第6章磁记录材料
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
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三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
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磁记录材料
磁记录材料
磁记录材料
磁记录材料
*20世纪80年代出现的其它存储设备：光盘、固态存储器 （如U盘等） *光记录的特点：非接触式记录，存储密度高、容量大，性 价比高 缺点：信息的读写需要精密跟踪伺服的光学头，光盘驱动 器价格较贵，数据传输速度慢
*固态存储器的特点：没有运动部件，可靠性高，可以高速 随机存储，不需电池供电，数据为不挥发性 缺点：存储量较小，价格高
*常用材料：Fe-M(V，Nb，Ta，Hf等)-X(N，C，B)
6.2 磁头及磁头材料
五、多层膜磁头材料 *特点：与微晶薄膜相比，多层薄膜进一步抑制了晶粒 的生长，实现了低磁致伸缩 BS高，HC低 缺点：耐热性差
6.2 磁头及磁头材料
2 磁头材料 一、合金磁头材料 *常用材料：含钼坡莫合金、仙台斯特合金 *合金磁头材料的优点：高磁导率、高饱和磁化强度、 矫顽力低等。 缺点：涡流损耗大
二、铁氧体磁头材料 *常用材料：Ni-Zn、Mn-Zn *优点：损耗低，材质硬，抗腐蚀性比金属好。 *缺点：饱和磁化强度低 在提高记录密度上存在困难
*调频：以调制信号去控制载波的频率，使载波的频率按调 制信号的规律变化。特点：其频率随调制信号振幅的变化而 变化，而它的幅度却始终保持不变。
6.1 磁记录材料概述
6.1 磁记录材料概述
3 数字式磁记录
*根据磁化强度与记录介质的取向，数字式磁记录可分为水 平磁化模式和垂直磁化模式两类。
6.1 磁记录材料概述
磁记录材料
磁记录材料
定义：被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留 较强磁性的一类材料。 *基本要求： （1）Br要高；（2）Hc要高；（3）(BH)max要高； （4）材料稳定性要高。 *种类：
（1）金属永磁材料：Al-Ni-Co系和Fe-Cr-Co系永磁合金； （2）铁氧体永磁材料：以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁 材料；特点：电阻率高，适合高频和微波领域应用； （3）稀土永磁材料：以稀土族元素和铁族元素为主要成分的合 金间化合物，包括SmCo5系、Sm2Co17系以及Nd-Fe-B系。 特点：磁能积高，应用领域广泛。
复合材料第六章功能复合材料
一类复合效应为线性效应； 另一类则为非线性效应。 在这两类复合效应中，又可以显示出不 同的特征。
7
下表列出了不同复合效应的类别。
不同复合效应的类别
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
30
2、功能复合材料的设计
复合材料的最大特点在于它的可设计性。
因此，在给定的性能要求、使用环境及 经济条件限制的前提下，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
31
例如，利用线性效应的混合法则，通过 合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数 为零或接近于零的构件。
又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光 性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光 的复合材料。
EcEmVmEfVf
10
平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各 组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
11
对于增强体（如纤维）与基体界 面结合很弱的复合材料，所显示的复 合效应，可以看作是平行效应。
12
相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性 能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
55
音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
磁记录再生的原理示意图
56
由麦克风及摄像机将声音及光变成电 信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在 磁记录介质上。
读出时，与记录过程相反，使声音和 图像再生。
57
理想的磁记录介质要尽可能地高密度， 能长期保存记录，再生时尽可能高输出。
磁记录
读 /写 磁 头
盘片
磁 盘 控 制 器
CPU
2
读写缝隙 磁盘面 磁通 磁铁芯
读写电流
磁盘读/写原理示意图
3
1.写入数据原理：
——将二进制信息经过写入电路转换成一个个脉冲， 并产生电流输入到线圈中，在磁头铁芯中产生磁通，磁通 通过缝隙形成闭合的磁场。当磁介质紧贴磁头表面作匀速 运动时，磁头缝隙处的磁介质被局部磁化。
利用磁化方向的“翻转”与否来记录数据。即当电流 方向改变时，磁通方向也会改变，从而使介质局部记录了 与原来磁场方向相反的磁化状态。 如果需要记录“1”，则改变电流方向，进而引起磁 化方向的翻转；如果需要记录“0”，则不需要改变电流方 向，无需翻转。 4
2.读出数据原理：
——读出是写入的逆过程，可以使原磁化信息还原成
11
数据位元
0
1
0
1
1
0
0
0
FM 1 MFM 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0
FM和MFM的编码格式
12
＆行程长度受限码RLLC
(Run Length Limited Code)：
——两个相 d受限可避免连续翻转时脉冲幅值 衰减，k受限便于从读出序列中提取自同步时钟。用于 高密度磁盘存储器。
2.磁记录的三种模式： ＆ 单密度磁盘存储器
＆ 双密度磁盘存储器 ＆ 高密度磁盘存储器
6
5.1.3 磁记录的编码格式
——编码：为了提高磁盘的位密度和读写速度，将计算 机的原始数据序列变换成另一种指定的数据序列。 采用通信编码技术，功能框图参见教材P87图5-4。
数据 时钟 数据 时钟 编 码 写入 电路 介质 解 码 位元 读出 电路 脉冲序列
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
《磁记录材料》课件
磁记录材料是一种广泛应用于信息存储和传输领域的材料。本课件将介绍磁 记录材料的基本概念、物理原理、性能参数、制备方法以及发展趋势。
概述
什么是磁记录材料？
磁记录材料是一种具有磁 性能的材料，用于存储和 读取数字或模拟信息。
磁记录材料的分类
磁记录材料可分为硬磁材 料和软磁材料，具有不同 的磁性能和应用特点。
磁记录材料的性能参数
矫顽 磁郁力 珀克尔效应 磁滞回线
磁记录材料须具备较高的矫顽力，以保证信 息存储的稳定性。
磁记录材料的磁场强度，决定了信息的存取 速度和容量。
磁记录材料具备的热释电效应，可改善信息 存储的可靠性。
描述磁记录材料磁场随着磁化变化的曲线， 反映了磁性能的延迟特点。
磁记录材料的制备法
磁记录材料的应用领 域
磁记录材料广泛应用于硬 盘驱动器、磁带、磁卡等 信息存储设备中。
磁记录材料的物理原理
1
磁性材料特性
磁性材料具有自发磁化和磁导率等特性，可以通过外加磁场实现信息存储。
2
磁矩和磁场
磁矩是描述磁材料磁性力量和方向的物理量，磁场是由磁材料产生的磁性力场。
3
磁性材料的磁化过程
磁性材料在外加磁场的作用下，磁矩会发生定向排列，实现磁化过程。
研发具有较高磁性能和稳定性 的新型磁记录材料，以满足不 断增长的信息存储需求。
垂直磁记录技术
采用垂直磁化方向，实现更高 的磁记录密度和稳定性。
结论
磁记录材料的发展前景
随着信息存储需求的增加，磁记录材料将继 续得到广泛应用和发展。
该领域的未来研究方向
未来的研究重点将放在磁记录材料的磁性能 提升、存储密度增加和能量效率提高等方面。
磁记录原理
磁记录介质硬磁材料和软磁材料：磁场强度H，使磁性材料产生一定的磁化强度M。
外加磁场强度变回0时，对应的磁化强度值Mr称为剩余磁化，磁化强度为0时，对应的磁场强度Hc称为矫顽力。
硬磁材料：矫顽力大的磁性材料。
也就是，即使去掉磁场，仍有很大剩磁的材料。
如磁铁，磁记录材料（磁盘）。
软磁材料：矫顽力很小的磁性材料。
去掉磁场几乎没有多少剩磁。
如磁头，变压器铁芯。
磁盘：磁盘高速旋转，磁头可作径向移动，磁头停在某一个位置，就可对磁盘的某一磁道进行读写。
磁盘有软磁片和硬磁片之分，有单磁片和多磁片之分，每个磁片有单面和双面之分。
磁记录信息的记录与再现：记录：记录电流足够大，产生的磁场强度能克服磁介质的矫顽力，就能在其表面产生一个磁化区域，它的方向由N极（+极）指向S极（-极）。
再现：要想把磁化状态转化为电信号，根据法拉第电磁感应定律，感应的电动势：e = - (dφ/dt)。
磁头的线圈为N匝时，可认为磁通量φ通过线圈N次，这时的电动势为：挲在磁记录中，读取的不是介质上的磁化结果，而是读取磁化的变化。
可以说记录过程是安培定律的实际应用，再生过程是法拉第定律的实际应用。
01信号的记录与再现实例：数字（0，1）磁记录的记录方式和编码方式1．记录密度：磁道上单位长度（通常指1英寸）上能记录的二进制数据位的数量。
位密度越高，磁盘存储容量越高，存取速度越快，位价格降低。
2．自同步能力：由于磁盘机械装置的离散性，特别是磁盘转速的误差，使读出信号峰值位置产生漂移，在无自同步提取数据位时极易发生误码。
对于串行存储的数据位，只要丢掉一位就会造成整个存储失败。
存储数据的磁盘要求有尽可能高的存储密度和一定的自同步能力。
就要采用相应的记录方式和编码方式。
记录方式：一．归零制（RZ）：用正脉冲电流波表示“1”，用负脉冲电流波表示“0”，每次磁化后总要回复到非磁状态。
其特点是：1．位密度低：每一个数据位都要翻转两次，有非磁化区。
2．具有自同步能力：记录每位数据时都要翻转，所以在读出时每一位信息本身都包含了可作为时钟的同步脉冲。
磁记录与磁记录相关的材料
磁头臂组合
硬盘的结构
磁头臂
读写头
主轴
拼盘
磁道
硬盘中的磁性材料: 1)磁记录介质 (盘片) 2) 写头 (高磁极化率的软磁材料） 3) 读头 (包括GMR器件以及辅助器件)
磁记录介质材料的要求
对于磁记录介质的主要要求是：高的矫顽力Hc，以提高存 储信息的密度和抗干扰性；适当高的饱和磁化强度4πMs, 以提高输出信息强度;高的剩磁比Mr/Ms(Mr为剩余磁化强度
FePt薄膜的磁特性
无序态为软铁磁，易轴在平面内。 有序态的FePt 薄膜为硬磁材料，且具有非
常大的磁晶各向异性，易轴沿[001]方向。 如果能够制备(001)取向的FePt薄膜则可以得
到非常大的垂直各向异性，可用于垂直磁 记录。 (001) 取向的获得 (001)织构、外延薄膜
(001)FePt薄膜的制备
FePt需要在有（001）取向
基片选取：MgO FeRh为BCC结构，其晶格常数与FePt的a相近，因此，FeRh也可 以在MgO基片上外延生长，而FePt容易在FeRh上外延生长。
选取适当的种子层以减小晶格失配
种子层的选取可以参照FePt单层膜的制备中。
位元规则介质
特点： •通过光刻将连续膜变成分离 的点阵。 •一个点一个比特。 •材料本身与普通的材料无异 。然每个点需由大磁性颗粒 组成，最好是单晶。
磁记录材料的热稳定性
磁记录材料的热稳定性有每个磁性颗粒决定
比特的基本组成单位是磁性颗粒
每个磁性颗粒的热稳定性与本身的性能和其尺寸 有关 超顺磁极限
热稳定性制约着存储密度的提高
平行磁记录
每个磁矩平行于介质 表面。
磁记录材料
磁记录材料磁记录材料 (magnetic record materials)磁记录是-种利用磁性物质作记录、存储和再生信息的技术。
磁记录材料即利用铁磁性原理有记录、存储和输出声音、图像、数字等信息功能的磁性合金。
它包括磁记录介质和磁头材料两类。
磁记录材料的应用领域十分广泛，根据工作频率范围不同主要有磁录音、磁录像、磁录数(码)、磁复制、磁印刷和磁照相等方面。
磁记录基本原理在记录信息(声音、图像、数字)过程中，输入的信息先转变为相应的电信号，传送到记录磁头的线圈中，在记录磁头气隙中产生与输入电信号相应的变化磁场，气隙附近并以恒定速度移动的磁带上的磁记录介质受到该变化磁场的作用，从原来未存储信息的退磁状态转变到磁化状态，也就是将随时间变化的磁场转变为按空间变化的磁化强度分布，磁带通过磁头以后转变到相应的剩磁状态，剩磁状态便记录下与气隙磁场、磁头电流和输入电信号相应的信息。
在磁带重放过程中，与上述磁记录过程相反，即磁带剩磁影响磁头气隙磁场，再到磁头线圈中的电流，最后变成与原来记录相应的(声音、图像和数字)信息。
磁记录介质材料一种涂敷在磁带、磁卡、磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的永磁材料，它具有矫顽力(Hc)和饱和磁感应强度(Bs)大、热稳定性好等特点。
常用的介质有氧化物和金属材料两种。
金属磁记录介质材料有铁、钴、镍的合金粉末，用电镀化学和蒸发方法制成的钴-镍、钴-铬等磁性合金薄膜。
合金粉末具有高灵敏度和高分辨率等特点，但存在氧化问题。
合金薄膜可以做得很薄，分辨率高，但膜面强度、耐磨性及化学稳定性存在一些问题。
因此，磁粉和薄膜在应用上均受到-定限制。
虽然金属薄膜介质材料近年来已取得很大成果，但仍不能完全代替磁粉介质材料。
常用金属合金磁粉介质的主要性能与用途为：薄膜介质材料的性能如表1所示。
表1金属连续薄膜介质材料的性能磁头材料用做磁头材料的合金应具有以下特点：(1)饱和磁感应强度(Bs)高，以提高磁头气隙磁场，增强磁记录介质的磁化强度，避免磁头极尖的饱和现象。
2022年 《阅读材料磁记录》优秀教案
磁记录〔magnetic recording〕利用磁性材料的磁性变化记录信号的技术1．磁记录系统一般包括磁头、磁记录介质、磁记录介质传送机构、记录放大器、重放放大器等几局部其中主要局部是磁头和磁记录介质磁头有记录磁头、重放磁头、消磁头等各种磁头的根本结构如图1－18－33所示，由软磁材料制作的铁芯和线圈组成，铁芯上有一条细缝，叫做工作缝隙根据磁头的不同用途,磁头的工作缝隙、输入输出阻抗不一样一般来说，记录磁头比重放磁头的工作缝隙稍宽一些各种磁头外面都有一个屏蔽罩记录介质是记录信号的载体，有磁带、磁盘以及磁鼓、磁芯、磁卡片、磁性薄膜、磁片、磁泡和磁光盘等不同的记录设备可选用不同的记录介质，其中磁带的使用最为广泛磁带的结构大致如图1－18－34甲所示，下层是带基，上层是磁性层带基一般用醋酸纤维或涤纶薄膜，厚10m～30m磁性层厚5m～20m，是用微粒磁粉与粘合剂均匀混合后涂覆在带基上，并经历了磁场微粒定向处理，烘干、压光等工艺过程磁盘是用于数字记录的磁记录介质，为簿圆盘它的结构如图1－18－34乙所示，有基片和磁性层硬磁盘的基片是铝质的，软磁盘的基片是聚脂薄片磁性层厚度为1m～5m磁盘上磁粉微粒的定向为环形适于制作磁记录介质磁性层的磁粉都具有针状外形，颗粒均匀细小它的饱和磁化强度大、有适当矫顽力，为硬磁性材料常用的磁粉材料有铁的氧化物〔v-Fe2Ｏ3、Fe3O4〕、添加钴〔Ｃo〕的氧化铁、二氧化络〔ＣrO2〕、钡铁氧化以及金属铁、氮化铁等根据磁记录的不同要求，记录介质的磁性层选用不同的材质根据磁化场的磁感线在磁记录介质内通过的方式不同，磁记录有垂直记录、横向记录、纵向记录三种方式，图1－18－35甲、乙、丙分别是这三种记录方式的示意图2 磁记录原理包括记录、重放、消磁三局部记录是将信号记录在磁记录介质上的过程记录时，磁带以一定的速度移过磁头，磁性层与磁头的工作缝隙接触磁头的线圈中输入信号电流，在铁芯中形成与信号电流变化成比例的磁场，磁头工作缝隙的漏磁通使靠近它的记录介质上的磁性层磁化，在记录介质上留下了对应于信号电流变化的剩磁对应于一个周期电信号，磁带上的剩磁也构成一个空间分布的周期磁信号，这个周期磁信号在空间的长度就叫做记录信号的波长它与磁带移动速度成正比，与记录电流的变化频率成反比方果用表示记录波长用表示磁带移动的速度，用表示记录电流的变化频率，三者之间的关系为在带速一定的情况下，记录信号的频率越高，记录波长越短，，现在到达小于1μm的水平正确记录信号的关键，在于磁带上每个小单元通过磁头工作缝隙的时间Δt要远小于信号周期Ｔ的一半，即Δt<<Δt的大小，取决于磁头缝隙宽度g和走带速度v, Δt因此记录介质与磁头的相对速度越快，工作缝隙越小，Δt就越小，越有利于信号的准确记录图1－18－36示出了磁带上剩磁的分布重放是将以剩磁形式记录在磁记录介质上的信号复原为电信号的过程重放时，磁头工作缝隙与载有信号的磁记录介质接触，让磁记录介质以记录时相同的速度移过磁头工作缝隙根据电磁感应原理，由于磁记录介质不同位置上的剩磁不同，介质的移动使磁头线圈中产生感应电动势记录信号波长越小，频率越高，重放时磁头线圈中产生的感应电动势越大当信号频率增加一倍时，重放电压值也增大一倍，换成分贝表示为6dB/倍频程实际重放时，当记录波长短到磁头工作缝隙宽度时，由于接触区间记录介质的磁力线不能通过铁芯，感应电动势为零，这个记录波长为临界波长λ介，λ介＝实际中使用的上限频率，为临界频率的，即记录波长当信号频率过低时，磁头不能提供抵磁阻通路，重放电压也受损失重放的高频、低频损失原理见图1－18－37图1－18－38是磁记录的记录、重放原理示意图消磁是去除介质中以剩磁形式储存的信号，有直流消磁法和交流消磁法交流消磁法效果好，使用广泛消磁时，给消磁头中通入强交变电流，形成强交变磁场〔在×104Ａ/m以上〕，频率满足f消?，一般为信号频率的5倍以上磁性介质先逐渐接近消磁头工作缝隙，受到高频交变磁场的作用，很快使剩磁到达最大值，即到达磁化饱和状态，把原来记录的信号抹去然后，磁性介质又逐渐远离消磁头的工作缝隙，由于它所受交变磁场的作用逐渐减小，磁性层的磁化状态由最大的磁滞回线，几次迂回，最后恢复到磁中性状态，即剩磁变为零磁记录记录的频带宽〔可记录直流至2MH以上的信息〕，信息能长久保存，随时可以重放，记录内容可随时洗去，重新记录新的内容它能同时进行多路信息记录，还能根据记录对象的变化过程和研究的需要，改变信息的时基〔可高速记录、慢速重放，也可慢速记录、快速重放〕，还可配用其他记录仪、显示仪、数据处理器等因此，磁记录技术现在被广泛应用于国防、科研、播送、教学、生活的各个领域。
(完整版)磁性材料
原子的总磁矩应是按照原子结构和量子力学规律将原子中 各个电子的轨道磁矩和自旋磁矩相加起来的合磁矩。
（洪德法则） 磁性是物质的基本属性！
磁学基本概念：
磁场强度：指空间某处磁场的大小，用H表示，它的单 位是安/米（A/m）。 磁化强度：指材料内部单位体积 的磁矩矢量和，用M表 示，单位是安/米（A/m）。 磁 化率：物体在磁场中被磁化的程度与磁化场的强度有 关，其关系为M= χ H，χ即为磁化率。 磁感应强度： 磁感应强度B的定义是：B=μ0(H+M)， 其中H和M分别是磁化强度和磁场强度，μ0是一个系 数，叫做真空导磁率。磁感应强度又称为磁通密度，单 位是特（T）。 磁导率：磁导率的定义是μ=B/H，是 磁化曲线上任意 一点上B和H的比值。磁导率实际上代 表了磁性材料被
3.78 131.3 1.24
Kittel 书数据（2002） 它们的 电子壳层都是满壳层，所以原子磁矩为零。 在CGS单位 制下，抗磁磁化率的典型值是10-6cm3·mol-1 。 统一换成体积磁化率的数值，量级是10-6。 换成 SI 单位制下应乘以4π，量级在10-5。
一些抗磁性金属在20℃时的克分子磁化率（CGS单位）：
右图是1938 年测到的 MnO 磁化率温度曲线， 它是被 发现的第一个反 铁磁物 质，转变温度 122K。
该表取自Kittel 书2005中文版p236，从中看出反铁磁物质的 转变温度一般都很低，只能在低温下才观察到反铁磁性。
在西方，据传说，磁性首先是被
一个牧羊人发现的。他注意到他
的木棍的铁端，被一块石头所吸 引。这种石块在小亚细亚(Asia Minor)、马其顿的Magnesia地区 以及爱奥尼亚的Magnesia城都被 发现过。人们相信“Magnetism”一 字就是来源于这些地名。
材料化学导论第6章-固体的磁性和磁性材料
96第6章 固体的磁性和磁性材料§6.1 固体的磁性质及磁学基本概念6.1.1 固体的磁性质某些无机固体并不像其他所有物质那样表现出抗磁性（Diamaganetism ）,而是呈现出磁效应。
这些无机固体往往是以存在不成对电子为特征的，这些不成对电子又常常是处在金属阳离子中。
因此，磁行为主要限制在过渡金属和镧系金属元素的化合物上。
它们中许多金属原子具有不成对的d 和f 电子，就可能具有某些磁效应。
我们知道，电子有自旋，形成自旋磁矩。
在不同的原子中，不成对电子可以随机取向，此时材料就是顺磁的（Paramagnetic ）；如果不成对的电子平行地排成一列，材料就有净的磁矩，这是材料是铁磁性的（iferromagnetic ）；相反，不成对电子反平行排列，总磁矩为零，材料就呈现反铁磁性为（Antiferromagnetic ）；如果自旋子虽是反平行排列，但两种取向的数量不同，会产生净的磁矩，材料就具有亚铁磁性（Ferrimagnetic ）。
图6.1就说明这些情形。
(b)(d)(c)图6.1 成单电子自旋取向和材料的磁性a 抗磁性b 铁磁性c 反铁磁性d 亚铁磁性磁性材料广泛地应用在电器、电声、磁记录和信息存储各方面，可以说，现代社会离不开磁性材料。
6.1.2 磁学基本概念1．物质在磁场中的行为97首先，我们讨论不同材料在磁场中的行为。
如果磁场强度为H ，样品单位体积的磁矩为I ，那么样品的磁力线密度，即所谓磁通量 （Magnetic induction ）B 为：B = H + 4πI 6.1.1导磁率（Permeability ）P 和磁化率（Susceptinity ）K 定义为： P = HB = 1 + 4πK 6.1.2 K = HI 6.1.3 摩尔磁化率χ为χ= dM κ 6.1.4 式中M 是分子量，d 式样品密度。
根据、K 、χ及其与温度和磁场的依赖关系可以区分不同种类的磁行为，这总结在表6.1中。
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有机粘接剂及润滑剂
磁性粉
Al2O3粉/铁丹粉/碳粉
记录层 带基
Al2O3微颗粒
涂布型磁带结构示例
有机粘接剂
磁性粉
Al2O3补强剂
记录层
基板
涂布型磁盘结构示例 常用磁盘分硬盘和软盘两大类：
硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金盘基上附着磁记录层
软盘是在可挠性PET盘基上附着磁记录层
出，于是在1907年他又发明了直流偏磁的录音方式
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磁记录
1.模拟磁记录
通过磁头把输入的电流信号转化为变化的磁场来 磁化磁介质，并通过磁头把磁介质上的磁信号转 换成电信号输出（或把信号擦除）
将数字代码信息以电流的形式输入到磁头线圈中 ，形成磁场后磁化磁介质，并以磁化状态的形式 保存在磁记录介质上。通过磁头把磁介质上的磁 信号转换成电信号，再还原成数字形式输出
意义：这一观点为今天的磁记录奠定了基础
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时间：1898年 人物：普尔生 事件：发明钢丝录音机，即在钢丝上记录声音，再把它再 生出来，并用听筒听所录的声音
意义：标志着磁记录技术的开端
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磁记录的起源
时间：1900年
人物：普尔生
事件：在巴黎万国博览会上，展出“钢丝录音机”这 一发明，轰动了整个博览会。 后续：由于钢丝录音机发出的声音太小，后来他又发 现使用一定的直流电流通过电磁铁可以得到较大的输
再生时获得足 够大的输出 保持相对稳定 的磁化状态 有效地再生记 录信号
磁
头：高磁通密度，高磁导率
对记录介质进行 有效地磁化
典型磁头示例
6.2.1磁头的种类
磁性合金：坡莫合金、仙台斯特合 金、 Fe-Al合金和Fe-Al-B合金 ； 电 磁 感 应 原 理
体型磁头
铁氧体磁头：Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn 铁氧体； MIG磁头：铁氧体磁芯间 隙中沉积一层软磁合金薄膜 工作缝隙小、磁场分布陡河磁迹宽度 窄，故可提高记录速度和读出分辨率
Co-（Zr，Hf，Nb，Ta，Ti）二元系合金 薄膜和Co-Fe-B类金属非晶态薄膜
☞微晶薄膜磁头材料 Fe-Ta-C，Fe-Ta-N等 ☞多层膜磁头材料 ☞磁电阻磁头材料
Fe-C/Ni-Fe ；Fe-Al-N/Si-N；Fe-Nb-Zr/FeNb-Zr-N；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 等
1
1 0 1
0
0
a.利用磁化方向进行记录
b.利用磁化反转进行记录
数字信号调制原理
b 0 t 0 1 1 0 1 1 1 数字信号 记录介质
+I -I
记录电流
脉冲电压
（再生）
磁头行走方向
两种磁化模式
厚度d
排斥 S N N S 比特间距b （因排斥而发生退磁效应）
a.水平磁化模式（b》d）
N S
逐 渐 过 渡
磁卡
磁卡方便信息的存储、读出，使用方便、安全、快捷， 保密性好
磁性条纹类型
附着磁性条纹卡
全磁性涂布卡
俯视图
附着磁性条纹 磁性层 侧视图 基体
基体
磁卡构造
保护层 银灰层 磁性层（5~15 m）
基体（PET188~250m）
磁性条纹
中心部分 （PVC，0.56mm）
过渡片
（PVC，0.1mm）
实际上，上述各种磁各向异性机制是相互迭加而其作用的。
垂直磁记录头与介质材料
励磁线圈
铁氧体 磁记录层 主磁极（坡莫合金膜） Co-Cr合金
坡莫合金膜
基板 打底层 基板
6.2 磁头与磁头材料
磁头是指能对磁介质进行信息记录、再生及读取功 能的器件。 采用磁头与磁记录介质相组合的形式，通过磁头间 隙产生的漏磁通使磁性膜磁化 高密度存储要求： 磁记录介质：高剩磁，高矫顽力，矩形比接近1；
（4）在涂布过程中用磁场对颗粒进行定向或打乱定向不是很有效。
6.3.3 薄膜介质
薄膜记录介质由基底、附加层、磁性层和保护层组成。 在磁层和附加层之间也可增加一层缓冲层。 保护层可以是单层的，也可以是多层的。 在保护层上还可以增加一层润滑层
保护层
磁性层
附加层 基底
薄膜记录介质的一般结构
基底和附加层
第6章 磁记录材料
本章将要介绍的主要内容： ☞磁记录概述；
☞磁头及磁头材料 ；
☞磁记录介质及介质材料 ； ☞磁光记录材料 ； ☞磁泡及磁泡材料
6.1 磁记录概述
我们已经进入信息社会？
“知识大爆炸”？ 记忆靠人脑？
磁记录的起源
标志性事件：
人们一般认为磁记录是从1898年丹麦人普尔生(Valdemar Poulsen)发明钢丝录音机开始的。
薄膜磁头
磁电阻磁头
利用磁电阻效应制成
电磁感应型磁头和GMR磁头
电磁感应磁头记录与再生原理
磁电阻磁头结构示意
I
I H 电极 M I
I：电流 H：外加磁场 M：磁化强度
电极
θ
6.2.2 磁头材料
主要包括下面几类：
☞合金磁头材料
含钼坡莫合金和仙台斯特合金
镍锌铁氧体和锰锌铁氧体
☞铁氧体磁头材料
☞非晶态磁头材料
要求薄膜与基底之间有很强的粘结力，因此必须 保持基底清洁度和材料的兼容性 为了使磁盘表面形貌均匀，基底必须有很好的抛光 对于硬盘来说，基底的硬度很重要，因此需要添加 非磁性附加层来提高硬度 附加层除了可提高硬度外，还可以减少缺陷
性层
早期
现今
磁性层制备方法很多，有电镀法、真空蒸镀法、溅射法 等，可根据不同的介质灵活采用。
放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从 而在磁头线圈中产生感应电压，该电压正比于磁通的变化 率。虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复， 但是经过适当的电路处理以后，就能重现记录信号。 存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场 的强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误。 抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场， 就可以抹除原先记录的信息，抹除之后，记录介质又可准 备记录新的信息。
这是磁记录技术的开端！ 人们称他为“磁记录之父”
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磁记录的起源
时间：1888年 — 早在普尔生发明磁性录音机十年前 人物：美国人奥· 史密斯(0berlin Smith) 事件：发表了关于磁性录音可能性的论文 观点：史密斯认为将随时间变化的声音转换为电流进而转换 为磁性的变化而被记录，再以相反的过程重放是可行的
坡莫合金
6.3 磁记录介质及介质材料
日常生活中的磁记录媒体
6.3.1 磁记录介质应具备的特性
基本要求
高出力 高记录 密 度 低噪声 高可靠性
记录介质应具备的条件
1） 饱和磁通密度 2） 矩形比大 3）矫顽力在磁头允许的范围内尽可能的大 4） 作为磁化反转的单位的体积应尽量小， 大小及分布均匀 5） 磁学特性分布均匀，随机偏差小 6） 表面光滑，耐磨损，耐环境性好 7） 磁学特性对于加压、加热等反应不敏感 8）化学的、机械的耐久性优良 9） 不容易导电
磁性粉
（1）-Fe2O3
矫顽力范围为20～32kA/m
矫顽力范围为55～70kA/m
（2）包覆Co的-Fe2O3
（3）CrO2 （4）金属磁粉 （5）氮化铁 （6）钡铁氧体
矫顽力范围为35～50kA/m
磁化强度和矫顽力比氧化物高，但易腐蚀 纯铁的MS＝1700kA/m
矫顽力可达51kA/m
矫顽力范围为100～900kA/m
典型磁记录介质示例
常用的磁记录介质有磁带、磁盘和磁卡等
磁带是在基板上，沉积磁性层并构成复合材料膜层结构
磁性层（磁性粉＋
下面覆层
基板（带基） 10～15m
粘结剂）厚度为 1～4 m左右，表面 粗糙度0.1 m以下
底面覆层
磁带水平方向
磁带断面结构
磁盘
磁盘由在圆盘状盘基表面附着磁记录介质层构成。 常用磁盘分为硬盘和软盘两类： 软盘是在可挠性PET盘上附着磁记录层
2.数字磁记录
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6.1.1 磁记录的基本过程
抹音磁头 录音磁头 放音磁头 驱动器
（a）
（b） （c）
记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流 将电磁铁磁化，在气隙处产生溢出磁场。当磁带转动通过 磁头气隙时，气隙处的溢出场将磁带磁化。磁带转动离开 气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号。
磁性层 基板 （如PET等）
磁性层 基板 （如PET等） Ti膜
倾斜蒸镀可挠性软盘
准二层膜垂直记录可挠性软盘
硬盘
硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金基盘上附着磁记录层
SiO2保护膜 磁性层 NiP 基板 （铝合金） 基板 （铝合金） 碳保护膜 磁性层 Ni-Fe膜 Ti
电镀磁性膜硬盘
垂直磁性膜硬盘
磁盘制备工艺
磁卡制备工艺流程
调频
载波信号：
um Um cos mt
调制信号：
uc Uc cosct
调频波为：
u0 Uc cos(ct m f sin mt )
5.1.3数字式磁记录
数字式记录
数字记录采用on和off这两种有一定间隔的脉冲信号，主 要采用“1”和“0”这两种数值的信号。 数字信号记录有利用磁化方向记录和利用磁化反转记录两 种方式，记录原理如下：
6.3.2颗粒状涂布介质
对颗粒介质的要求 颗粒状介质最好是单畴的； 颗粒的形状以针状为最佳 ； 颗粒状介质信噪比与 N成正比，N为单位体积内磁性颗 粒数
样品开关场分布尽可能窄