4 第四章 信息存储材料

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磁记录/重放过程示意图 磁记录 重放过程示意图
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细看硬盘内部结构
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硬盘磁头及附属组件
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磁头组件。 磁头组件。这个组件是硬盘中最精密的部位之 读写磁头、 它由读写磁头 传动手臂、传动轴三部份 一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份 组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环， 组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环， 实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合， 实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它 采用了非接触式头、盘结构， 采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋 转的磁盘表面移动， 转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有 0.1～0.3µm，这样可以获得很好的数据传输率。 ～ ，这样可以获得很好的数据传输率。 现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于 现在转速为 的硬盘飞高一般都低于 0.3µm，以利于读取较大的高信噪比信号，提 ，以利于读取较大的高信噪比信号， 供数据传输率的可靠性。 供数据传输率的可靠性。
γ-Fe2O3 Fe3O4 γ-CoxFe2-xO3 CoxFe3-xO4 BaFe12O19 Fe Fe-Co Fe Co-Ni-P
250-365 350-450 400-600 600-980 200-2000 645-740 900-1000 >800 300-1300
0.7-0.8 0.7 0.7 0.65-0.1 <0.94 0.57-0.9 0.9 0.95 0.75-0.9
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B 磁带、磁盘存储材料 磁带、
磁 带
优点：价格便宜、数据载体可以更换、 优点：价格便宜、数据载体可以更换、存储容量可以随意 扩充 缺点： 缺点：只能按顺序存取 结构：主要由磁性材料、带基、黏结剂和添加剂组成。 结构：主要由磁性材料、带基、黏结剂和添加剂组成。 材料：磁性材料有磁性粉末材料和磁性薄膜材料两种 材料：磁性材料有磁性粉末材料和磁性薄膜材料两种 磁性粉末材料 聚氯乙稀和 带基选用聚氯乙稀 聚酯薄膜等材料 带基选用聚氯乙稀和聚酯薄膜等材料
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磁 盘
硬磁盘技术的进展 时间 储存容量(GB) 储存容量 储存密度(Gb/in2) 储存密度 数据率(Mb/s) 数据率 存取时间(ms) 存取时间 1992 0.6 0.1 16 30 1995 0.9 0.8 100 20 1998 5-10 4 150 10 2000 10 6 350 6 2003 >50 20 500 5
第四章 信息存储材料
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信息存储材料是指用于各种存储器的一些能够用来记录
和存储信息的材料。 和存储信息的材料。 这类材料在一定强度的外场（如光、 这类材料在一定强度的外场（如光、电、磁或热等）作用 磁或热等） 下会发生从某种状态到另一个状态的突变， 下会发生从某种状态到另一个状态的突变，并能使变化后 的状态保持比较长的时间， 的状态保持比较长的时间，而且材料的某些物理性质在状 态变化前后有很大差别。通过测量存储材料状态变化前后 态变化前后有很大差别。 的这些物理性质， 的这些物理性质，数字存储系统就能区别材料的这两种不 同状态并用“ 和 来表示他们， 同状态并用“0”和“1”来表示他们，从而实现存储。 来表示他们 从而实现存储。
磁介质材料： 磁介质材料： 磁性氧化物（氧化铁）涂在塑料和金属薄片上（ ）， 磁性氧化物（氧化铁）涂在塑料和金属薄片上（70’）， 超细磁性氧化物粉末及磁性氧化物薄膜（ ）， 超细磁性氧化物粉末及磁性氧化物薄膜（80’）， 连续磁性介质CoCrPt, CoCrTa薄膜（90’）， 薄膜（ ）， 连续磁性介质 薄膜 CoSm, Fe/Pt, Fe/Cr, Co/Cu多层膜。 多层膜。 多层膜
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磁存储材料 半导体存储器材料 光存储材料
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一、磁存储材料
1.1 磁存储原理
磁存储密度D与磁存储材 磁存储密度 与磁存储材 料的关系： 料的关系：
( H c / M r )m D= h
其中，h为磁性薄膜的厚度， Hc为矫顽力，Mr为剩余磁化 强度，m为与磁滞回线的磁 形度有关的因子。
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A 磁头材料
磁头基本功能是与磁存储介质构成磁性回路， 磁头基本功能是与磁存储介质构成磁性回路，对信 息进行加工，包括记录、重放、消磁等功能。 息进行加工，包括记录、重放、消磁等功能。按工 作原理可分为磁阻式磁头 磁感应式磁头。 磁阻式磁头和 作原理可分为磁阻式磁头和磁感应式磁头。 （1） 磁阻式磁头 ）
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各种磁记录介质的主要性能
材料 种类 氧化物 磁粉 性能 饱和磁矩 emu/g 74 84 44-50 65-80 58 104-159 107-200 218-120 居里温度 ℃ 590 575 520-570 700-900 磁晶各向 异性常数 erg/cm3 4.64×104 × 1.1×109 × 1×106 × 3-6×105 × 3.3×104 × 4.8×105 × 4.8×105 × 4.8×105 × 矫顽力Oe 矫顽力 矩形比
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1.2 磁存储材料
铁磁性物质分为： 铁磁性物质分为： 软磁性材料 矫顽力低、磁导率高、磁滞损耗低、易磁化、 矫顽力低、磁导率高、磁滞损耗低、易磁化、易退磁 用于磁头磁芯材料，包括软铁磁性合金材料和软铁磁 用于磁头磁芯材料， 磁头磁芯材料 性铁氧体材料。 性铁氧体材料。 硬磁性材料 矫顽力高、磁导率低、 矫顽力高、磁导率低、磁滞特性显著 用于磁记录介质材料，包括磁带、硬磁盘、软磁盘、 用于磁记录介质材料，包括磁带、硬磁盘、软磁盘、 磁记录介质材料 磁带 磁卡片等，可以为磁粉（颗粒） 磁卡片等，可以为磁粉（颗粒）涂布型介质或者连续薄膜 型介质。 型介质。
磁性材料的电阻随着磁化状态而改变的现象称为磁阻 磁性材料的电阻随着磁化状态而改变的现象称为磁阻 效应。用于磁电阻读出的磁性材料， 效应。用于磁电阻读出的磁性材料，应具有最小的磁致伸 缩系数。 缩系数。 优点：灵敏度高、分辨率高、输出与磁带速度无关。 优点：灵敏度高、分辨率高、输出与磁带速度无关。 缺点：需要足够大的电流或偏置磁场才能驱动， 缺点：需要足够大的电流或偏置磁场才能驱动，且没有记 录功能
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D 巨磁电阻存储材料
巨磁电阻效应（ 巨磁电阻效应（Giant magnetoresistance，GMR） ， ） 指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时 存在巨大变化的现象。巨磁电阻是一种量子力学效应， 存在巨大变化的现象。巨磁电阻是一种量子力学效应，它产 生于层状的磁性薄膜结构。 生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁 材料薄层交替叠合而成。 材料薄层交替叠合而成。 通常情况下，金属导电与电子的自旋方向无关。 通常情况下，金属导电与电子的自旋方向无关。而在磁性多 有关。 层膜中，导电电子传导时遇到的阻碍与电子自旋的方向有关 层膜中，导电电子传导时遇到的阻碍与电子自旋的方向有关。 自旋磁矩与磁化方向相同的导电电子常比自旋相反的电子更 容易传导，因而有更低的电阻，这种与自旋相关的导电性质， 容易传导，因而有更低的电阻，这种与自旋相关的导电性质， 导致了磁性多层膜的巨磁电阻效应。 导致了磁性多层膜的巨磁电阻效应。 利用这种效应， 利用这种效应，可制成计算机高密度磁头提高磁盘面记录密 度。
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（2） 磁感应式磁头 ）
磁性合金 最早应用磁头用磁性合金叠成。 最早应用磁头用磁性合金叠成。最重要三种合金是钼 坡莫（钼铁镍）合金、铝铁合金、铝硅铁合金。 坡莫（钼铁镍）合金、铝铁合金、铝硅铁合金。 非晶态合金 铁基非晶态合金， 铁基非晶态合金，适于作视频磁头材料 钴基非晶态合金，磁导率高、 钴基非晶态合金，磁导率高、居里温度高 铁氧体 镍锌铁氧体，成分(NiO)x(ZnO)1-x(Fe2O3) 镍锌铁氧体，成分 锰锌铁氧体，成分(MgO)x(ZnO)1-x(Fe2O3) 锰锌铁氧体，成分 薄膜磁头材料 由镍铁合金制成， 由镍铁合金制成，含80％Ni＋20％铁。可以采用真空 ％ ＋ ％ 蒸发、溅射和电解工艺来制作。 蒸发、溅射和电解工艺来制作。
金属 磁粉 金属 薄膜
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C 磁泡存储材料
垂直于晶体的易磁化轴切出薄片， 垂直于晶体的易磁化轴切出薄片，当它的单轴磁各向异 性强度大于表面磁化引起的退磁场强度的自发极化时， 性强度大于表面磁化引起的退磁场强度的自发极化时， 在退磁状态下出现弯曲的条状磁畴。 在退磁状态下出现弯曲的条状磁畴。这时磁畴的磁化方 向只能取向上或向下方向。 向只能取向上或向下方向。
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磁化曲线和磁滞回线
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磁存储的模式主要分为两种： 磁存储的模式主要分为两种： 水平（纵向）存储模式、 水平（纵向）存储模式、垂直存储模式
水平存储示意图
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1.2 磁存储系统
磁存储系统组成： 磁存储系统组成： 磁头（换能器）、记录介质（存储介质）、匹配的电路和 磁头（换能器）、记录介质（存储介质）、匹配的电路和 ）、记录介质 ）、 伺服机械（传送介质装置）。 伺服机械（传送介质装置）。 磁头是磁存储的核心部件之一，按其功能可分为记录磁头、 磁头是磁存储的核心部件之一，按其功能可分为记录磁头、重放 磁头和消磁磁头三种。 磁头和消磁磁头三种。 记录磁头： 记录磁头：将输入的记录信号电流转变为磁头缝隙处的记录磁化 并感应磁存储介质产生相应变化。 场，并感应磁存储介质产生相应变化。 重放磁头：当磁头经过磁介质时， 重放磁头：当磁头经过磁介质时，磁存储介质的磁化区域会在磁 头导线上产生相应的电流， 头导线上产生相应的电流，即把已记录信号的存储介质磁层表露 磁场转化为线圈两端的电压，经电路放大和处理，获得信号。 磁场转化为线圈两端的电压，经电路放大和处理，获得信号。 消磁磁头：将信息从磁存储介质上抹去， 消磁磁头：将信息从磁存储介质上抹去，使磁层从磁化状态返回 到退磁状态。 到退磁状态。