,反過(guò)來(lái)推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)步.4磁信息存儲(chǔ)技術(shù)的未來(lái)研究方向目前,磁信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的演進(jìn)又到了一個(gè)新的關(guān)口.首先,由于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速普及,數(shù)據(jù)記錄已經(jīng)變成最重要的磁信息存儲(chǔ)的方式,實(shí)際上美國(guó)在20世紀(jì)90年代幾乎放棄了傳統(tǒng)的錄音和錄像媒體的生產(chǎn),試圖完全用數(shù)字化的硬盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)所有的磁信息存儲(chǔ).多數(shù)數(shù)據(jù)記錄是用計(jì)算機(jī)硬盤(pán)來(lái)進(jìn)行的.自1957年IBM發(fā)明計(jì)算機(jī)硬盤(pán)以來(lái),計(jì)算機(jī)硬盤(pán)一直循著內(nèi)部磁存儲(chǔ)比特的尺度及磁頭的尺度逐漸按比例縮小的方式(scalinglaw)不斷演進(jìn),當(dāng)然中間為了克服比特很小帶來(lái)的讀取信息的問(wèn)題,加入了MR和GMR磁頭.可是,目前計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)面密度已經(jīng)到了100Gb/in2,原來(lái)的按比例縮小的漸進(jìn)硬盤(pán)設(shè)計(jì)方式,遇到了最后的物理極限,也就是單磁疇的鐵磁晶粒的磁矩?zé)岱€(wěn)定性問(wèn)題.當(dāng)顆粒體積太小的時(shí)候,鐵磁晶粒的自發(fā)磁化能量與熱擾動(dòng)能kBT的比值小于100以后,單磁疇晶粒的磁矩有可能隨時(shí)間發(fā)生自發(fā)反轉(zhuǎn),這就叫做鐵磁體的超順磁性.在這個(gè)區(qū)域內(nèi),存在硬盤(pán)比特中的信息就不可靠了,時(shí)間長(zhǎng)了會(huì)丟失.由于遇到了上述這個(gè)物理瓶頸,40多年來(lái)在磁信息存儲(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域一直領(lǐng)先的IBM公司在2002年遭遇到危機(jī),已將其硬盤(pán)部門(mén)賣(mài)給了日本的Hitachi(日立)公司.為了繼續(xù)提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)密度,磁存儲(chǔ)的方式要有大的轉(zhuǎn)變,需要投入巨額的資金在硬盤(pán)系統(tǒng)的各個(gè)方面重新進(jìn)行研發(fā),存儲(chǔ)信息的磁介質(zhì)和磁頭,都需要做非常劇烈的改變.目前,美國(guó)和日本的各個(gè)公司,包括Seagate和Hitachi,在投入巨資直接研究100Gb/in2—1Tb/in2的磁信息存儲(chǔ)系統(tǒng),也就是每個(gè)比特必須達(dá)到80nm×80nm—25nm×25n