磁记录介质材料.ppt

磁记录介质材料磁记录介质材料 北京航空航天大学北京航空航天大学 于荣海于荣海磁记录材料磁记录材料 Information to store Temporary Storage Permanent Storage Audio Tape Tape Photo Floppy disk Floppy disk Video CDR CDR DVDR DVDR HDD Internet Solid State Devices(MRAM,Flash,OUM,FRAM)Information Data and Storage Media磁记录装置原理图磁记录装置原理图Hard Discs:Bits and Bytes 100 Gbit/in2 demo mediaGrain size 8.5 nmMaterial:CoPtCrB*Seagate,NewsletterAreal Density=Track Density*Linear DensityThe smallest recording unit is called“bit”Each bit contains hundreds of grains.Hard Disk DriveSubstrate-glass Magnetic medium Fe3O4Hard Drive DiskGlassMagnetic Medium Fe3O4MAGNETIC RECORDINGn Particulate Recording Media n Thin Film Recording Media SiT.Ox.,SiO2AlNBaMSiT.Ox.,SiO2amorphous-BaMBaM磁记录介质材料磁记录介质材料磁记录的三种方式的发展磁记录的三种方式的发展水平磁记录水平磁记录比特的晶粒组成（比特的晶粒组成（100个以上的晶粒）个以上的晶粒）热稳定性与密度上限热稳定性与密度上限垂直磁记录垂直磁记录退磁场退磁场膜厚与热稳定性膜厚与热稳定性分立垂直磁记录分立垂直磁记录减小相互作用减小相互作用热稳定性热稳定性三种磁记录方式示意图三种磁记录方式示意图n Longitudinal:130 Gbits/in2 Recording media limit 200 Gbits/in2 Recording head limit 150微米微米半固态薄层半固态薄层TEM Characterization of Particles TEM Characterization of Particles Made by the Cluster GunMade by the Cluster GunHeating stage transforms the FePt particles from the fcc to fct phase without much increase in average particle size.Nanoparticles by Chemical SynthesisNanoparticles by Chemical SynthesisFe(CO)5 Pt(acac)2 A schematic diagram of preparing FePt nanoparticles by chemical synthesisA schematic diagram of preparing FePt nanoparticles by chemical synthesis Monodisperse Colloid Growth(LaMer 1950)Time(seconds)Concentration of solute in solution 0200400600800InjectionSolubility limit1000C*maxC*minCsAttractive ForcesAgglomerationSurfactant Coating:Steric RepulsionRoute to Monodisperse Particle Arrays1.Separate Nucleation and Growth 2.Prevent AgglomerationFe(CO)5Pt(acac)2,-CO+2e-Formation of FePt ArraysEvaporation MethodMicrostructure of Self-assembled ParticlesMicrostructure of Self-assembled ParticlesCoPt nanoparticles with spherical and ellipsoidal shapesArray of FeNiPt nanoparticles with average particles size of 4 nm CoCrPtB-based granular thin film:low thermal stability Co-Pd or Co-Pt multilayered(20 layers)film:large grain size CoCrPt-oxide thin film:FePt or CoPtTrend in Perpendicular Recording Film准零维磁性纳米粒子准零维磁性纳米粒子早在上世纪早在上世纪5050年代就已应用年代就已应用1.用于磁畴观察的粉纹技术：将足够细的铁磁粉末的胶用于磁畴观察的粉纹技术：将足够细的铁磁粉末的胶状悬浮液涂在样品表面上，由于畴壁处的散磁场将磁状悬浮液涂在样品表面上，由于畴壁处的散磁场将磁性粉末集中于此，描绘出表面的磁畴结构或表面畴壁性粉末集中于此，描绘出表面的磁畴结构或表面畴壁的轨迹。的轨迹。2.用于制备单畴永磁粉材料，因为单畴粒子反磁化过程用于制备单畴永磁粉材料，因为单畴粒子反磁化过程是磁畴的转动，没有畴壁运动过程，矫顽力可以提高是磁畴的转动，没有畴壁运动过程，矫顽力可以提高很多。很多。3.用于磁密封的磁性液体，即用于磁密封的磁性液体，即60年代用宇航服头盔的磁年代用宇航服头盔的磁密封。这里用到了纳米粒子的超顺磁性。密封。这里用到了纳米粒子的超顺磁性。磁畴磁畴-Magnetic Domain磁畴磁畴磁畴磁畴 块块状状磁磁性性材材料料因因交交换换作作用用能能，磁磁各各向向异异性性能能而而导导致致磁磁矩矩平平行行排排列列在在其其易易轴轴方方向向，但但这这将将导导致致很很强强的的退退磁磁能能.对对于于半半径为径为R的球形体，退磁能为的球形体，退磁能为 Ed=(4/3)0 R3 Ms2/6 尺尺寸寸R越越大大，退退磁磁能能越越高高，为为降降低低能能量量，材材料料必必然然分分裂裂成成磁磁畴畴，但但在在两两个个畴畴之之间间的的畴畴壁壁过过渡渡区区，磁磁矩矩必必然然偏偏离离易易轴轴，相相邻邻磁磁矩矩也也不不再再平平行行，由由此此产产生生的的畴畴壁壁能能将将介介入入总总能能量量的的平平衡衡。比比如如180度度畴畴壁的畴壁能密度就是壁的畴壁能密度就是:180=2(A1K1)1/2磁畴磁畴 当当粒粒子子尺尺寸寸R很很小小时时，畴畴壁壁能能相相对对于于退退磁磁能能更更严严重重，没没有有必必要要再再分分磁磁畴畴，就就形形成成了了单单畴畴粒粒子子，可可如如下下估估计计单单畴畴粒粒子子的的临临界界尺尺寸寸：将将单单畴畴的的退退磁磁能能与与分分成成两两个个磁磁畴畴的的畴畴壁壁能能，退磁能之和相等：退磁能之和相等：(4/3)0 R3 Ms2/6=4/3)0R3 Ms2/3+R22(A1K1)1/2 可得单畴临界尺寸可得单畴临界尺寸R0比例于：比例于：(A1K1)1/2/Ms2 纳米尺度的磁畴纳米尺度的磁畴 超顺磁性是磁有序纳米材料小尺寸效应的典型表现。超顺磁性是磁有序纳米材料小尺寸效应的典型表现。当当体体积积为为V的的单单畴畴磁磁性性粒粒子子继继续续减减小小，磁磁矩矩取取向向会会因因热热运运动动能能量量 kT 比比相相应应的的磁磁能能还还大大，可可越越过过各各向向异异性性能能势势垒垒K1V，使使粒粒子子的的磁磁化化方方向向表表现现为为磁磁的的“布布朗朗运运动动”，粒粒子子集集合合体体的的总总磁磁化化强强度度为为零零。称称为为超超顺顺磁磁性性。只只是是粒粒子子内内不不是是单单个个原原子子或或分分子子的的磁磁矩矩，而而是是磁磁有有序序的的集集合合体体，集集合合体体之之间间的的磁磁取取向向 混混 乱乱 排排 列列，其其 宏宏 观观 表表 现现 为为“顺顺 磁磁 性性”。对对超超顺顺磁磁性性粒粒子子的的胶胶体体悬悬浊浊液液，粒粒子子间间只只有有弱弱的的静静磁磁作作用用和范德瓦尔斯力。这就是磁性液体。和范德瓦尔斯力。这就是磁性液体。超顺磁性超顺磁性 热热运运动动能能 kT 使使体体积积为为V的的粒粒子子磁磁矩矩Ms越越过过各各向向异异性性为为K的势垒的势垒KV的几率为的几率为 p=exp(-KV/kT),即即原原一一致致磁磁化化的的粒粒子子集集合合体体，经经过过足足够够长长的的时时间间可可衰衰减减到到剩磁为零，其弛豫时间剩磁为零，其弛豫时间 为为 =(1/f0)exp(KV/kT),频率因子频率因子f0=109 s-1 。如如果果要要等等一一年年(107秒秒)才才会会衰衰减减为为“顺顺磁磁”态态，那那就就一一定定不不能能认认为为这这材材料料是是超超顺顺磁磁性性，因因此此这这里里有有个个 的的相相对对标标准准，譬譬如如可可用用 107 erg/cm3 However,if particles become too small(107 erg/cm3)with coercivity Hc 4-10 kOe to overcome thermal effects Particles must have a perpendicular anisotropy with their magnetization perpendicular to the film plane:Perpendicular recordingIsolated particles(To reduce noise):SiO2 coated nanoparticles?Thermal StabilityRelaxation time=10-9exp(KuV/kBT)=7.5 years for KuV/kBT=40 =3 x 109 yearsfor KuV/kBT=60Assuming d=5 nm we have:FePtCoPtSmCo5 K=108 erg/cc