磁性材料-第四章.ppt

1、第四章 磁記錄材料,*21世紀(jì)是 “信息世紀(jì)”，大容量存儲技術(shù)在信息處理、傳遞和保存中占據(jù)相當(dāng)重要的地位。,*磁記錄技術(shù)在信息存儲領(lǐng)域具有獨特的地位，它的發(fā)展已經(jīng)有100多年歷史。,*磁記錄設(shè)備：磁帶、軟盤、硬盤 特點：價格低廉，性能優(yōu)良，記錄密度逐年提高，信息寫入和輸出速度快，容量大，可擦除重寫 實例：磁帶錄音機、錄像機、銀行卡、圖書卡、門卡、計算機,*光記錄的特點：非接觸式記錄，存儲密度高、容量大，性價比高 缺點：信息的讀寫需要精密跟蹤伺服的光學(xué)頭，光盤驅(qū)動器價格較貴，數(shù)據(jù)傳輸速度慢,*固態(tài)存儲器的特點：沒有運動部件，可靠性高，可以高速隨機存儲，不需電池供電，數(shù)據(jù)為不揮發(fā)性 缺點：存儲量較

2、小，價格高,*20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的其它存儲設(shè)備：光盤、固態(tài)存儲器（如U盤等）,4.1 磁記錄概述,*磁記錄的功能是將一切能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕男畔?如聲音、圖像、數(shù)據(jù)和文字等)，通過電磁轉(zhuǎn)換記錄和存儲在磁記錄介質(zhì)上，并且該信息可以隨時重放。,*根據(jù)記錄信息的形態(tài)，磁記錄可分為：模擬式磁記錄、數(shù)字式磁記錄,*根據(jù)磁化強度與記錄介質(zhì)的取向，數(shù)字式磁記錄可分為：水平磁化模式、垂直磁化模式,4.1.1 磁記錄的基本過程,*由介質(zhì)上的記錄磁跡所構(gòu)成的磁化強度的空間變化代表記錄信號的時間變化規(guī)律,4.1.2 模擬式磁記錄,定義：將聲音振動的大小、圖像的明暗等原樣地轉(zhuǎn)變?yōu)榇呕膹娙酰涗浽谟涗浗橘|(zhì)表面上的方式,

3、分類：無調(diào)制記錄（直接記錄）、調(diào)制記錄,無調(diào)制記錄：無偏磁記錄、直流偏磁記錄、交流偏磁記錄 *偏磁信號本身并不反映在磁介質(zhì)的記錄信號上 直接記錄,調(diào)制記錄：調(diào)幅記錄、調(diào)頻記錄 *載波信號反映在磁介質(zhì)的記錄信號上,一、偏磁記錄,1、直流偏磁記錄,*優(yōu)點： 較好的線性關(guān)系和較高的記錄靈敏度,*缺點： 當(dāng)沒有信號時，存在直流背底噪聲；信號的動態(tài)變化范圍只能在線性部分,2、交流偏磁記錄,*特點： 存在交流消磁，不導(dǎo)致背底噪聲；很好的線性特性；信號失真度小，信噪比高。,二、調(diào)制記錄,*調(diào)制的原因：輸入信號隨時間的變化范圍很寬，有些是超低頻信號，有些是瞬態(tài)式的信號，動態(tài)范圍很寬。,*調(diào)制：用低頻信號去控制

4、高頻振蕩，使其具有低頻信號特征的過程稱為調(diào)制。,*調(diào)幅：以調(diào)制信號去控制載波的振幅，使載波的振幅按調(diào)制信號的規(guī)律變化。包絡(luò)線反映了調(diào)制波的特點。,*調(diào)頻：以調(diào)制信號去控制載波的頻率，使載波的頻率按調(diào)制信號的規(guī)律變化。特點：其頻率隨調(diào)制信號振幅的變化而變化，而它的幅度卻始終保持不變。,4.1.3 數(shù)字式磁記錄,*根據(jù)磁化強度與記錄介質(zhì)的取向，數(shù)字式磁記錄可分為水平磁化模式和垂直磁化模式兩類。,一、水平磁記錄,*通常采用環(huán)形磁頭與具有縱向磁各向異性的記錄介質(zhì)相組合的形式，記錄介質(zhì)中的剩磁方向平行于介質(zhì)平面。,*水平磁記錄的位密度越來越大地受到退磁場引起過渡區(qū)展寬限制的影響。展寬決定于,*限制：過小

5、的晶粒尺寸難以長久地保持磁記錄的信號，而過高的矯頑力勢必使磁頭難以寫入。,二、垂直磁記錄,*隨著記錄面密度的提高，微小磁化單元產(chǎn)生的退磁場越來越小。因此相比水平磁記錄，垂直磁記錄大幅度地提高了記錄密度。 *要實現(xiàn)垂直磁記錄，記錄介質(zhì)應(yīng)具有很強的垂直磁各向異性,4.2 磁頭及磁頭材料,*定義：實現(xiàn)電信號和磁信號之間相互轉(zhuǎn)換的電磁能量轉(zhuǎn)換器件。,*體型磁頭 薄膜磁頭 磁電阻磁頭,4.2.1 磁頭的種類,*體型磁頭的磁芯材料：Fe-Ni合金為基礎(chǔ)的軟磁合金；Mn-Zn鐵氧體和Ni-Zn鐵氧體；MIG磁頭(metal in gap),*薄膜磁頭的優(yōu)點：工作縫隙小、磁場分布陡和磁跡寬度窄，故可提高記錄速

6、度和讀出分辨率。,*體型磁頭和薄膜磁頭都是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行記錄和再生。都有如下要求： 1、高磁導(dǎo)率；2、高飽和磁化強度；3、低矯頑力及低各向異性；4、高電阻率；5、小型、輕量，耐磨性強；6、加工性好。,*磁電阻磁頭：利用各向異性磁電阻效應(yīng)，為讀操作磁頭,4.2.2 磁頭材料,一、合金磁頭材料,*常用材料：含鉬坡莫合金、仙臺斯特合金,*合金磁頭材料的優(yōu)點：高磁導(dǎo)率、高飽和磁化強度、矯頑力低等。 缺點：渦流損耗大,二、鐵氧體磁頭材料,*常用材料：Ni-Zn、Mn-Zn *優(yōu)點：損耗低，材質(zhì)硬，抗腐蝕性比金屬好。 *缺點：飽和磁化強度低 在提高記錄密度上存在困難,三、非晶態(tài)磁頭材料,*特點：飽和

7、磁化強度高，矯頑力低，高頻特性較好，耐磨性耐腐蝕性好。,*常用材料：Co-(Zr, Hf, Nb, Ta, Ti)二元系合金薄膜，Co-Fe-B類金屬非晶態(tài)薄膜。,四、微晶薄膜磁頭材料,*特點：有更大的飽和磁化強度，比非晶材料更適合高矯頑力磁性介質(zhì)的高密度特性。,*常用材料：Fe-M(V，Nb，Ta，Hf等)-X(N，C，B),五、多層膜磁頭材料,*特點：與微晶薄膜相比，多層薄膜進(jìn)一步抑制了晶粒的生長，實現(xiàn)了低磁致伸縮 BS高，HC低 缺點：耐熱性差,*目前典型的多層膜材料： Fe-C/Ni-Fe 用于垂直磁記錄磁頭； Fe-Al-N/Si-N 用于垂直磁記錄磁頭； Fe-Nb-Zr/Fe-N

8、b-Zr-N 用于硬盤磁頭； Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 用于廣播用數(shù)字式VTR。,六、磁電阻磁頭材料,*坡莫合金是沿用至今的MR磁頭用磁性材料。 原因：磁各向異性小。,4.3 磁記錄介質(zhì)及介質(zhì)材料,*分類(據(jù)磁性記錄層)：顆粒狀涂布介質(zhì)和薄膜型磁記錄介質(zhì),*基本要求：具有高的記錄密度()、高出力()、高可靠性()以及低噪聲(),4.3.1 磁記錄介質(zhì)應(yīng)具備的特性,飽和磁感應(yīng)強度(Bs)大； 矩形比(BrBS)要大； 矯頑力(HC)在允許的范圍內(nèi)應(yīng)盡可能大；不能太大，太大則寫入與擦除不易；,*記錄介質(zhì)應(yīng)具備的條件：,作為最小記錄單位的微小永磁體應(yīng)盡可能小，且大小及分布均勻； 磁學(xué)性

9、能分布均勻，隨機偏差??； 表面平滑，耐磨損、耐環(huán)境性能優(yōu)良； 磁學(xué)特性對于加壓、加熱等反應(yīng)不敏感； 化學(xué)的、機械的耐久性優(yōu)良； 不容易導(dǎo)電。,*記錄介質(zhì)的磁性層的厚度是影響記錄密度的因素之一，實際上膜厚度可取記錄信息波長的1/4。,4.3.2 顆粒狀涂布介質(zhì),一、對顆粒介質(zhì)的要求 *要求顆粒是單疇的（0.041m），太大易受外界磁場的干擾，太小易受晶格熱振動影響形成超順磁。 *顆粒的形狀以針狀為最佳 矯頑力大。 *信噪比與N1/2成正比，N為單位體積內(nèi)磁性顆粒數(shù)，但顆粒數(shù)太多會使磁化狀態(tài)不穩(wěn)定。 *居里溫度必須比記錄介質(zhì)所處的環(huán)境溫度要高。,二、顆粒狀涂布介質(zhì)結(jié)構(gòu),*涂布工序在磁場下完成，盡可

10、能保證顆粒的長軸方向沿著記錄道方向取向排列 。,*硬盤：12mm厚的鋁合金盤基；軟盤：PET盤基,*理想的粘結(jié)劑：由疏水基和親水基構(gòu)成，親水基吸附于微粒上起錨連作用，疏水基在其外側(cè)構(gòu)成鏈狀殼層。,三、磁性粉,1、-Fe2O3 *德國于1934年發(fā)明。 優(yōu)點：易于制造和分散，價格便宜，對溫度、應(yīng)力和時間穩(wěn)定性好。 缺點：矯頑力不高（2032KA/m）,2、包覆Co的-Fe2O3 *-Fe2O3表面包覆Co的鐵氧體。 矯頑力：5570KA/m,3、CrO2 *優(yōu)點：飽和磁化強度與-Fe2O3相當(dāng)，但矯頑力明顯高于后者，可達(dá)3550KA/m。 缺點：價格昂貴，6價鉻離子有毒。,4、金屬磁粉 *優(yōu)點：

11、比氧化物更高的磁化強度和矯頑力。 *缺點：化學(xué)性質(zhì)活潑，易腐蝕，易與粘結(jié)劑發(fā)生反應(yīng)。,5、氮化鐵 *Fe4N：居里溫度為500度，矯頑力約為51KA/m。,6、鋇鐵氧體 *很高矯頑力，100900KA/m，添加Co和Ti等可對其進(jìn)行調(diào)節(jié)；飽和磁化強度與-Fe2O3相當(dāng)；單軸磁晶各向異性非常強，特別適用于作高密度的垂直磁記錄。,四、顆粒狀介質(zhì)的優(yōu)缺點 *優(yōu)點： 1、磁性能和非磁性能可以獨立地進(jìn)行改造和控制。 2、生產(chǎn)速度快，產(chǎn)量高，成本低。 3、顆粒選擇范圍寬，只是受到磁頭材料的限制。,*缺點： 1、磁帶和軟盤中磁性顆粒的體積比為40%，硬盤中僅為20%，這使得涂層的磁性能和記錄性能變差。 2、

12、軟盤和磁帶涂布介質(zhì)的厚度很難小于1m，硬盤很難小于0.25 m。 3、存在顆粒結(jié)塊，分散性難控制，很難獲得具有理想記錄特性的顆粒。 4、磁場對顆粒進(jìn)行定向或打亂定向不是很有效。,4.3.3 薄膜介質(zhì),*薄膜介質(zhì)包含100的磁性材料，因此使用薄膜介質(zhì)比使用顆粒狀介質(zhì)能得到更高的輸出幅度。,*剩余磁化強度不是材料本身的固有特性，而強烈地依賴于微結(jié)構(gòu)、薄膜厚度、薄膜沉積的表面特性以及沉積的工藝條件。矯頑力也不是材料的固有屬性，它與薄膜內(nèi)的磁各向異性有關(guān)。,*基底：基底要有很好的拋光，因為磁頭介質(zhì)間距的變化，表現(xiàn)為信號幅度的調(diào)制或信號下降，甚至丟失脈沖；基板的硬度很重要。,*附加層：一般使用Ni-P化

13、學(xué)鍍層，厚度范圍為1525m，它是非晶態(tài)和非磁性的，目的是提高硬度和減少缺陷。,*磁性層：大部分實用的磁性薄膜是Co基金屬合金，制備方法有化學(xué)沉積(電鍍、化學(xué)鍍)和物理沉積(真空蒸鍍、直流或射頻濺射、離子鍍等)兩種。,*保護層：保護層應(yīng)該是比較硬的、化學(xué)性質(zhì)不活潑的、能與磁性層很好粘結(jié)但與磁頭不粘結(jié)的材料，同時應(yīng)有高的抗張強度，并且不易碎裂。通常使用的保護層材料是硬質(zhì)碳，采用的成膜方法一般是濺射。其它保護層材料：帶有Cr增強層的濺射銠薄膜、SiO2、TiC、TiN、SiC、CrC3、 A12O3等。,4.4 磁光記錄材料,4.4.1 磁光效應(yīng),*定義：一束入射光進(jìn)入具有固有磁矩的物質(zhì)內(nèi)部傳輸或者在物質(zhì)界面反射時，光波的傳播特性發(fā)生變化。,*磁光效應(yīng)的類型： 1、塞曼效應(yīng)：對發(fā)光物質(zhì)施加磁場，光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象。,2、法拉第效應(yīng)和科頓-莫頓效應(yīng),3、克爾效應(yīng),4.4.2 磁光記錄和讀出原