1、第四章第四章 磁記錄材料磁記錄材料*21世紀是世紀是 “信息世紀信息世紀”，大容量存儲技術在信息處理、傳，大容量存儲技術在信息處理、傳遞和保存中占據相當重要的地位。遞和保存中占據相當重要的地位。*磁記錄技術在信息存儲領域具有獨特的地位，它的發展已磁記錄技術在信息存儲領域具有獨特的地位，它的發展已經有經有100多年歷史。多年歷史。*磁記錄設備：磁帶、軟盤、硬盤磁記錄設備：磁帶、軟盤、硬盤 特點：價格低廉，性能優良，記錄密度逐年提高，特點：價格低廉，性能優良，記錄密度逐年提高，信息寫入和輸出速度快，容量大，可擦除重寫信息寫入和輸出速度快，容量大，可擦除重寫實例：磁帶錄音機、錄像機、銀行卡、圖書卡、

2、門卡、實例：磁帶錄音機、錄像機、銀行卡、圖書卡、門卡、計計算機算機*光記錄的特點：非接觸式記錄，存儲密度高、容量大，性光記錄的特點：非接觸式記錄，存儲密度高、容量大，性價比高價比高缺點：缺點：信息的讀寫需要精密跟蹤伺服的光學頭，光盤驅動信息的讀寫需要精密跟蹤伺服的光學頭，光盤驅動器價格較貴，數據傳輸速度慢器價格較貴，數據傳輸速度慢*固態存儲器的特點：沒有固態存儲器的特點：沒有運動部件，可靠性高，可以高速運動部件，可靠性高，可以高速隨機存儲，隨機存儲，不需電池供電，數據為不揮發性不需電池供電，數據為不揮發性缺點：存儲量較小，價格高缺點：存儲量較小，價格高*20世紀世紀80年代出現的其它存儲設備：

3、光盤、固態存儲器年代出現的其它存儲設備：光盤、固態存儲器（如（如U盤等）盤等）4.1 磁記錄概述磁記錄概述*磁記錄的功能是將一切能轉變為電信號的信息磁記錄的功能是將一切能轉變為電信號的信息(如聲音、如聲音、圖像、數據和文字等圖像、數據和文字等)，通過電磁轉換記錄和存儲在磁記錄，通過電磁轉換記錄和存儲在磁記錄介質上，并且該信息可以隨時重放。介質上，并且該信息可以隨時重放。*根據記錄信息的形態，磁記錄可分為：根據記錄信息的形態，磁記錄可分為：模擬式磁記錄、數模擬式磁記錄、數字式磁記錄字式磁記錄*根據磁化強度與記錄介質的取向，數字式磁記錄可分為：根據磁化強度與記錄介質的取向，數字式磁記錄可分為：水平

4、磁化模式、水平磁化模式、垂直磁化模式垂直磁化模式4.1.1 磁記錄的基本過程磁記錄的基本過程*由介質上的記錄磁跡所構成的磁化強度的空間變化代表記由介質上的記錄磁跡所構成的磁化強度的空間變化代表記錄信號的時間變化規律錄信號的時間變化規律4.1.2 模擬式磁記錄模擬式磁記錄定義：定義：將聲音振動的大小、圖像的明暗等原樣地轉變為磁將聲音振動的大小、圖像的明暗等原樣地轉變為磁化的強弱，記錄在記錄介質表面上的方式化的強弱，記錄在記錄介質表面上的方式分類：分類：無調制記錄（直接記錄）、調制記錄無調制記錄（直接記錄）、調制記錄無調制記錄：無偏磁記錄、直流偏磁記錄、無調制記錄：無偏磁記錄、直流偏磁記錄、交流偏

5、磁記錄交流偏磁記錄*偏磁信號本身并不反映在磁介質的記錄信號上偏磁信號本身并不反映在磁介質的記錄信號上 直接記錄直接記錄調制記錄：調幅記錄、調頻記錄調制記錄：調幅記錄、調頻記錄*載波信號反映在磁介質的記錄信號上載波信號反映在磁介質的記錄信號上一、偏磁記錄一、偏磁記錄1、直流偏磁記錄、直流偏磁記錄*優點：優點：較好的線性關系和較好的線性關系和較高的記錄靈敏度較高的記錄靈敏度*缺點：缺點：當沒有信號時，存當沒有信號時，存在直流背底噪聲；在直流背底噪聲；信號的動態變化范信號的動態變化范圍只能在線性部分圍只能在線性部分2、交流偏磁記錄、交流偏磁記錄*特點：特點：存在交流消磁，不存在交流消磁，不導致背底噪

6、聲；很導致背底噪聲；很好的線性特性；信好的線性特性；信號失真度小，信噪號失真度小，信噪比高。比高。二、調制記錄二、調制記錄*調制的原因：輸入信號隨時間的變化范圍很寬，有些是超調制的原因：輸入信號隨時間的變化范圍很寬，有些是超低頻信號，有些是瞬態式的信號，動態范圍很寬。低頻信號，有些是瞬態式的信號，動態范圍很寬。*調制：調制：用低頻信號去控制高頻振蕩，使其具有低頻信號特用低頻信號去控制高頻振蕩，使其具有低頻信號特征的過程稱為調制。征的過程稱為調制。*調幅：以調制信號去控制載波的振幅，使載波的振幅按調調幅：以調制信號去控制載波的振幅，使載波的振幅按調制信號的規律變化。包絡線反映了調制波的特點。制信

7、號的規律變化。包絡線反映了調制波的特點。*調頻：以調制信號去控制載波的頻率，使載波的頻率按調調頻：以調制信號去控制載波的頻率，使載波的頻率按調制信號的規律變化。特點：其頻率隨調制信號振幅的變化而制信號的規律變化。特點：其頻率隨調制信號振幅的變化而變化，而它的幅度卻始終保持不變。變化，而它的幅度卻始終保持不變。4.1.3 數字式磁記錄數字式磁記錄*根據磁化強度與記錄介質的取向，數字式磁記錄可分為水根據磁化強度與記錄介質的取向，數字式磁記錄可分為水平磁化模式和垂直磁化模式兩類。平磁化模式和垂直磁化模式兩類。一、水平磁記錄一、水平磁記錄*通常采用環通常采用環形磁頭與具形磁頭與具有縱向磁各有縱向磁各向

8、異性的記向異性的記錄介質相組錄介質相組合的形式，合的形式，記錄介質中記錄介質中的剩磁方向的剩磁方向平行于介質平行于介質平面。平面。*水平磁記錄的位密度越來越大地受到退磁場引起過渡區展水平磁記錄的位密度越來越大地受到退磁場引起過渡區展寬限制的影響。展寬決定于寬限制的影響。展寬決定于CrHM/*限制：過小的晶粒尺寸難以長久地保持磁記錄的信號，而限制：過小的晶粒尺寸難以長久地保持磁記錄的信號，而過高的矯頑力勢必使磁頭難以寫入。過高的矯頑力勢必使磁頭難以寫入。二、垂直磁記錄二、垂直磁記錄*隨著記錄面密度的提高，微小磁化單元產生的退磁場越來越隨著記錄面密度的提高，微小磁化單元產生的退磁場越來越小。因此相

9、比水平磁記錄，垂直磁記錄大幅度地提高了記錄小。因此相比水平磁記錄，垂直磁記錄大幅度地提高了記錄密度。密度。*要實現垂直磁記錄，記錄介質應具有很強的垂直磁各向異性要實現垂直磁記錄，記錄介質應具有很強的垂直磁各向異性4.2 磁頭及磁頭材料磁頭及磁頭材料*定義：實現電信號和磁信號之間相互轉換的電磁能量定義：實現電信號和磁信號之間相互轉換的電磁能量轉換器件。轉換器件。*體型磁頭體型磁頭 薄膜磁頭薄膜磁頭 磁電阻磁頭磁電阻磁頭4.2.1 磁頭的種類磁頭的種類*體型磁頭的磁芯材料：體型磁頭的磁芯材料：Fe-Ni合金為基礎的軟磁合金；合金為基礎的軟磁合金；Mn-Zn鐵氧體和鐵氧體和Ni-Zn鐵氧體；鐵氧體；

10、MIG磁頭磁頭(metal in gap)*薄膜磁頭的優點：工作縫隙小、磁場分布陡和磁跡寬薄膜磁頭的優點：工作縫隙小、磁場分布陡和磁跡寬度窄，故可提高記錄速度和讀出分辨率。度窄，故可提高記錄速度和讀出分辨率。*體型磁頭和體型磁頭和薄膜磁頭都是利用電磁感應原理進行記錄薄膜磁頭都是利用電磁感應原理進行記錄和再生。都有如下要求：和再生。都有如下要求：1、高磁導率；、高磁導率；2、高飽和磁化強度；、高飽和磁化強度；3、低矯頑力及低、低矯頑力及低各向異性；各向異性；4、高電阻率；、高電阻率；5、小型、輕量，耐磨性強；、小型、輕量，耐磨性強；6、加工性好。、加工性好。*磁電阻磁頭：利用各向異性磁電阻效應，

11、為讀操作磁頭磁電阻磁頭：利用各向異性磁電阻效應，為讀操作磁頭4.2.2 磁頭材料磁頭材料一、合金磁頭材料一、合金磁頭材料*常用材料：含鉬坡莫合金、仙臺斯特合金常用材料：含鉬坡莫合金、仙臺斯特合金*合金合金磁頭材料的優點：高磁導率、高飽和磁化強度、磁頭材料的優點：高磁導率、高飽和磁化強度、矯頑力低等。矯頑力低等。缺點：渦流損耗大缺點：渦流損耗大二、鐵氧體磁頭材料二、鐵氧體磁頭材料*常用材料：常用材料：Ni-Zn、Mn-Zn*優點：損耗低，材質硬，抗腐蝕性比金屬好。優點：損耗低，材質硬，抗腐蝕性比金屬好。*缺點：飽和磁化強度低缺點：飽和磁化強度低 在提高記錄密度上存在困難在提高記錄密度上存在困難三

12、、非晶態磁頭材料三、非晶態磁頭材料*特點：飽和磁化強度高，矯頑力低，高頻特性較好，特點：飽和磁化強度高，矯頑力低，高頻特性較好，耐磨性耐腐蝕性好。耐磨性耐腐蝕性好。*常用材料：常用材料：Co-(Zr, Hf, Nb, Ta, Ti)二元系合金薄膜，二元系合金薄膜，Co-Fe-B類金屬非晶態薄膜。類金屬非晶態薄膜。四、微晶薄膜磁頭材料四、微晶薄膜磁頭材料*特點：有更大的飽和磁化強度，比非晶材料更適合高特點：有更大的飽和磁化強度，比非晶材料更適合高矯頑力磁性介質的高密度特性。矯頑力磁性介質的高密度特性。*常用材料：常用材料：Fe-M(V，Nb，Ta，Hf等等)-X(N，C，B)五、多層膜磁頭材料五

13、、多層膜磁頭材料*特點：與微晶薄膜相比，多層薄膜進一步抑制了晶粒特點：與微晶薄膜相比，多層薄膜進一步抑制了晶粒的生長，實現了低磁致伸縮的生長，實現了低磁致伸縮 BS高，高，HC低低缺點：耐熱性差缺點：耐熱性差*目前典型的多層膜材料：目前典型的多層膜材料：Fe-C/Ni-Fe 用于垂直磁記錄磁頭；用于垂直磁記錄磁頭；Fe-Al-N/Si-N 用于垂直磁記錄磁頭；用于垂直磁記錄磁頭；Fe-Nb-Zr/Fe-Nb-Zr-N 用于硬盤磁頭；用于硬盤磁頭；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 用于廣播用數字式用于廣播用數字式VTR。六、磁電阻磁頭材料六、磁電阻磁頭材料*坡莫合金是沿用至今的坡莫合金是沿

14、用至今的MR磁頭用磁性材料。磁頭用磁性材料。原因：磁各向異性小。原因：磁各向異性小。4.3 磁記錄介質及介質材料磁記錄介質及介質材料*分類分類(據磁性記錄層據磁性記錄層)：顆粒狀涂布介質和薄膜型磁記錄介質顆粒狀涂布介質和薄膜型磁記錄介質*基本要求：具有高的記錄密度基本要求：具有高的記錄密度()、高出力、高出力()、高可靠性、高可靠性()以及低噪聲以及低噪聲()4.3.1 磁記錄介質應具備的特性磁記錄介質應具備的特性飽和磁感應強度飽和磁感應強度(Bs)大；大； 矩形比矩形比(BrBS)要大；要大；矯頑力矯頑力(HC)在允許的范圍內應盡可能大；不能太大，太大在允許的范圍內應盡可能大；不能太大，太大

15、則寫入與擦除不易；則寫入與擦除不易；*記錄介質應具備的條件：記錄介質應具備的條件：作為最小記錄單位的微小永磁體應盡可能小，且大小及分作為最小記錄單位的微小永磁體應盡可能小，且大小及分布均勻；布均勻； 磁學性能分布均勻，隨機偏差小；磁學性能分布均勻，隨機偏差小；表面平滑，耐磨損、耐環境性能優良；表面平滑，耐磨損、耐環境性能優良；磁學特性對于加壓、加熱等反應不敏感；磁學特性對于加壓、加熱等反應不敏感；化學的、機械的耐久性優良；化學的、機械的耐久性優良； 不容易導電。不容易導電。*記錄介質的磁性層的厚度是影響記錄密度的因素之一，記錄介質的磁性層的厚度是影響記錄密度的因素之一，實際上膜厚度可取記錄信息

16、波長的實際上膜厚度可取記錄信息波長的1/4。4.3.2 顆粒狀涂布介質顆粒狀涂布介質一、對顆粒介質的要求一、對顆粒介質的要求*要求顆粒是單疇的（要求顆粒是單疇的（0.041 m），太大易受外界磁場），太大易受外界磁場的干擾，太小易受晶格熱振動影響形成超順磁。的干擾，太小易受晶格熱振動影響形成超順磁。*顆粒的形狀以針狀為最佳顆粒的形狀以針狀為最佳 矯頑力大。矯頑力大。*信噪比與信噪比與N1/2成正比，成正比，N為單位體積內磁性顆粒數，但為單位體積內磁性顆粒數，但顆粒數太多會使磁化狀態不穩定。顆粒數太多會使磁化狀態不穩定。*居里溫度必須比記錄介質所處的環境溫度要高。居里溫度必須比記錄介質所處的環境

17、溫度要高。二、顆粒狀涂布介質結構二、顆粒狀涂布介質結構*涂布工序在磁場下完成，盡可能保證顆粒的長軸方向涂布工序在磁場下完成，盡可能保證顆粒的長軸方向沿著記錄道方向取向排列沿著記錄道方向取向排列 。*硬盤：硬盤：12mm厚的鋁合金盤基；軟盤：厚的鋁合金盤基；軟盤：PET盤基盤基*理想的粘結劑：由疏水基和親水基構成，親水基吸附理想的粘結劑：由疏水基和親水基構成，親水基吸附于微粒上起錨連作用，疏水基在其外側構成鏈狀殼層。于微粒上起錨連作用，疏水基在其外側構成鏈狀殼層。三、磁性粉三、磁性粉1、 -Fe2O3*德國于德國于1934年發明。年發明。優點：易于制造和分散，價格便宜，對溫度、應力和時優點：易于

18、制造和分散，價格便宜，對溫度、應力和時間穩定性好。間穩定性好。 缺點：矯頑力不高（缺點：矯頑力不高（2032KA/m）2、包覆、包覆Co的的 -Fe2O3* -Fe2O3表面表面包覆包覆Co的鐵氧體。的鐵氧體。矯頑力：矯頑力：5570KA/m3、CrO2*優點：飽和磁化強度與優點：飽和磁化強度與 -Fe2O3相當，但矯頑力明顯高相當，但矯頑力明顯高于后者，可達于后者，可達3550KA/m。缺點：價格昂貴，缺點：價格昂貴，6價鉻離子有毒。價鉻離子有毒。4、金屬磁粉金屬磁粉*優點：比氧化物更高的磁化強度和矯頑力。優點：比氧化物更高的磁化強度和矯頑力。*缺點：化學性質活潑，易腐蝕，易與粘結劑發生反應

19、。缺點：化學性質活潑，易腐蝕，易與粘結劑發生反應。5、氮化鐵氮化鐵*Fe4N：居里溫度為：居里溫度為500度，矯頑力約為度，矯頑力約為51KA/m。6、鋇鐵氧體鋇鐵氧體*很高矯頑力，很高矯頑力，100900KA/m，添加，添加Co和和Ti等可對其進等可對其進行調節；飽和磁化強度與行調節；飽和磁化強度與 -Fe2O3相當；單軸磁晶各向相當；單軸磁晶各向異性非常強，特別適用于作高密度的垂直磁記錄。異性非常強，特別適用于作高密度的垂直磁記錄。四、顆粒狀介質的優缺點四、顆粒狀介質的優缺點*優點：優點：1、磁性能和非磁性能可以獨立地進行改造和控制。、磁性能和非磁性能可以獨立地進行改造和控制。2、生產速度

20、快，產量高，成本低。、生產速度快，產量高，成本低。3、顆粒選擇范圍寬，只是受到磁頭材料的限制。、顆粒選擇范圍寬，只是受到磁頭材料的限制。*缺點：缺點：1、磁帶和軟盤中磁性顆粒的體積比為、磁帶和軟盤中磁性顆粒的體積比為40%，硬盤中僅，硬盤中僅為為20%，這使得涂層的磁性能和記錄性能變差。，這使得涂層的磁性能和記錄性能變差。2、軟盤和磁帶涂布介質的厚度很難小于、軟盤和磁帶涂布介質的厚度很難小于1 m，硬盤很，硬盤很難小于難小于0.25 m。3、存在顆粒結塊，分散性難控制，很難獲得具有理想、存在顆粒結塊，分散性難控制，很難獲得具有理想記錄特性的顆粒。記錄特性的顆粒。4、磁場對顆粒進行定向或打亂定向

21、不是很有效。、磁場對顆粒進行定向或打亂定向不是很有效。4.3.3 薄膜介質薄膜介質*薄薄膜介質膜介質包包含含100的磁性材料，因此使用薄膜介質的磁性材料，因此使用薄膜介質比使用顆粒狀介質能得到更高的輸出幅度。比使用顆粒狀介質能得到更高的輸出幅度。*剩余磁化強度不是材料本身的固有特性，而強烈地依剩余磁化強度不是材料本身的固有特性，而強烈地依賴于微結構、薄膜厚度、薄膜沉積的表面特賴于微結構、薄膜厚度、薄膜沉積的表面特性性以及沉以及沉積的積的工工藝條件。藝條件。矯矯頑力也不是材料的頑力也不是材料的固有固有屬性，它與屬性，它與薄膜內的磁各向異性有關。薄膜內的磁各向異性有關。*基底基底：基底要有很好的拋

22、光基底要有很好的拋光，因為，因為磁頭磁頭介質介質間間距距的的變化，變化，表現為信號幅度的調制或信號下降，甚至丟失脈沖表現為信號幅度的調制或信號下降，甚至丟失脈沖；基板基板的硬度很重要。的硬度很重要。*附加層附加層：一般使用一般使用Ni-P化學鍍層，厚度范圍為化學鍍層，厚度范圍為1525 m，它是非它是非晶態晶態和和非磁性的非磁性的，目的是提高硬度和減少缺陷，目的是提高硬度和減少缺陷。*磁性層磁性層：大部分實用的磁性薄膜是大部分實用的磁性薄膜是Co基金屬合金基金屬合金，制備制備方法有化學沉積方法有化學沉積(電鍍、化學鍍電鍍、化學鍍)和物理沉積和物理沉積(真空蒸鍍、直真空蒸鍍、直流或射頻濺射、離子鍍等流或射頻濺射、離子鍍等)兩種兩種。*保護層保護層：保護層保護層應該是應該是比較比較硬硬的、化學性質不活潑的、的、化學性質不活潑的、能與磁性層很好粘結能與磁性層很好粘結但但與磁頭不粘與磁頭不粘結結的材料，同時應的材料，同時應有有高高的抗張強度，并的抗張強度，并且