第7章 磁信息材料(補(bǔ)充材料)

第七章磁信息材料

磁信息材料磁信息材料是利用磁學(xué)原理和方法存儲和記錄信息的磁載體材料。磁信息材料分類按所采用的磁學(xué)原理和方法不同分為:矩磁性存儲、磁泡存儲、磁記錄和磁光記錄。磁存儲是隨著電子計算機(jī)的興起而發(fā)展起來的。磁記錄是從錄音開始，接著擴(kuò)展到錄象和錄數(shù)碼，形成了廣闊的磁信息技術(shù)領(lǐng)域，在信息技術(shù)中占有十分重要的地位。磁記錄材料、磁帶材料、磁泡材料和矩磁材料。

第七章磁信息材料

磁記錄磁記錄是利用磁頭氣隙中隨信息變化的磁場磁化經(jīng)過氣隙的磁記錄介質(zhì)，隨時間變化的信息磁場轉(zhuǎn)化為磁記錄介質(zhì)中按空間變化的強(qiáng)度分布。經(jīng)過相反的過程可將記錄的信息經(jīng)磁頭重放出來?！?.1磁記錄材料

縱向磁記錄模式傳統(tǒng)的磁記錄模式是縱向磁記錄，即利用磁頭的位于磁記錄介質(zhì)面內(nèi)的磁場縱向矢量分量來寫入信息。第七章磁信息材料

縱向磁記錄模式缺點縱向磁記錄模式在實現(xiàn)超高密度磁記錄時遇到了很難解決的技術(shù)難題，即要求磁記錄介質(zhì)很薄，磁頭和介質(zhì)的距離很窄以減少退磁場，但這是有限度的?！?.1磁記錄材料

磁垂直記錄和磁光記錄模式為了克服縱向磁記錄模式的缺點，發(fā)展了磁垂直記錄和磁光記錄兩種新模式。第七章磁信息材料

磁垂直記錄和磁光記錄模式垂直記錄是利用磁場的垂直分量在具有各向異性的記錄介質(zhì)上寫入信息。磁光記錄是用光學(xué)頭，靠激光束加磁場來寫入信息，利用磁光效應(yīng)來讀出信息。磁記錄材料的種類：磁記錄材料包括磁頭材料、磁記錄介質(zhì)材料和磁光記錄介質(zhì)材料三部分。§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

一、磁頭材料

1、磁頭與磁頭材料從錄音機(jī)到電子計算機(jī)都要用磁頭。磁頭的基本功能是與磁記錄介質(zhì)構(gòu)成磁性回路，對信號進(jìn)行加工，包括記錄、重放和消磁（抹除信息）三種基本功能?！?.1磁記錄材料

磁頭工作原理有二種：磁阻式和磁感應(yīng)式，磁阻式磁頭只能讀出。上圖是一種磁感應(yīng)磁頭。第七章磁信息材料

一、磁頭材料

1、磁頭與磁頭材料記錄信號的基本過程：記錄信號時，在磁頭線圈中通入信號電流，就會在縫隙產(chǎn)生磁場溢出，則剩磁沿著介質(zhì)長度方向上的演變規(guī)律完全反映信號變化規(guī)律。磁頭材料是磁頭鐵芯用的高密度軟磁材料，做成記錄（寫入）或重放（讀出）信息的換能器件?！?.1磁記錄材料

磁頭所用磁性材料的要求是高磁導(dǎo)率、高磁感應(yīng)強(qiáng)度和較高的能量轉(zhuǎn)換效率。第七章磁信息材料

一、磁頭材料

2、磁頭材料的具體要求（1）最大磁導(dǎo)率μm和飽和磁化強(qiáng)度Bs要高，以實現(xiàn)高效率記錄。（2）矯頑力Hc和剩余磁化強(qiáng)度Br要低，以減少磁頭的磁損耗和剩磁，降低剩磁引起的噪聲與非線性。（3）電阻率ρ要高，以降低損耗，改善高頻記錄的頻率響應(yīng)特性。（4）起始磁導(dǎo)率μi

要高，以提高重放磁頭的靈敏度。

（5）磁導(dǎo)率的截止頻率fr要高，以利于高頻高速記錄，提高使用頻率上限。（6）耐磨損、抗剝落、機(jī)械加工性好。§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

一、磁頭材料

3、磁頭材料的種類與特點

磁頭材料又分為金屬磁頭材料、鐵氧體磁頭材料和非晶態(tài)磁性材料三類。磁頭材料主要用來制作錄音、錄像和錄碼磁頭鐵芯。垂直記錄磁頭要形成大的垂直磁場。

（1）金屬磁頭材料

金屬磁頭材料主要包括坡莫合金、鐵鋁合金、鐵硅鋁合金等。

優(yōu)點：最大磁導(dǎo)率μm和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs高，Hc低。

缺點：電阻率ρ和硬度低，使用壽命不如鐵氧體。

鐵硅鋁合金的電阻率和硬度優(yōu)于坡莫合金，但鐵硅鋁加工性能很差，限制了應(yīng)用?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

一、磁頭材料

3、磁頭材料的種類與特點（1）金屬磁頭材料在坡莫合金中加入少量的鈮（3％～8％）、鈦、鋁等可提高硬度和電阻率，并獲得較高的磁導(dǎo)率。例如：硬坡莫合金，加鈮的79Ni-2Mo-7Nb-0.5Al-Fe合金?！?.1磁記錄材料

磁性能改善較大:初始磁導(dǎo)率μi=50mH/m最大磁導(dǎo)率μm=225mH/mHc=0.8A/mBs=0.5T硬度為270，電阻率提高到88μΩ·cm。第七章磁信息材料

一、磁頭材料

3、磁頭材料的種類與特點（2）鐵氧體磁頭材料鐵氧體磁頭材料有燒結(jié)的錳鋅和鎳鋅鐵氧體、熱壓的錳鋅和鎳鋅鐵氧體以及單晶錳鋅鐵氧體等。優(yōu)點：與金屬材料相比，硬度高、耐磨性好、電阻率高。鐵氧體磁頭適合于高頻下工作。缺點：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs

低。（3）非晶態(tài)磁性材料隨著磁記錄介質(zhì)的矯頑力的提高，原有的磁頭材料如坡莫合金(4%Mo，17%Fe-Ni)難以滿足要求，非晶態(tài)磁性材料就是新開發(fā)出的磁頭材料?！?.1磁記錄材料

一、磁頭材料

3、磁頭材料的種類與特點（3）非晶態(tài)合金磁頭材料隨著磁記錄介質(zhì)的矯頑力的提高，原有的磁頭材料如坡莫合金(4%Mo，17%Fe-Ni)難以滿足要求，新開發(fā)出非晶態(tài)合金磁頭材料。目前主要的非晶態(tài)材料有二類：①鐵基的非晶態(tài)合金磁頭材料，如72Fe8Cr13P7C。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs=0.9T，飽和磁至伸縮系數(shù)λs=10-5，耐磨性好，成本低。理想的視頻磁頭材料。②鈷基的非晶態(tài)合金磁頭材料。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs相當(dāng)高，飽和磁至伸縮系數(shù)為零，居里溫度也高，十分適合做磁頭材料，但價格昂貴。非晶態(tài)材料優(yōu)點許多，但穩(wěn)定性是要特別注意的問題。第七章磁信息材料

§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

最常見的錄音機(jī)、錄相機(jī)磁帶、計算機(jī)用軟盤、各類磁卡都是用磁記錄介質(zhì)材料制作的。磁記錄介質(zhì)材料是涂敷在磁帶、磁盤和磁鼓上面用于記錄和存儲信息的磁性材料。磁記錄介質(zhì)材料是作為硬磁材料來應(yīng)用的，與傳統(tǒng)硬磁材料不同，往往不是以塊狀形態(tài)使用，常用的使用形態(tài)有顆粒涂布型和高密度連續(xù)膜型磁記錄介質(zhì)。五項指標(biāo)作為磁記錄介質(zhì)材料要求的指標(biāo)主要有五項：記錄密度、存貯容量、數(shù)據(jù)傳輸速度、數(shù)據(jù)存取時間和誤碼率。§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

1、磁記錄介質(zhì)磁性能要使記錄和存儲的信息穩(wěn)定可靠，要求磁記錄介質(zhì)為矩形好的永磁材料，并有如下磁性能要求：（1）矯頑力

Hc

要適當(dāng)高（16～80kA/m），以便有效地存儲信息，抵抗環(huán)境干擾，減少剩磁狀態(tài)的自退磁效應(yīng)，提高記錄密度。顆粒涂布型磁記錄介質(zhì)，要獲得高的矯頑力，需要控制磁粉的晶體結(jié)構(gòu)、形狀及尺寸?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

1、磁記錄介質(zhì)磁性能（1）高矯頑力。磁粉在尺寸控制上存在一臨界尺寸d臨。磁粉直徑大于臨界尺寸是多疇結(jié)構(gòu)。磁化過程通過疇壁位移實現(xiàn)，故矯頑力低。磁粉直徑小于臨界尺寸是單疇結(jié)構(gòu)?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

1、磁記錄介質(zhì)磁性能（1）高矯頑力。在單疇結(jié)構(gòu)時，磁化過程只能由疇的轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)，而轉(zhuǎn)動需克服較大能量，所以矯頑力增加。但尺寸太小，則由于熱擾動的作用大于交換作用，自發(fā)磁化被破壞，矯頑力降至零?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

1、磁記錄介質(zhì)磁性能（1）高矯頑力。單疇時矯頑力是由磁粉的磁晶各向異性和形狀各向異性所決定，這二個因素與磁粉的晶體結(jié)構(gòu)與形狀有關(guān)。另外，磁粉顆粒小也可以減少噪聲。§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

1、磁記錄介質(zhì)磁性能（2）磁滯回線矩形比高，即Br/Bs、Hc/Br要高。磁滯回線陡直近于矩形，以減少自退磁效應(yīng)，使介質(zhì)中保留較高的剩磁，提高記錄信息的密度和分辨力，從而提高信號的記錄效率。（3）飽和磁化強(qiáng)度Bs

要適當(dāng)高，使輸出信號高，提高單位體積的磁能積，提高各向異性導(dǎo)致的矯頑力。（4）溫度穩(wěn)定性好，老化效應(yīng)小，以保證在寬溫長期條件下穩(wěn)定存儲。（5）垂直記錄的介質(zhì)，垂直磁各向異性系數(shù)要高?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

2、涂布型和連續(xù)膜型介質(zhì)磁性能比較為提高記錄密度，要減薄磁層，但還要獲得足夠高的輸出電壓，則必須使用連續(xù)膜介質(zhì)?！?.1磁記錄材料

連續(xù)膜介質(zhì)不用添加粘結(jié)劑等非磁性物質(zhì)，磁性有很大改善。目前，在穩(wěn)定性方面還有些問題，仍是今后磁記錄介質(zhì)的一個重要發(fā)展方向。第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

2、涂布型和連續(xù)膜型介質(zhì)磁性能比較薄膜的本征磁性能，如飽和磁化強(qiáng)度是由成份、偏析、溫度決定的?！?.1磁記錄材料

薄膜的非本征磁性能如剩磁、磁滯回線的矩形度等則與薄膜的厚度、密度、微觀組織、缺陷雜質(zhì)濃度及微觀應(yīng)力分布等因素有關(guān)?？梢?，制備工藝很關(guān)鍵。第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

3、常用磁記錄介質(zhì)的種類與特點

（1）γ-Fe203γ-Fe203

是一種具有尖晶石立方晶體結(jié)構(gòu)的氧化物介質(zhì)材料。磁鐵礦在溫度約200℃和有水蒸氣存在時氧化而制成。γ-Fe203

粉末的基本磁性質(zhì)Bs＝0.14T，Hc＝24～32kA/m，居里溫度Tc＝385℃，并具有好的溫度穩(wěn)定性。主要用于錄音帶、錄像帶和磁盤。

§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

3、常用磁記錄介質(zhì)的種類與特點（2）鋇和鍶鐵氧體

鋇和鍶鐵氧體有較高的矯頑力和磁能積，抗氧化能力強(qiáng)，成為廣泛應(yīng)用的永磁材料。鋇鐵氧體磁粉是六角形平板結(jié)構(gòu)，易磁化軸垂直于

C平面，適合作垂直磁記錄介質(zhì)。鋇鐵氧體的各向異性常數(shù)為3.3×10-1J/cm，由各向異性引起的矯頑力為2kA/m。§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

3、常用磁記錄介質(zhì)的種類與特點（3）CrO2

CrO2是一種強(qiáng)磁性氧化物，屬亞穩(wěn)鐵磁材料。CrO2的結(jié)構(gòu)為四方晶系，具有單軸各向異性，各向異性常數(shù)為3.0×10-2J/cm。CrO2

的Hc

值為31.8kA/m，若加入（Te+Sn）、（Te+Sb）等復(fù)合物，Hc

可達(dá)59.7kA/m。CrO2主要用于高級錄音帶及錄像帶。

§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

3、常用磁記錄介質(zhì)的種類與特點（4）金屬磁粉

金屬磁粉包括Fe-Co-Ni和Co-Ni-P合金粉、Fe粉、

Fe-Co合金粉。

特點：

Bs

和Hc

都較高，有高的靈敏度和分辨率。Bs

值高，材料在薄層內(nèi)可得到較大的讀出信號。Hc值高，記錄介質(zhì)能承受較大的退磁作用，達(dá)到高密度記錄?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

3、常用磁記錄介質(zhì)的種類與特點（4）金屬磁粉

金屬磁粉和氧化物磁粉的磁滯回線比較可知，金屬磁粉的矯頑力和磁感應(yīng)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于氧化物的矯頑力和磁感應(yīng)強(qiáng)度?！?.1磁記錄材料

生產(chǎn)金屬磁粉的主要問題是如何得到單疇金屬顆粒。若磁粉以單疇狀態(tài)存在，Hc

值最大；若小于單疇尺寸，出現(xiàn)超順磁性，大于單疇尺寸，則出現(xiàn)磁疇壁，這些都會使材料的本征矯頑力下降。第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

3、常用磁記錄介質(zhì)的種類與特點（5）金屬薄膜

金屬薄膜材料是利用制膜工藝在基帶上形成一種很薄的金屬膜。常用的制膜工藝化學(xué)鍍、電鍍、離子噴鍍、濺射、真空蒸鍍等。金屬薄膜材料包括

Fe-Co-Ni和Co-Ni-P等合金材料。特點：磁性能好、分辨率高。§7.1磁記錄材料

金屬薄膜材料生成的合金顆粒在幾百埃的數(shù)量級上（10nm），厚度僅有十分之幾甚至百分之幾微米，特別適用于高密度記錄.目前，鈷鉻膜的垂直各向異性系數(shù)最高。

第七章磁信息材料

二、磁記錄介質(zhì)材料

3、常用磁記錄介質(zhì)的種類與特點（6）鈷

用鈷作磁記錄介質(zhì)材料也極有前途。

例如：羰基鈷在適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)聚合物共存時，熱分解制成了100～500?（l?=0.lnm）鈷立方體。

用這種鈷立方體做成的磁帶比γ-Fe2O3型磁帶有較高的輸出和較低的噪聲?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

在激光、光電子學(xué)和正在發(fā)展的光子學(xué)中廣泛應(yīng)用各種磁光效應(yīng)器件。這些器件中廣泛使用具有磁光效應(yīng)的磁性材料－－磁光材料。磁光記錄介質(zhì)是利用磁光效應(yīng)原理來工作的磁記錄材料。1973年美國IBM公司Chandhari等人報導(dǎo)了非晶態(tài)釓鈷膜具有磁光記錄功能后，發(fā)展迅速，1988年第一張磁光盤實際應(yīng)用，1990年開始出現(xiàn)了5.25吋（1吋=2.54cm）的磁光盤驅(qū)動器產(chǎn)品?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

1、磁光記錄磁光記錄是光盤記錄的常用方式之一。光盤記錄在當(dāng)代信息社會中扮演著越來越重要的角色。目前，各種各樣的光存儲技術(shù)已得到廣泛的實際應(yīng)用，像CD、CD-ROM、CD－RW、DVD、MO、MD等。光盤可分為3大類，即再生專用型或只讀型光盤、一次寫入型光盤和可擦除重寫型光盤?？刹脸貙懶凸獗P材料常用的有四種不同物理原理的材料，即態(tài)變型材料、相變型材料、磁光型材料和光致色變型材料?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

1、磁光記錄磁光盤，(megneto-optical)像磁帶、磁盤一樣，屬于磁媒體。利用磁克爾效應(yīng)，通過磁寫入光讀出記錄、改寫、刪除信息。優(yōu)點：記錄合并了光記錄與磁記錄的全部優(yōu)點。記錄密度高（107～1010b/cm2，1張光盤可存儲數(shù)百G的信息）、非接觸讀寫可靠性高、可用于多道記錄及全息照相存儲等。缺點：驅(qū)動系統(tǒng)的復(fù)雜，要同時處理磁場與光波。§7.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

1、磁光記錄（1）信息寫入基本原理磁光效應(yīng)是基于光與介質(zhì)之間的磁化相互作用，而使光學(xué)參數(shù)發(fā)生變化的現(xiàn)象?！?.1磁記錄材料

記錄介質(zhì)采用矯頑力大的垂直磁化膜，磁化方向垂直于膜面。記錄時，用聚焦激光局部照射記錄的部位，加熱到居里點附近，Ms和Hc大幅度降低，接近于0；同時，在該處施加使磁化發(fā)生反向的一個小磁場，該部位就很容易發(fā)生磁化反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)單位記錄。第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

1、磁光記錄（2）信息讀出基本原理記錄的信息通過激光利用磁克爾效應(yīng)或法拉第效應(yīng)讀出。偏振光反射時發(fā)生的偏振面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為磁克爾效應(yīng)?！?.1磁記錄材料

透射時發(fā)生的偏振面旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。

讀出時激光加熱功率要比寫入時功率低，不能使記錄介質(zhì)過熱達(dá)到居里溫度附近。第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

1、磁光記錄（2）信息讀出基本原理在光盤中，磁化反轉(zhuǎn)部分與周圍基體的磁化方向是相反的。記錄部分反射光偏振面旋轉(zhuǎn)角與基體部分反射光偏振面旋轉(zhuǎn)角之§7.1磁記錄材料

差等于磁克爾旋轉(zhuǎn)角的2倍。調(diào)整檢偏片角度，與基體的磁克爾旋轉(zhuǎn)方向相垂直，基體反射光被截止，僅能通過有記錄位位置反射的光，光量差由光點二極管光電變換變?yōu)殡娦盘栕x出。第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

2、磁光記錄介質(zhì)的要求磁光記錄材料應(yīng)具有的特性最重要的一點就是記錄介質(zhì)層垂直磁化于膜面，并能穩(wěn)定地保持小磁疇結(jié)構(gòu)。另外還需，再生靈敏度高、信噪比高、噪聲低等。（1）有垂直磁各向異性。（2）磁克爾效應(yīng)盡量大，反射率高。（3）矯頑力高，居里溫度盡量低。（4）化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定地保持小磁疇結(jié)構(gòu)。（5）工藝簡便，便于大面積成膜，價格便宜?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

3、磁光記錄介質(zhì)種類與特點（1）第一代磁光記錄介質(zhì)

非晶態(tài)稀土－過渡金屬合金膜，鋱鐵鈷（TbFeCo）和釓鋱鐵（GdTbFe）非晶合金膜性能最佳。這類材料晶體結(jié)構(gòu)是長程無序，磁結(jié)構(gòu)是亞鐵磁性，有利于調(diào)節(jié)成分來獲得最佳室溫凈飽和磁化強(qiáng)度和居里溫度，來得到最佳寫入?yún)?shù)。缺點：克爾角較小，長期穩(wěn)定性差?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

三、磁光記錄介質(zhì)材料

3、磁光記錄介質(zhì)種類與特點（2）第二代磁光記錄介質(zhì)

第二代磁光記錄介質(zhì)處于研究階段，主要有柘榴石膜、鉑（鈀）多層膜和摻雜的錳鉍合金膜。鉑-鈷多層膜，當(dāng)鈷層厚度為1～2個原子層，鉑層厚度為1～2nm時，垂直各向異性很強(qiáng)，克爾角比非晶稀土－金屬膜稍高，但反射率高，磁光優(yōu)值（克爾角和反射率平方的乘積）比非晶膜好。特別在短波長時，克爾角比非晶膜明顯增大。同時，抗腐蝕性好?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

四、磁帶材料

磁帶是由一定強(qiáng)度的帶基均勻地涂上磁性或磁光性記錄介質(zhì)涂層（厚約3～12μm）所構(gòu)成。（1）涂層的組成：磁性材料、粘結(jié)劑和添加劑。（2）帶基：一般是高聚物，厚度約10～3Oμm，要求軟化點高，強(qiáng)度、耐磨、耐熱和耐濕性好。常用聚酯等薄膜。（3）添加劑：主要有分散劑，潤滑劑（如膠體石墨和二硫化銅），耐磨劑（如三氧化二鋁粉）和抗靜電劑等。（4）粘結(jié)劑：要求能使磁粉形成堅固而又柔軟的涂層，使涂層和基帶牢固的結(jié)合力，對磁粉分散性好，且穩(wěn)定和耐久性好。常用硝棉、聚氨酯和環(huán)氧粘結(jié)劑?！?.1磁記錄材料

第七章磁信息材料

磁泡材料就是在垂直薄膜平面的外磁場作用下，能產(chǎn)生圓柱形磁疇的薄膜材料。一、磁泡的形成（1）磁泡

某些磁性材料薄膜（片）的性能和尺寸滿足一定條件時，在適當(dāng)?shù)钠艌鲎饔孟?，其反磁化疇變?yōu)橹睆綖?～100μm的圓柱形磁疇，在偏振光顯微鏡下觀察，這些圓柱疇在薄膜表面好像浮著一群圓泡，故稱為磁泡?！?.2磁泡材料

第七章磁信息材料

一、磁泡的形成（2）磁泡的記錄功能利用外加一定的脈沖或旋轉(zhuǎn)磁場和磁路，可使磁泡產(chǎn)生、傳輸和消失。這種在特定位置上產(chǎn)生或消失狀態(tài)正好對應(yīng)“0”和“1”，并能快速位移，其速度可達(dá)10m/s以上?？衫么排葸M(jìn)行存儲、記錄和邏輯運算等?！?.2磁泡材料

第七章磁信息材料

一、磁泡的形成（3）磁泡的形成產(chǎn)生磁泡需要單軸各向異性材料并制成薄膜/片，使易磁化軸垂直于表面。當(dāng)各向異性場大于或等于飽和磁化強(qiáng)度Ms時，如未加偏場，薄膜中會有帶狀磁疇形成，正反磁疇面積相等。§7.2磁泡材料

第七章磁信息材料

一、磁泡的形成（3）磁泡的形成加偏場Hb后，磁化方向和磁場方向相同的磁疇變寬，磁化相反的磁疇變窄。

磁場再加強(qiáng)，那些變窄的反磁化疇就局部地縮成分立的圓柱形疇，即磁泡?！?.2磁泡材料

第七章磁信息材料

二、磁晶各向異性

一般來說，在固體中原子按照一定位置排列而形成結(jié)晶體。各個方向原子排列的情況不一樣，各方向上的物理性質(zhì)也就不同，這就是通常所說的各向異性。

對鐵磁和亞鐵磁材料單晶體而言，不同晶向磁化時，磁性隨晶向顯示出各向異性。

最容易磁化的晶向稱為易磁化方向（易軸）。

最難磁化的晶向稱為難磁化方向（難軸）?！?.2磁泡材料

第七章磁信息材料

二、磁晶各向異性

磁晶各向異性反映了磁疇沿不同晶向排列時自由能不同，常用磁晶各向異性能表示，對應(yīng)磁晶各向異性常數(shù)K。

不同材料的磁晶各向異性常數(shù)不同，主要依賴于材料的化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，與組織狀態(tài)也有關(guān)系。三、磁泡材料的特征值

1.（單軸）磁晶各向異性常數(shù)

K1

要形成飽和磁化強(qiáng)度

Ms

垂直于薄膜的穩(wěn)定疇結(jié)構(gòu)，必須使材料具有垂直于薄膜的單軸各向異性（用單軸磁晶各向異性常數(shù)

K1

表示），并且其等效各向異性場HA=2K1/（μ0Ms）要大于退磁場

Hd≈Ms?！?.2磁泡材料

第七章磁信息材料

三、磁泡材料的特征值

1.（單軸）磁晶各向異性常數(shù)

K1

形成穩(wěn)定磁疇結(jié)構(gòu)的條件是：§7.2磁泡材料

μ0－真空磁導(dǎo)率；Ms－飽和磁化強(qiáng)度2.合適的Ms值

選擇的材料

Ms值既要滿足上式，同時還要對工作條件有利。穩(wěn)定偏場值

Hb≈0.3(Ms)，如

Ms高，要求Hb及工作磁場高，這對工作不利。這方面要求Ms適當(dāng)?shù)托?，但如Ms過低，磁泡尺寸必然增大，這對存儲密度不利。第七章磁信息材料

三、磁泡材料的特征值

3.特征長度

Ld

磁泡材料特性可用特征長度

Ld

表征，Ld定義為：§7.2磁泡材料

σω－疇壁能量密度；Ms2－單位平面的退磁能。

Ld是材料單位平面的疇壁能與退磁能之比。Ld表示了基本厚度h，并決定了泡徑d。

薄膜最佳厚度h=4Ld，最佳工作泡徑d=8Ld。

泡徑小，可增大存儲密度。第七章磁信息材料

三、磁泡材料的特征值

4.磁泡的位移矯頑力Hc

在應(yīng)用中，要使磁泡位移，除外加偏場Hb

外，還要外加一定大小的調(diào)制梯度場△H，經(jīng)計算: △H＞8Hc/π（A/m）如

Hc

高，則要求驅(qū)動場高，這對應(yīng)用不利，故要求Hc

小?！?.2磁泡材料

5.材料的疇壁遷移率μω

磁泡位移速度υ與梯度磁場△H及材料的疇壁遷移率μω有關(guān)，即

υ=△Hμω/2與材料參數(shù)關(guān)系為:

μω=4γA/δσωγ－回磁比；A－交換積分常數(shù)；δ－進(jìn)動阻尼系數(shù)；σω－疇壁能密度。第七章磁信息材料

三、磁泡材料的特征值

6.品質(zhì)因素Q

阻止磁泡材料的磁化偏離薄膜的垂直方向(即穩(wěn)定性）是由材料的品質(zhì)因數(shù)Q決定：Q=2K1/μoMs2＞l當(dāng)Q值太低時，在較高的工作溫度下，磁疇不穩(wěn)定，會出現(xiàn)不希望的成核；而Q值太高時，所希望的新成核的產(chǎn)生又比較困難。

另外，作為理想的磁泡材料，還要求材料的缺陷密度很低，溫度穩(wěn)定性要高，才可能用于制造大容量、高可靠的泡疇存儲器?！?.2磁泡材料

第七章磁信息材料

四、磁泡材料的種類

完全滿足上述性能參數(shù)的材料不多，已有的磁泡材料主要有四種：鈣鈦石型正鐵氧體、磁鉛石型鐵氧體、柘榴石型鐵氧體以及非晶態(tài)材料。1.鈣鈦石型正鐵氧體

鈣鈦石型正鐵氧體的分子式為RFeO3（R為稀土元素），屬于正交晶系結(jié)構(gòu)，在磁性上成亞鐵磁性。

這類材料易于滿足低Ms、高Kl

的要求，并可用離子代換來控制。

雖遷移率較高（2.5～6.5cm/s·A·m-l），但泡徑太大，溫度穩(wěn)定性差。

§7.2磁泡材料

第七章磁信息材料

四、磁泡材料的種類

2.磁鉛石型鐵氧體

磁鉛石型鐵氧體中多數(shù)鐵氧體的易軸平行于六角晶軸，K1

值大，一般雖能滿足等效各項異性

HA≥Ms的條件，但因Ms高，泡徑太?。?.3μm左右），且

K1

太高，使疇壁矯頑力和驅(qū)動場都大，遷移率很低。為克服這些缺點，可用非磁性離子如

Al3＋、Ti4+

等代換Fe3+

來調(diào)節(jié)磁性。例如：（Sr、Ba、Pb）F12019

材料，用Al3+

部分取代Fe3+

后得到的PbAl4Fe8O19，BaAl4Fe8O19材料，其泡徑可與柘榴石鐵氧體的泡徑相近（≤10μm）?！?.2磁泡材料

第七章磁信息材料

四、磁泡材料的種類

3.柘榴石型鐵氧體

柘榴石型鐵氧體的分子式為

M3Fe5O12，屬立方晶系。

這類材料

K1

較小，泡徑在1～10μm范圍內(nèi)，遷移率較快，有利于快速運算，大容量存儲。

在

GGG基片上外延生長的單晶薄膜比較完整，可以做到在0.6cm2

面積內(nèi)其膜厚起伏僅為土2.5％，而且在1cm2

面積內(nèi)無缺陷，適合于應(yīng)用。

總之，柘榴石鐵氧體是一種應(yīng)用最廣泛的磁泡材料。

§7.2磁泡材料

第七章磁信息材料

四、磁泡材料的種類

4.非晶態(tài)磁泡材料

非晶態(tài)磁泡材料發(fā)現(xiàn)于1973年，泡徑約在0.08～5.00μm之間，適合制造高密度、高操作速度的磁泡存儲器。例如：非晶態(tài)

GdCo膜，其泡徑0.8μm，磁化強(qiáng)度0.4T，膜厚1.3～2.2μm，品質(zhì)因素大于1。五、磁泡材料的應(yīng)用

磁泡材料主要用于制造磁泡存儲器?！?.2磁泡材料

第七章磁信息材料

五、磁泡材料的應(yīng)用

磁泡存儲器具有存儲密度大（109

位～1013位每平方米），消耗功率小（比半導(dǎo)體存儲器低102～3）、信息非易失性等優(yōu)點，存儲速度（可達(dá)106位每秒以上）低于半導(dǎo)體存儲器而高于磁盤、磁鼓，是一種正在發(fā)展很有希望的存儲器。磁泡存儲器在信息、通訊、工業(yè)和空間技術(shù)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前途?！?.2磁泡材料

例如：磁泡存儲器用作機(jī)床控制可以經(jīng)受惡劣的環(huán)境；磁泡存儲器代替普通計算機(jī)軟盤，可以提高速度，減少機(jī)器體積。

磁泡存儲器代替電話系統(tǒng)中的磁鼓可以降低保養(yǎng)和維修費用；磁泡存儲器代替軍事和空間技術(shù)中的普通磁帶記錄器，使可靠性提高1～2倍。第七章磁信息材料

磁滯回線近乎矩形的磁性材料稱為矩磁材料。

矩形磁滯回線通常是指剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度（Br）接近于飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度（Bs），即

Br/Bs＞0.8的磁滯回線。利用兩個剩磁態(tài)+Br和-Br表示計算機(jī)中的“1”和“0”狀態(tài)，再利用兩個電流重合便可以“寫入”(Wx，Wy)和“讀出”(Rx，Ry)二進(jìn)位制的“1”和“0”?！?.3矩磁材料第七章磁信息材料

一、矩磁材料主要特征值（1）矩形比（Br/Bs）或稱剩磁比要高，有些情況下要求B-Hs/2值大，一般大于0.9。Hs為磁滯回線上與Bs

對應(yīng)的磁場強(qiáng)度值，一般Hs約等于1.6Hc，B-Hs/2為

H等于-Hs/2時的磁感應(yīng)強(qiáng)度值。（2）矯頑力（Hc）要小。（3）開關(guān)時間（t）或開關(guān)系數(shù)（Sw）要小。所謂開關(guān)時間即是反轉(zhuǎn)磁化所需的時間，開關(guān)系數(shù)的表達(dá)式為：

Sw=（Hs-Ho）×tHo--臨界磁場；Hs－磁滯回線上與Bs

對應(yīng)的磁場強(qiáng)度值?！?.3矩磁材料第七章磁信息材料

一、矩磁材料主要特征值（4）在脈沖磁場

Hs的作用下，磁芯的讀“1”電壓（V’1）要大，而破“0”電壓（V’0）要小，它們的比值（V’1/V’0）越大越好。

（5）要求低損耗。（6）對溫度、振動和時效等的穩(wěn)定性要高。

2、矩磁材料主要種類和應(yīng)用用于電子計算機(jī)主存儲器元件矩形材料有合金、鐵氧體、金屬和合金薄膜、鐵氧體薄膜等幾種材料。應(yīng)用最廣的是矩磁鐵氧體材料?！?.3矩磁材料第七章磁信息材料

2、矩磁材料主要種類和應(yīng)用

矩磁鐵氧體材料有幾十種系列，其中有些因開關(guān)系數(shù)（Sw）較大，難于在實際應(yīng)用，用量最大的是尖晶石型鐵氧體矩磁材料。

目前，常用的磁芯以

MgMn和

LiMn兩個系列為主，LiMn鐵氧體性能最好。

矩磁材料主要用于制造磁放大器、磁調(diào)制器、中小功率脈沖變壓器、方波變壓器和磁心存儲器等。

磁芯是用作計算機(jī)主存器的存儲元件，主存器是用來存儲主程序以及常用的計算數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)。

矩磁材料和磁芯存儲元件的持續(xù)研究和發(fā)展，磁性的性能有較大幅度提高?！?.3矩磁材料第七章磁信息材料

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，磁信息材料也取得了不少新進(jìn)展，以下簡介20世紀(jì)90年代以來的一些進(jìn)展。

磁信息材料的進(jìn)展和磁性材料的進(jìn)展是緊密聯(lián)系的，只是各有側(cè)重。1.高記錄密度磁膜材料

磁記錄技術(shù)的發(fā)展要求有高記錄密度的材料，近來報導(dǎo)了CoCrPrTa和CoCrTa磁膜材料，其磁記錄密度分別為0.8Gb/cm2和0.128Gb/cm2。

Co-Cr系合金（如Co-Cr、Co-Cr-Nb、Co-Cr-Ta）復(fù)合垂直磁記錄介質(zhì)和單磁極型磁頭相配合，可使磁記錄密度＞118KFRPC（千磁通反轉(zhuǎn)每厘米）?！?.4磁信息材料的進(jìn)展第七章磁信息材料

1.高記錄密度磁膜材料

利用有高矯頑力的鐵氧體或稀土合金膜和有高飽和磁化強(qiáng)度的磁性金屬膜組成雙層膜也可以得到兼有高矯頑力和高飽和磁化強(qiáng)度的高磁記錄密度磁膜材料。

如鈷鐵氧體/鐵的飽和磁化強(qiáng)度達(dá)1000kA/m，SmCo/Cr的矯頑力達(dá)155kA/m。2.高頻和自旋閥磁頭材料

高頻和自旋閥磁頭材料是磁紀(jì)錄技術(shù)發(fā)展急需的材料。一般磁頭材料在高頻下性能要變壞，近來報導(dǎo)了兩種高頻磁頭材料?！?.4磁信息材料的進(jìn)展第七章磁信息材料

2.高頻和自旋閥磁頭材料

一種是用電鍍法制成的

NiFe（80/20）磁頭，其寫入氣隙寬度和窄磁極厚度分別為0.25mm和3mm。

另一種是用濺射法制成的多層

FeN膜磁頭，F(xiàn)eN膜厚29.7nm，膜間