1、材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering (材料物理課件Chap7.5磁記錄材料材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 2 磁頭磁頭在磁記錄中實(shí)現(xiàn)信息記錄和信息讀取的關(guān)鍵部件。它同時(shí)也是

2、電信號(hào)和磁信號(hào)之間互相轉(zhuǎn)換的能量轉(zhuǎn)換器件。它的種類有：體型磁頭、薄膜磁頭、磁電阻磁頭。體型磁頭和薄膜磁頭都是利用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行記錄和信號(hào)讀取。為了能使記錄介質(zhì)進(jìn)行有效的磁化，要求磁頭磁芯應(yīng)具有高飽和磁通密度；讀取信息時(shí)，要求磁芯材料具有高磁導(dǎo)率，從而敏感地感受記錄信號(hào)。對(duì)這兩類磁頭材料的要求：1高磁導(dǎo)率2高飽和磁化強(qiáng)度3低矯頑力以及低各向異性4高電阻率5小型、輕量、耐磨性強(qiáng)6加工性能好材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 磁電阻磁頭是利用磁阻效應(yīng)制成的。磁阻效應(yīng)指的是磁介質(zhì)在磁場(chǎng)中電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。它主要

3、應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中的硬盤驅(qū)動(dòng)器中讀取磁信息。磁頭材料磁頭材料合金磁頭材料合金磁頭材料鉬坡莫合金鉬坡莫合金4wt%Mo-17wt%-Ni4wt%Mo-17wt%-Ni和仙臺(tái)斯特合金和仙臺(tái)斯特合金5.4wt%Al-9.6wt%Si-Fe)5.4wt%Al-9.6wt%Si-Fe)這兩種材料在低頻下的磁導(dǎo)率高，矯頑力低。它們的磁致伸縮系數(shù)接近這兩種材料在低頻下的磁導(dǎo)率高，矯頑力低。它們的磁致伸縮系數(shù)接近0 0，具，具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，寫(xiě)入性能好。有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，寫(xiě)入性能好。2. 2. 鐵氧體磁頭材料鐵氧體磁頭材料它的電阻率高，渦流引起的磁損耗低，因此適合在高頻條件下工作。主要有它的電阻率高，渦流引

4、起的磁損耗低，因此適合在高頻條件下工作。主要有Ni-ZnNi-Zn鐵氧體和鐵氧體和Mn-ZnMn-Zn鐵氧體。鐵氧體。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 3. 非晶態(tài)磁頭材料它具有良好的軟磁性能。材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻，沒(méi)有晶界。磁晶各向異性能低，矯頑力低；通過(guò)薄膜化可是渦流損耗低，明顯改善高頻特性。應(yīng)用的材料體系有：Co-(Zr、Hf、Nb、Ta、Ti)二元合金和Co-Fe-B合金。4. 微晶薄膜磁頭材料通常選擇鐵基合金，主要原因?yàn)镕e的飽和磁化強(qiáng)度高。典型的體系為Fe-MV，Nb，Ta，Hf等-XN，C，B。

5、通過(guò)濺射形成非晶膜，而后加熱形成微晶。Fe-Ta-C、Fe-Ta-N的BS高于1.5-1.6T, 磁導(dǎo)率高于30001MHz。5. 多層膜磁頭材料它是由不同化學(xué)組分的數(shù)十納米或以下的超薄膜周期性沉積獲得，具有優(yōu)良的軟磁特性。它的BS高達(dá)2T，Hc也很低，但難熱性差。在500oC下退火，晶粒長(zhǎng)大，軟磁性能變壞。Fe-C/Ni-Fe 用于垂直記錄磁頭Fe-Al-N/Si-N 用于垂直記錄磁頭Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N 用于硬盤磁頭Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 用于播送用數(shù)字式VTR磁頭材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science

6、and Engineering 6. 磁電阻磁頭材料一般為坡莫合金，典型的成分為Ni85Fe15。磁記錄介質(zhì)材料應(yīng)具備的特性磁記錄介質(zhì)材料應(yīng)具備的特性1 1BsBs大大2 2Br/BsBr/Bs大大3 3HcHc在允許范圍內(nèi)盡量大在允許范圍內(nèi)盡量大4 4作為最小記錄單位的微小永磁體盡可能地小，且大小及分布均勻作為最小記錄單位的微小永磁體盡可能地小，且大小及分布均勻5 5磁學(xué)分布均勻，隨機(jī)偏差下磁學(xué)分布均勻，隨機(jī)偏差下還要求：還要求：1)1)外表平滑、耐磨損、耐環(huán)境性能好外表平滑、耐磨損、耐環(huán)境性能好2 2磁學(xué)特性對(duì)于加壓、加熱等反響不敏感磁學(xué)特性對(duì)于加壓、加熱等反響不敏感3 3化學(xué)的、機(jī)械的耐

7、久性優(yōu)良化學(xué)的、機(jī)械的耐久性優(yōu)良4 4不容易導(dǎo)電不容易導(dǎo)電在高密度記錄中，應(yīng)選擇盡可能薄的層，同時(shí)薄膜的平滑性很重要。在高密度記錄中，應(yīng)選擇盡可能薄的層，同時(shí)薄膜的平滑性很重要。希望是單疇，尺寸在希望是單疇，尺寸在0.04-10.04-1m m范圍內(nèi)，形狀以針狀為最正確范圍內(nèi)，形狀以針狀為最正確材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 7.5.2 7.5.2 磁光記錄材料磁光記錄材料7.5.2.1 磁光效應(yīng)一束入射光進(jìn)入具有固有磁距的物質(zhì)內(nèi)部傳輸或者在物質(zhì)界面反射時(shí)，光波的傳輸特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。

8、塞曼效應(yīng)對(duì)發(fā)光物質(zhì)施加磁場(chǎng)，光譜發(fā)生分裂的現(xiàn)象稱為塞曼效應(yīng)2. 法拉第效應(yīng)它是光與原子磁距相互作用而產(chǎn)生的現(xiàn)象。當(dāng)偏振光通過(guò)一些透明物質(zhì)時(shí)，如加上與入射光方向一致的磁場(chǎng)，透射光會(huì)在其偏振面上旋轉(zhuǎn)一定的角度射出。對(duì)于鐵磁鐵材料來(lái)說(shuō)，法拉第旋轉(zhuǎn)角F=FL(M/MS)，F(xiàn)為法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù)(o/cm),L為透明材料的長(zhǎng)度，Ms為飽和磁化強(qiáng)度，M為入射光方向的磁化強(qiáng)度。對(duì)于所有透明物質(zhì)來(lái)說(shuō)都會(huì)產(chǎn)生此效應(yīng)，法拉第旋轉(zhuǎn)系數(shù)最大的是稀土石榴石系物質(zhì)。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 3. 科頓-莫頓效應(yīng)假設(shè)施加與入射光垂

9、直的磁場(chǎng)，入射光將分裂為沿原方向的正常光束和偏離原方向的異常光束。4. 克爾效應(yīng)當(dāng)光入射到被磁化的物質(zhì)，或入射到外磁場(chǎng)作用下的物質(zhì)外表時(shí)，其反射光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 極向克爾效應(yīng)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種克爾效應(yīng)。從左圖可以看出，當(dāng)具有偏振的激光入射到磁記錄介質(zhì)的外表時(shí)，反射光的偏振面會(huì)旋轉(zhuǎn)k或-k。 磁光記錄和讀出原理1. 記錄原理利用熱磁效應(yīng)來(lái)改變微小區(qū)域的磁化矢量取向。磁光記錄介質(zhì)膜在室溫下有較大的矯頑力，并且磁化矢量垂直于膜面。記錄時(shí)，用聚焦激光局部照射到希望記

10、錄的部位，該處溫度升高，矯頑力下降，并且同時(shí)在該處施加反向磁場(chǎng)，使該部位磁化發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)磁記錄。它分為居里溫度寫(xiě)入和補(bǔ)償溫度寫(xiě)入兩種方式。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 2. 讀出原理信息的讀出利用克爾效應(yīng)。磁化反轉(zhuǎn)局部與周圍基體的磁化方向是相反的，因此記錄局部反射光偏正面的旋轉(zhuǎn)角與其周圍基體局部反射光的偏正面的旋轉(zhuǎn)角為2K。同時(shí)，調(diào)制檢偏片角度與與基體的克爾旋轉(zhuǎn)方向垂直，這

11、樣基板的反射光被截止，光電管只能檢測(cè)到從記錄位置反射的光。高K是磁光盤的必要條件。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 增大K值可以通過(guò)光學(xué)透明介質(zhì)的光學(xué)干預(yù)來(lái)提高磁記錄介質(zhì)的克爾效應(yīng)，但同時(shí)反射率不能太低，所以要選取適宜的光學(xué)膜厚。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 磁光記錄介質(zhì)材料磁光記錄介質(zhì)的根本性能要求1垂直單軸磁各向異性K應(yīng)滿足：2薄膜的磁滯回線應(yīng)為矩形，矩形比接近1；3材料的居里溫度要適中；4穩(wěn)定的最小記錄尺寸

12、d要小，d1/Hc，所以矯頑力要高；其它還要滿足：5材料要有大的K，成膜后外表光滑平整，晶粒為納米級(jí)或非晶薄膜；6高的熱傳導(dǎo)率；7熱穩(wěn)定性要好；8抗氧化，抗腐蝕能力強(qiáng)；9易大面積成膜。022SMK,材料的Ms不能太大；材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 2. Mn-Bi多晶膜(未實(shí)用化)它的晶體結(jié)構(gòu)為NiAs六方晶體，具有大的結(jié)晶各向異性。有兩個(gè)相，即低溫相Tc=360oC)和高溫淬火相Tc=180oC) 。3. 稀土-過(guò)渡族元素非晶態(tài)薄膜有效響應(yīng)波長(zhǎng)為800nm)典型的實(shí)用化材料為Tb-Fe-Co。4.石

13、榴石氧化物薄膜抗氧化能力強(qiáng)，有效響應(yīng)波長(zhǎng)較短，為510nm。5. Pt/Co超晶格和Pt-Co合金膜材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering Ni 的電阻率的電阻率-隨溫度變化的規(guī)律隨溫度變化的規(guī)律7.5.3 7.5.3 磁阻磁阻MRMR記錄材料記錄材料(T)=res+ph(T)+mag(T)材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 7.5.3.1 磁阻效應(yīng)式中，為磁電阻系數(shù)，RT,0)/T,0)、 RT,H)/T,H分別代表為溫度

14、為T時(shí)， 磁場(chǎng)依次為0，H時(shí)的電阻/電阻率。 一般情況下，金屬的MR比較小，不超過(guò)2%-3%。如果外加電流方向與磁場(chǎng)方向平行，此時(shí)材料的MR效應(yīng)稱為縱向MR效應(yīng)；垂直時(shí)那么稱為橫向MR效應(yīng)。 電流與自發(fā)磁化強(qiáng)度的相對(duì)取向材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 根據(jù)磁阻效應(yīng)的物理起源機(jī)制可分為：正常磁電阻效應(yīng)OMR)和反常磁電阻效應(yīng)。正常磁電阻效應(yīng)，存在于所有磁性和非磁性材料中，它是由于載流子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的時(shí)候受到Lorenz力的作用，產(chǎn)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而增加了電子受散射的幾率。使電阻率上升，與電子自旋根本無(wú)關(guān)。O

15、MR在低外磁場(chǎng)下的數(shù)值很小，但在某些非磁性材料中如：金屬Bi薄膜和納米線、Cr/Ag/CrOMR較大。它的優(yōu)點(diǎn)是沒(méi)有磁滯現(xiàn)象。反常效應(yīng)是具有自發(fā)磁化強(qiáng)度的鐵磁鐵所特有的現(xiàn)象，起因被認(rèn)為是自旋軌道的相互作用引起的與磁化強(qiáng)度有關(guān)的電阻率變化。大致原因如下：由于外加磁場(chǎng)引起的自發(fā)磁化強(qiáng)度的增加，從而引起電阻率的變化；由于電流和磁化方向的相對(duì)不同導(dǎo)致的MR效應(yīng),稱為磁各向異性效應(yīng)；鐵磁鐵的疇壁對(duì)傳導(dǎo)電子的散射產(chǎn)生的。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Mate

16、rials Science and Engineering Albert FertPeter GrnbergThe Nobel Prize in Physics of 2007 has been awarded for the discovery of giant magnetoresistance (GMR).材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院S

17、chool of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering H=0HHc材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科

18、學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 7.5.3.2 GMR效應(yīng)1. 實(shí)現(xiàn)GMR效應(yīng)的根本要求一般由3d電子過(guò)渡族金屬鐵磁性元素Fe、Co、Ni)的膜層與Cr、Cu、Ag、Au、Ru、Mo等非磁性膜層交替組成的超晶格多層薄膜系統(tǒng)，在這樣的多層膜里能出現(xiàn)GMR效應(yīng)，電阻系數(shù)可以高達(dá)50%。它要滿足以下條件：1在鐵磁性導(dǎo)體/非鐵磁性導(dǎo)體超晶格中，構(gòu)成反平行自旋結(jié)構(gòu)，體系磁化狀態(tài)可以在外磁場(chǎng)作用下發(fā)

19、生改變。2金屬超晶格的周期比電子自由程短。Cu的電子自由程在34納米左右3自旋取向不同的兩種電子上旋和下旋，在磁性膜層中的散射差異必須要大。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 早期的多層薄膜制備是用MBE，昂貴的制備本錢大大限制了GMR的應(yīng)用。1990年，IBM的Parkin等人成功用磁控濺射制取了多晶的Fe/Cr)n、Co/Cu)n膜，并觀察到GMR現(xiàn)象和層間耦合震蕩。從此，GMR研究工作得到極大的推進(jìn)。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and E

20、ngineering 2. GMR效應(yīng)的特點(diǎn)1電阻變化率大，其中Cu/Co多層膜的電阻率可達(dá)70%；2隨磁場(chǎng)增加，電阻只是減少；3電阻變化與磁化強(qiáng)度-磁場(chǎng)間所成的角度無(wú)關(guān)；4GMR效應(yīng)對(duì)于非磁性導(dǎo)體隔離層的厚度十分敏感；5具有積層數(shù)效應(yīng)。隨著周期性數(shù)N的增加，GMR值也增大，當(dāng)N值到達(dá)一定值時(shí)，GMR值趨于飽和。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 3. GMR效應(yīng)的物理起源最初模型Stoner提出由于交換作用，對(duì)原子磁距有奉獻(xiàn)的d電子能帶產(chǎn)生劈裂，自旋向上的電子能帶降到費(fèi)米能級(jí)以下，因而自旋相下的電子比自旋向上的電子要少。二流體模型Mott提出在鐵磁金屬中，導(dǎo)電的s電子要受到磁性原子磁距的散射作用(即與局域的d電子作用，散射的幾率取決于導(dǎo)電的s電子的自旋方向與固體中磁性原子磁距方向的相對(duì)取向。自旋方向與磁距方向一致的電子受到的散射作用很弱。反之，散射作用會(huì)很強(qiáng)。材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院School of Materials Science and Engineering 1GMR hard drive4. GMR效應(yīng)的應(yīng)用材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)