未來信息領(lǐng)域的中心問題就是存儲(chǔ)，只有存儲(chǔ)容量的不斷增大，才能滿足信息社會(huì)高速發(fā)展的需要�，F(xiàn)在世界各國(guó)，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)磁存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展極其重視。要提高磁信息存儲(chǔ)容量，就必須不斷減小用于記錄信息的磁性顆粒的尺寸，但當(dāng)尺寸減小到一定程度時(shí)，超順磁效應(yīng)就會(huì)影響到記錄的磁信息的穩(wěn)定性，所以必須開發(fā)新型高密度磁記錄技術(shù)，本文簡(jiǎn)要介紹近年來硬磁盤技術(shù)的主要進(jìn)展。
一、信息的記錄與讀出過程
在磁存儲(chǔ)中信息的記錄與讀出原理是磁致電阻效應(yīng)。磁致電阻磁頭的核心是一片金屬材料，其電阻隨磁場(chǎng)變化而變化。磁頭采用分離式設(shè)計(jì)，由感應(yīng)磁頭寫，磁致電阻磁頭讀。
1．1記錄過程在硬磁盤中寫入信息，采用的是感應(yīng)式薄膜磁頭，即用的是高磁感應(yīng)強(qiáng)度的薄膜材料加平板印刷工藝的磁頭結(jié)構(gòu)。磁頭縫隙小于0．1um，切向記錄長(zhǎng)度小于0．076um。磁頭寬度較大，道間距也較大，道密度和位密度有很大差別， 目的是為了使磁頭場(chǎng)具有較大的均勻區(qū)，減小介質(zhì)不均勻磁化帶來的噪聲。目前硬盤記錄中的位間距已經(jīng)很小，進(jìn)一步增大記錄密度，除提高材料性能外，主要是采用先進(jìn)制造技術(shù)按比例縮小縫隙長(zhǎng)度和磁道寬度。較窄的磁道和較小的縫隙將使記錄磁場(chǎng)變小。此外，提高記錄介質(zhì)的各向異性常數(shù)，就能提高介質(zhì)的矯頑力，改善高密度記錄時(shí)的熱穩(wěn)定性。
1．2讀出過程讀出過程采用巨磁電阻GMR(GianMagneto Resistance)磁頭，包括磁性自旋閥(MagneticSpin Valve)與磁性隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction)結(jié)構(gòu)。磁性自旋閥結(jié)構(gòu)為三明治式，即在兩個(gè)低矯頑力磁性層中間夾一個(gè)非磁性材料層。其中一個(gè)磁性層被另外一層反鐵磁層(FeMn等)所固定，稱為固定層，另一磁性層為自由層。磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)與磁性自旋閥相似，差別為有一層超薄的“絕緣”非磁性材料(AI203等)分割磁性自由層和固定層。在目前的各種高性能硬磁盤驅(qū)動(dòng)器中，巨磁電阻磁頭應(yīng)用較廣的是以電流方向在平面內(nèi)的CIP(Current．In．Plane)型磁頭，尤其是采用納米氧化層的CIP．GMR薄膜，面記錄密度可達(dá)200Gb／in2。進(jìn)一步研制電流垂直于平面的巨磁電阻薄膜CPP—GMR。采用CPP．GMR磁頭和垂直記錄技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)300Gb／in2的記錄密度。
隧道型磁電阻磁頭TMR有望成為下一代高密度讀出元件的一種磁頭。2007年9月，美國(guó)Seagate公司采用隧道結(jié)磁頭的第四代DB35系列產(chǎn)品，硬盤容量已達(dá)1TB。
二、磁化狀態(tài)的穩(wěn)定性
通常情況下磁化狀態(tài)是很穩(wěn)定的，但在超高密度記錄條件下，狀態(tài)的穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)問題。主要有：2．1提高記錄密度，需保證足夠高的信噪比sNR。信噪比sNR正比于N (N為每一記錄位內(nèi)的晶粒數(shù))，反比于Mrt(Mrt為面磁矩，其中Mr為介質(zhì)剩余磁化強(qiáng)度，t為介質(zhì)磁層厚度)。確保足夠高的SNR，除降低Mr和t外，還要求足夠數(shù)量的N，這就要求減小晶粒尺寸。而根據(jù)磁記錄理論，晶粒尺寸小到一定程度，就會(huì)出現(xiàn)超順磁現(xiàn)象(分子熱運(yùn)動(dòng)干擾增強(qiáng)，改變集合體的磁矩取向，導(dǎo)致信息丟失)。因此對(duì)磁記錄介質(zhì)而言，存在著一定的超順磁極限(或記錄密度極限)。根據(jù)Arrhenius。Neel定律，晶粒的熱衰減時(shí)間為： T=10．9exp(KuV／KT)。
式中Ku和v分別為晶粒的單軸各向異性常數(shù)和晶粒的體積，K為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度。KuV／KT稱之為能壘或穩(wěn)定性常數(shù)。為了保證介質(zhì)中晶粒磁化狀態(tài)的穩(wěn)定性，一般地T>>1 09S。若取室溫T=300K，介質(zhì)的磁各向異性常數(shù)為105J／m3，得到最小晶粒尺寸D約等于10nm，記錄位的最小尺寸約100nm，記錄密度上限約65Gb／in2。
2．2提高記錄密度，需設(shè)法減小退磁場(chǎng)。根據(jù)磁性過渡理論，在相鄰兩反向磁化疇的界面會(huì)形成一定的磁化分布，這種分布會(huì)使過渡區(qū)內(nèi)的介質(zhì)退磁，即產(chǎn)生退磁場(chǎng)。記錄密度越高，記錄波長(zhǎng)越短，記錄位的退磁場(chǎng)越強(qiáng)，記錄信號(hào)越不穩(wěn)定。退磁場(chǎng)公式為Hd∝Mrt／Hc(Mrt為面磁矩，Mr為介質(zhì)剩余磁化強(qiáng)度，t為介質(zhì)磁層厚度，Hc為介質(zhì)的矯頑力)。所以減小退磁場(chǎng)依賴于降低剩磁，減小膜厚和增大矯頑力。
綜上所述，高密度縱向磁記錄介質(zhì)的設(shè)計(jì)必須兼顧退磁場(chǎng)，信噪比和穩(wěn)定性等諸多方面的因素。
三、高密度磁記錄的進(jìn)展
3．1垂直記錄技術(shù)其采用單極型SPT(Single Pole TypeHead)磁頭方式進(jìn)行記錄。隨著記錄密度的增加，對(duì)介質(zhì)的矯頑力提出更高的要求。對(duì)應(yīng)Tb／in2級(jí)記錄，矯頑力大于796KA／m(10KOe)，進(jìn)而對(duì)記錄磁頭的寫磁場(chǎng)提出更高的要求。近年來對(duì)垂直記錄磁頭的研究主要集中在：①磁軛結(jié)構(gòu)的開發(fā)。H．Muraoka等提出一種極尖驅(qū)動(dòng)型單極磁頭。該磁頭記錄磁場(chǎng)強(qiáng)，寫性能高，電感低，適用于高矯頑力介質(zhì)。在此基礎(chǔ)上K．Ise等又開發(fā)出CF-SPT(Cusp Field Single Pole Type Head)型單極磁頭。這種磁頭效率高，靈敏度高(靈敏度是傳統(tǒng)單極型磁頭的3倍)，而且具有很強(qiáng)的抗外部雜散磁場(chǎng)干擾能力，容易制造，容易與MR型讀出磁頭組合。② 高性能主極材料。Fe基主極材料與軟磁底層結(jié)合可實(shí)現(xiàn)高記錄場(chǎng)。采用雙層結(jié)構(gòu)的高Bs主極可顯著改善重寫性能，抑制非線形翻轉(zhuǎn)漂移。在垂直磁記錄中，同樣使用的是現(xiàn)有的巨磁電阻磁頭讀出。對(duì)于相同剩磁的介質(zhì)，如果膜厚增加3倍，記錄位縮小x3倍，GMR也能有效的檢測(cè)到。
3．2反鐵磁耦合介質(zhì)AFC(Anti Ferromagneticallycoupled media)由二層(或多層)被非磁耦合層相隔離的磁性層構(gòu)成的。上磁性層為主記錄層(ML)，下磁性層為穩(wěn)定層(SL)，它的優(yōu)勢(shì)是：在沒有降低主磁層厚度、降低磁化強(qiáng)度的條件下，減小復(fù)合介質(zhì)的總面磁矩，進(jìn)而降低了退磁場(chǎng)，增加了記錄信息的穩(wěn)定性，提高了介質(zhì)的信噪比。這種結(jié)構(gòu)還增加了復(fù)合系統(tǒng)的有效體積。它的多層結(jié)構(gòu)(AFM )，含有多層穩(wěn)定層和間隙層。通過調(diào)整間隙層、穩(wěn)定層的厚度等參數(shù)，增加耦合強(qiáng)度，最大可能減小面磁矩，增加有效厚度和體積，從而提高介質(zhì)的熱穩(wěn)定性。目前IBM公司已在其Travelstar等多款硬磁盤中使用AFC介質(zhì)。
3.3熱輔助磁性記錄HAMR(Heat Assisted MagneticRecording)技術(shù)的居里點(diǎn)記錄技術(shù)。其原理是所有磁性材料都有一個(gè)居里點(diǎn)溫度，當(dāng)磁性材料被加熱到該溫度時(shí)，材料的矯頑力趨于零。介質(zhì)矯頑力的大小、記錄的難易、信號(hào)的穩(wěn)定性三者的關(guān)系是：矯頑力較低時(shí)，容易記錄，但記錄信號(hào)不穩(wěn)定；矯頑力較高時(shí)，記錄信號(hào)穩(wěn)定，但很難記錄，對(duì)磁頭強(qiáng)度要求非常高。鑒于此，提出熱輔助記錄技術(shù)。即在高矯頑力介質(zhì)(如鐵鉑合金)的記錄過程中，采用激光照射等手段將照射區(qū)域中的溫度瞬間加熱至居里點(diǎn)溫度附近，此時(shí)介質(zhì)的矯頑力下降，用傳統(tǒng)的普通磁頭即可記錄信息。記錄完畢后，隨著記錄區(qū)域冷卻，介質(zhì)又恢復(fù)到原來的高矯頑力狀態(tài)，記錄相當(dāng)穩(wěn)定。采用這種方法，克服了高矯頑力介質(zhì)難于記錄的困難，同時(shí)提高了信息位的熱穩(wěn)定性，進(jìn)而升級(jí)面記錄密度。Seagate公司擬將此技術(shù)應(yīng)用到硬盤驅(qū)動(dòng)器中，估計(jì)比現(xiàn)行的面密度提高約2個(gè)數(shù)量級(jí)。
3．4圖案化磁信息存儲(chǔ)介質(zhì)該技術(shù)為克服超順磁極限、提高磁記錄介質(zhì)記錄密度的一種有效途徑。在這種技術(shù)中，介質(zhì)是由非磁母體隔離的納米級(jí)島狀單疇磁性斑點(diǎn)陣列組成，每位信息存儲(chǔ)在一個(gè)單疇磁斑上，即存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的信息位恰如彼此相互獨(dú)立的“點(diǎn)” ，這樣就減少了相互間的干擾和數(shù)據(jù)信息位損壞的危險(xiǎn)，大大提高了記錄信息的溫度穩(wěn)定性。近年來隨著納米制造技術(shù)的發(fā)展，提出了多種制備圖案化介質(zhì)的方法，如光刻法(Lithography)，聚焦離子束法(Focused Ion Beam）等。這種技術(shù)的實(shí)施，可望將磁信息存儲(chǔ)密度提高到1Tb／in2以上，但目前還有一些問題需要解決。
磁記錄技術(shù)從1898年誕生，已經(jīng)跨越了一個(gè)多世紀(jì)。隨著各方面技術(shù)的不斷發(fā)展，到目前為止，使用熱輔助磁記錄技術(shù)的硬盤磁頭產(chǎn)品，最高可支持每平方英寸2．5Tb的存儲(chǔ)密度。東芝公司宣布已經(jīng)在圖案化介質(zhì)技術(shù)獲得了突破，不久將實(shí)現(xiàn)每平方英寸5Tb的存儲(chǔ)密度，磁記錄技術(shù)迄今依然是最重要的記錄技術(shù)。
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