垂直磁记录技术的新进展

垂直磁记录技术的新进展

【摘要】介绍了磁记录的几种工作方式和原理，总结了垂直磁记录对记录介质和写磁头材料性能的要求，给出了垂直磁记录材料近几年的发展状况，由分析可知：热辅助垂直磁记录技术将会使磁记录技术推向海量存储的领域。

【关键词】磁记录；垂直磁记录；介质；磁头；进展

1.引言

随着社会的发展和人们对信息存储需求的急剧增加，以硬盘为代表的磁性信息存储技术以其存储密度高、容量大及价格低廉等优势在信息存储领域占据着举足轻重的位置。自IBM于1957年发明了第一代计算机硬盘（RAMAC 350、记录密度约2kBits/in2）以来[1]，在众多科学工作者的辛勤努力之下，经历了许多革命性的理论和技术上的突破，使记录密度得到了成千上万倍的发展，2012年10月希捷宣布，正在研发的HAMR热辅助垂直磁记录的面密度已达到了1TBits/in2的水平，这比现在620GBits/in2的记录密度又提升了将近55%，现如今，利用1TBits/in2的记录密度，可以制造出6TB的台式机硬盘以及2TB的笔记本硬盘，未来随着技术的成熟，还可以进一步推出10～20TB的笔记本硬盘及30～60TB的台式机硬盘[2]。图1给出了近20年硬盘面密度的发展曲线[3]，可以看出磁记录的发展速度是令人震惊的。

2.磁记录模式的介绍

磁记录的记录模式主要有以下四种：水平磁记录、垂直磁记录、倾斜磁记录、热辅助磁记录；下面对这四种记录模式进行逐一的简单介绍。

2.1 水平磁记录

水平磁记录模式中介质的磁化方向与盘面平行，且沿着磁道，在高密度记录中，水平磁记录方式碰到了困难，即可能出现圆形磁化模式，从而显著地减小重放电压，人们普遍认为，水平磁记录的记录面密度将停留在150～200GBits/in2。

2.2 垂直磁记录

为了解决水平磁记录在高密度记录时所遇到的困难，日本东北大学的岩崎俊一（Iwasaki）教授于1977年提出了垂直磁记录的概念，在垂直磁记录模式中介质的磁化方向垂直于盘面（图2）。通过和水平记录模式的对比我们可知：在记录状态下，由于静磁相互作用的存在，水平记录模式在低记录密度时是稳定的，而垂直记录模式则在高记录密度时是稳定的，二者的这个本质区别就决定了磁记录模式从水平记录向垂直记录过渡的必然趋势。

2.3 倾斜磁记录

倾斜记录是指介质材料易磁化轴的方向相对于垂直方向倾斜一定的角度，这就使介质的磁化反转更容易发生，而介质的热稳定性不受影响，这种记录方式最大的优点是大大降低了对写磁头的要求。

2.4 热辅助磁记录（Heat Assisted Magn-etic Recording）

介质材料的矫顽力较低时，信息将很容易写入介质，但是写入的信息不稳定，容易丢失；反之，当介质材料的矫顽力较高时，写入的信息很稳定，但是写磁头需要具有很高的写入场才能将信息写入。而为了提高记录密度，必须采用磁性各向异性很高的材料，介质的矫顽力将大大增加，这就给信号的写入带来了很大的挑战，为了解决这个问题，希捷公司的研究人员提出了热辅助磁记录技术。图3为热辅助磁记录技术的原理示意图，众所周知：铁磁性材料都有一个居里温度，当磁性材料的温度达到或者高于居里温度的时侯，材料的矫顽力降为零。在向高矫顽力的介质材料中写入信息时，使用聚焦的激光束照射介质材料上非常小的待写入区域，使该区域瞬时温度达到居里温度，这时由于记录介质矫顽力的降低，很容易用写入场相对较低的写磁头在该区域的介质材料中写入信息，等信息写入以后，去除激光热源，随着温度上升至居里温度以上，介质材料就会恢复到原来的高矫顽力状态，记录的信息将会非常稳定。采用这种方法不仅能够克服向高矫顽力介质材料写入信息时的困难，而且还可以改善记录信息的稳定性，从而实现超高密度磁记录。

3.垂直磁记录对材料的要求

3.1 垂直磁记录对记录介质的要求

对于垂直磁记录用的介质，在磁性、结构和其它物理化学性能方面，主要提出以下要求：

（1）具有比较高的垂直于介质面的单轴磁各向异性，并且组成介质的晶粒（连续薄膜）或者粒子（粉末涂布介质）的易磁化轴尽可能相互平行取向。

（2）饱和磁化强度Ms和垂直于介质平面的剩余磁化强度Mr（⊥）适当地高，以利于提高重放电压的信噪比S/N。

（3）磁化曲线M=f（H）在垂直方向呈矩形，在介质面内为直线。

（4）矫顽力Hc（⊥）比较高，以利于提高输出电压、信噪比及记录分辨力。

（5）其它性能：均匀性；化学稳定性及热稳定性；机械强度（硬度、耐磨性）及柔软性；原材料便宜，易批量生产及成本低廉等。

3.2 垂直磁记录对磁头材料的要求

当前，由于存储密度和读写速度的不断提高，磁记录写磁头面临着两方面的挑战：一是需要写磁头能够提供大的写头场，以满足写磁头在高矫顽力存储介质上写入信息；二是需要写磁头具有高的数据传输率，来满足不断提高的读写速度。因而，对作为写磁头的材料提出了以下几点要求：

（1）高的饱和磁化强度，能够提供大的写头场，同时避免磁头极尖饱和，以满足写磁头在高矫顽力存储介质上写入信息。

（2）磁性要软，即具有低的矫顽力，可以有效降低磁滞损耗，并容易感生出面内单轴各向异性。

（3）高的磁导率以及良好的高频特性，以便得到足够大的磁头效率，并且能够满足不断提高的读写速度。

（4）高的电阻率，用来减小高频下涡流损耗而引起的磁导率的下降。

（5）写磁头材料还要具有良好的热稳定性、耐腐蚀性，材料脆性好，硬度高以及成本低的特点。

4.垂直磁记录材料的新进展

4.1 垂直磁记录介质的新进展

垂直磁记录介质总的分为两大类：以录像带、银行卡及软盘应用的磁粉涂布型介质，以及硬盘应用的连续薄膜型介质。表1给出了垂直磁记录常用介质的发展及其性能[4]，由表1可以看出，FePt合金的磁晶各向异性能是现在所使用的Co基合金的30倍，它所能允许的最小的晶粒尺寸为3nm左右，为Co基合金的三分之一左右，这意味着如果采用FePt合金薄膜作为磁记录介质材料，磁记录密度可能达到1TBits/in2，而且还能保持良好的热稳定性。

4.2 垂直磁记录磁头材料的新进展

表2给出了磁记录写磁头常用的一些软磁材料的性能及近几年的发展。由表2可以看出，铁钴以及铁钴基合金在各种写磁头材料中，饱和磁感应强度Bs最高，因而是一种优良的写磁头材料[5]。

5.结束语

本文综合介绍了磁记录的几种方式和工作原理，并着重介绍了垂直磁记录对记录介质和写磁头材料物理性能的要求，给出了垂直磁记录材料近几年的发展状况，由分析可知：控制磁记录介质的取向、晶粒尺寸、尺寸分布、晶粒边界等因素并在写入信息时结合热辅助技术将会使垂直磁记录技术推向海量存储的领域。

参考文献