磁记录介质材料
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Areal Density = Track Density*Linear Density The smallest recording unit is called “bit” Each bit contains hundreds of grains.
> 100 Gbit/in2 demo media Grain size ~ 8.5 nm Material: CoPtCrB
Photolithography substrate photoresist
UV
mask
etchant
Spin coating
Mask and expose Develop
Etching
Can make complex Final Product
3-D shapes using
gray-scale techniques
室温下呈现出超顺磁性的尺寸是：球形铁12nm ， 椭 球 铁 3nm ， 六 角 密 积 钴 4nm ， 面 心 立 方 钴 14nm。
Stoner-Wohlfarth Particle
• Magnetic anisotropy energy favours magnetization along certain axes relative to the crystal lattice
Nanoparticles by the Cluster Gun
液滴沉积过程示意图
全固态，5~50微米
半固态，50~150微米
全液态，>150微米 半固态薄层
TEM Characterization of Particles Made by the Cluster Gun
400
D =6.1 nm av
3. 用于磁密封的磁性液体，即60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。
磁畴-Magnetic Domain
磁畴
磁畴
磁畴
块状磁性材料因交换作用能，磁各 向异性能而导致磁矩平行排列在其易轴 方向，但这将导致很强的退磁能. 对 于半径为R的球形体，退磁能为
Ed=(4π / 3) μ0 R3 Ms2 / 6 尺寸R越大，退磁能越高，为降低能 量，材料必然分裂成磁畴，但在两个畴 之间的畴壁过渡区，磁矩必然偏离易轴， 相邻磁矩也不再平行，由此产生的畴壁 能将介入总能量的平衡。比如180度畴 壁的畴壁能密度就是 :
Resist removal
Electron Beam Lithography and Nanofabrication
Exposure
Electron Beam
High MM PMMA Low MM PMMA Indium Tin Oxide
Glass
Bilayer e-beam resist structure. A high molecular weight PMMA is spun on top of a slightly more sensitive bottom layer of low molecular weight PMMA.
4.48±0.15 nm(3.3%)
Population %
0.14
4.480.15 nm (3.3%)
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0 3.911 4.168 4.426 4.684 4.942
Size (nm)
20 nm
Microstructure of Self-assembled Particles
对超顺磁性粒子的胶体悬浊液，粒子间只有弱的静磁作用 和范德瓦尔斯力。这就是磁性液体。
热运动能 kT 使体积为V的粒子磁矩Ms越过各向异性为K 的势垒KV的几率为
p=exp (-KV/kT),
即原一致磁化的粒子集合体，经过足够长的时间可衰减 到剩磁为零，其弛豫时间 τ 为
τ =(1/f0) exp (KV/kT), 频率因子f0=109 s-1 。 如果要等一年(107秒)才会衰减为“顺磁”态，那就一定 不能认为这材料是超顺磁性，因此这里有个 τ 的相对标准， 譬如可用τ<10-1秒为超顺磁性的标准。显然 τ 和材料的各向 异性K，温度T，粒子的直径D=V-3都有关。
▪ 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 CoPt
1. Separate Nucleation and Growth
Monodisperse Colloid Growth (LaMer 1950)
C*max C*min
Fe(CO)5
Δ, -CO
2. Prevent Agglomeration
Attractive Forces
Agglomeration
可得单畴临界尺寸R0比例于： (A1K1)1/2 / Ms2
超顺磁性
超顺磁性是磁有序纳米材料小尺寸效应的典型表现。
当体积为V的单畴磁性粒子继续减小，磁矩取向会因热运 动能量 kT 比相应的磁能还大，可越过各向异性能势垒K1V ， 使粒子的磁化方向表现为磁的“布朗运动”，粒子集合体的 总磁化强度为零。称为超顺磁性。只是粒子内不是单个原子 或分子的磁矩，而是磁有序的集合体，集合体之间的磁取向 混乱排列，其宏观表现为“顺磁性”。
γ180=2(A1K1)1/2
纳米尺度的磁畴
当粒子尺寸R很小时，畴壁能相 对于退磁能更严重，没有必要再分 磁畴，就形成了单畴粒子，可如下 估计单畴粒子的临界尺寸：将单畴 的退磁能与分成两个磁畴的畴壁能， 退磁能之和相等：
(4π / 3) μ0 R3 Ms2 / 6 = 4π/3) μ0R3 Ms2 /3 + πR22(A1K1)1/2
磁记录介质材料
北京航空航天大学
磁记录材料
Information Data and Storage Media
Information to store
Audio Photo Video
Temporary Storage
Permanent Storage
Tape
Tape
Floppy disk
Floppy disk
准零维磁性纳米粒子 早在上世纪50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 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 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 是磁畴的转动，没有畴壁运动过程，矫顽力可以提高 很多。
Discrete bit technology: Nanoimprinting; array of self-ordered magnetic nanoparticles Beyond 1 Terabits/ in2 by 2020???
Roadmap for Particulate Recording Density
10
||
1 1 Gbit/in2
0.1
0.01
1 Mbit/in2
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6 1950
1960
1970
1980
, ,
1990
Products Lab Demos
2000 2010
2020
Date (year)
Hard Discs: Bits and Bytes
*Seagate, Newsletter
Longitudinal: 130 Gbits/in2 Recording media limit 200 Gbits/in2 Recording head limit < 200 Gbits/in2
Perpendicular: 130 Gbits/in2 Storage limit 0.6 Terabits/ in2 by 2009?
➢Heating stage transforms the FePt particles from the fcc to fct phase without much increase in average particle size.
Nanoparticles by Chemical Synthesis
对固定的材料和粒子尺寸V，要表现为超顺磁性就有个临 界温度 T0, 称其为截止温度。
对固定的温度，如室温，要表现出超顺磁性，粒子就要 小于临界尺寸V0 。
举几个超顺磁性的实际数据：
对 K=107J/m3 而 T=100K 的条件，尺寸6.3nm 的粒子的弛豫时间 τ=10-1s , 而6.8nm时, τ=101s; 到 7.6nm 时 τ=10+5s(即一天! )。
CDR
CDR
DVDR
DVDR
HDD
Internet
Solid State Devices (MRAM, Flash, OUM, FRAM)
磁记录装置原理图
40% ??
10000
1000 1 Tbit/in2
100 100 Gbit/in2
~100%
Areal Density (Gbit/in2)
300
Stan. dev.=1.1 nm
Number of particles
200
100
0
2
4
6
8
10
12
Particle Diameter, nm
400
D =5.75 nm av
Stan. dev.=1.5 nm
300
Number of particles
200
100
0
2
4
6
8
10 12
Particle diameter, nm
➢Array of FeNiPt nanoparticles with average particles size of 4 nm
➢CoPt nanoparticles with spherical and ellipsoidal shapes
Trend in Perpendicular Recording Film
Pt(acac)2
+ 2e -
Cs 0
Solubility limit
200 400 600 800 1000 Time (seconds)
Surfactant Coating: Steric Repulsion
Formation of FePt Arrays
Evaporation Method
Solvent Evaporation
BaM
AlN T. Ox., SiO2
Si
BaM
amorphous-BaM T. Ox., SiO2 Si
磁记录的三种方式的发展
水平磁记录 比特的晶粒组成（100个以上的晶粒） 热稳定性与密度上限
垂直磁记录 退磁场 膜厚与热稳定性
分立垂直磁记录 减小相互作用 热稳定性
三种磁记录方式示意图
Trend in Magnetic Data Storage Density
Nanofabrication
Nanofabrication methods can be divided into two categories:
Top-down methods Example: lithography
Bottom-up methods Example: quantum dots and self-assemble
Fe(CO)5
Pt(acac)2
➢ A schematic diagram of preparing FePt nanoparticles by chemical synthesis
Route to Monodisperse Particle Arrays
Concentration of solute in solution Injection
Development
Metal deposition
Liftoff
The resist is developed in MIBK:IPA giving an undercut.
The resist is removed in a liquid solvent leaving the pattern.
Байду номын сангаас
Hard Disk Drive
Magnetic Medium – Fe3O4 Glass
Hard Drive Disk
• Substrate - glass • Magnetic medium – Fe3O4
磁记录介质材料
MAGNETIC RECORDING
Particulate Recording Media Thin Film Recording Media
> 100 Gbit/in2 demo media Grain size ~ 8.5 nm Material: CoPtCrB
Photolithography substrate photoresist
UV
mask
etchant
Spin coating
Mask and expose Develop
Etching
Can make complex Final Product
3-D shapes using
gray-scale techniques
室温下呈现出超顺磁性的尺寸是：球形铁12nm ， 椭 球 铁 3nm ， 六 角 密 积 钴 4nm ， 面 心 立 方 钴 14nm。
Stoner-Wohlfarth Particle
• Magnetic anisotropy energy favours magnetization along certain axes relative to the crystal lattice
Nanoparticles by the Cluster Gun
液滴沉积过程示意图
全固态，5~50微米
半固态，50~150微米
全液态，>150微米 半固态薄层
TEM Characterization of Particles Made by the Cluster Gun
400
D =6.1 nm av
3. 用于磁密封的磁性液体，即60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。
磁畴-Magnetic Domain
磁畴
磁畴
磁畴
块状磁性材料因交换作用能，磁各 向异性能而导致磁矩平行排列在其易轴 方向，但这将导致很强的退磁能. 对 于半径为R的球形体，退磁能为
Ed=(4π / 3) μ0 R3 Ms2 / 6 尺寸R越大，退磁能越高，为降低能 量，材料必然分裂成磁畴，但在两个畴 之间的畴壁过渡区，磁矩必然偏离易轴， 相邻磁矩也不再平行，由此产生的畴壁 能将介入总能量的平衡。比如180度畴 壁的畴壁能密度就是 :
Resist removal
Electron Beam Lithography and Nanofabrication
Exposure
Electron Beam
High MM PMMA Low MM PMMA Indium Tin Oxide
Glass
Bilayer e-beam resist structure. A high molecular weight PMMA is spun on top of a slightly more sensitive bottom layer of low molecular weight PMMA.
4.48±0.15 nm(3.3%)
Population %
0.14
4.480.15 nm (3.3%)
0.12
0.1
0.08
0.06
0.04
0.02
0 3.911 4.168 4.426 4.684 4.942
Size (nm)
20 nm
Microstructure of Self-assembled Particles
对超顺磁性粒子的胶体悬浊液，粒子间只有弱的静磁作用 和范德瓦尔斯力。这就是磁性液体。
热运动能 kT 使体积为V的粒子磁矩Ms越过各向异性为K 的势垒KV的几率为
p=exp (-KV/kT),
即原一致磁化的粒子集合体，经过足够长的时间可衰减 到剩磁为零，其弛豫时间 τ 为
τ =(1/f0) exp (KV/kT), 频率因子f0=109 s-1 。 如果要等一年(107秒)才会衰减为“顺磁”态，那就一定 不能认为这材料是超顺磁性，因此这里有个 τ 的相对标准， 譬如可用τ<10-1秒为超顺磁性的标准。显然 τ 和材料的各向 异性K，温度T，粒子的直径D=V-3都有关。
▪ 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 CoPt
1. Separate Nucleation and Growth
Monodisperse Colloid Growth (LaMer 1950)
C*max C*min
Fe(CO)5
Δ, -CO
2. Prevent Agglomeration
Attractive Forces
Agglomeration
可得单畴临界尺寸R0比例于： (A1K1)1/2 / Ms2
超顺磁性
超顺磁性是磁有序纳米材料小尺寸效应的典型表现。
当体积为V的单畴磁性粒子继续减小，磁矩取向会因热运 动能量 kT 比相应的磁能还大，可越过各向异性能势垒K1V ， 使粒子的磁化方向表现为磁的“布朗运动”，粒子集合体的 总磁化强度为零。称为超顺磁性。只是粒子内不是单个原子 或分子的磁矩，而是磁有序的集合体，集合体之间的磁取向 混乱排列，其宏观表现为“顺磁性”。
γ180=2(A1K1)1/2
纳米尺度的磁畴
当粒子尺寸R很小时，畴壁能相 对于退磁能更严重，没有必要再分 磁畴，就形成了单畴粒子，可如下 估计单畴粒子的临界尺寸：将单畴 的退磁能与分成两个磁畴的畴壁能， 退磁能之和相等：
(4π / 3) μ0 R3 Ms2 / 6 = 4π/3) μ0R3 Ms2 /3 + πR22(A1K1)1/2
磁记录介质材料
北京航空航天大学
磁记录材料
Information Data and Storage Media
Information to store
Audio Photo Video
Temporary Storage
Permanent Storage
Tape
Tape
Floppy disk
Floppy disk
准零维磁性纳米粒子 早在上世纪50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 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 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 是磁畴的转动，没有畴壁运动过程，矫顽力可以提高 很多。
Discrete bit technology: Nanoimprinting; array of self-ordered magnetic nanoparticles Beyond 1 Terabits/ in2 by 2020???
Roadmap for Particulate Recording Density
10
||
1 1 Gbit/in2
0.1
0.01
1 Mbit/in2
1E-3
1E-4
1E-5
1E-6 1950
1960
1970
1980
, ,
1990
Products Lab Demos
2000 2010
2020
Date (year)
Hard Discs: Bits and Bytes
*Seagate, Newsletter
Longitudinal: 130 Gbits/in2 Recording media limit 200 Gbits/in2 Recording head limit < 200 Gbits/in2
Perpendicular: 130 Gbits/in2 Storage limit 0.6 Terabits/ in2 by 2009?
➢Heating stage transforms the FePt particles from the fcc to fct phase without much increase in average particle size.
Nanoparticles by Chemical Synthesis
对固定的材料和粒子尺寸V，要表现为超顺磁性就有个临 界温度 T0, 称其为截止温度。
对固定的温度，如室温，要表现出超顺磁性，粒子就要 小于临界尺寸V0 。
举几个超顺磁性的实际数据：
对 K=107J/m3 而 T=100K 的条件，尺寸6.3nm 的粒子的弛豫时间 τ=10-1s , 而6.8nm时, τ=101s; 到 7.6nm 时 τ=10+5s(即一天! )。
CDR
CDR
DVDR
DVDR
HDD
Internet
Solid State Devices (MRAM, Flash, OUM, FRAM)
磁记录装置原理图
40% ??
10000
1000 1 Tbit/in2
100 100 Gbit/in2
~100%
Areal Density (Gbit/in2)
300
Stan. dev.=1.1 nm
Number of particles
200
100
0
2
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6
8
10
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Particle Diameter, nm
400
D =5.75 nm av
Stan. dev.=1.5 nm
300
Number of particles
200
100
0
2
4
6
8
10 12
Particle diameter, nm
➢Array of FeNiPt nanoparticles with average particles size of 4 nm
➢CoPt nanoparticles with spherical and ellipsoidal shapes
Trend in Perpendicular Recording Film
Pt(acac)2
+ 2e -
Cs 0
Solubility limit
200 400 600 800 1000 Time (seconds)
Surfactant Coating: Steric Repulsion
Formation of FePt Arrays
Evaporation Method
Solvent Evaporation
BaM
AlN T. Ox., SiO2
Si
BaM
amorphous-BaM T. Ox., SiO2 Si
磁记录的三种方式的发展
水平磁记录 比特的晶粒组成（100个以上的晶粒） 热稳定性与密度上限
垂直磁记录 退磁场 膜厚与热稳定性
分立垂直磁记录 减小相互作用 热稳定性
三种磁记录方式示意图
Trend in Magnetic Data Storage Density
Nanofabrication
Nanofabrication methods can be divided into two categories:
Top-down methods Example: lithography
Bottom-up methods Example: quantum dots and self-assemble
Fe(CO)5
Pt(acac)2
➢ A schematic diagram of preparing FePt nanoparticles by chemical synthesis
Route to Monodisperse Particle Arrays
Concentration of solute in solution Injection
Development
Metal deposition
Liftoff
The resist is developed in MIBK:IPA giving an undercut.
The resist is removed in a liquid solvent leaving the pattern.
Байду номын сангаас
Hard Disk Drive
Magnetic Medium – Fe3O4 Glass
Hard Drive Disk
• Substrate - glass • Magnetic medium – Fe3O4
磁记录介质材料
MAGNETIC RECORDING
Particulate Recording Media Thin Film Recording Media