什么是超顺磁效应
2014-03-03 14:45:36 作者:sales10 来源: 浏览次数:0 文字大小:【】【】【

超顺磁效应


  英文名称  超顺磁效应∶super-paramagnetic effect

  超顺磁效应概述 

  磁性材料的磁性随温度的变化而变化,当温度低于居里点时,材料的磁性很难被改变;而当温度高于居里点时,材料将变成“顺磁体” (paramagnetic),其磁性很容易随周围的磁场改变而改变。如果温度进一步提高,或者磁性颗粒的粒度很小时,即便在常温下,磁体的极性也呈现出随意性,难以保持稳定的磁性能,这种现象被就是所谓超顺磁效应(SuperparaMagnetic Effect)。

  自1956年IBM推出RAMAC以来,硬盘的存储密度从当初200bits/in2提升到现在的100Gbits/in2,整整提高了5千万倍!但是,由于存储位变得越来越小,会出现超顺磁性效应,热扰动会降低信号强度,甚至导致存储失效。

  硬盘发展无法避开超顺磁效应 

  硬盘盘片是通过在盘基上涂覆一层磁性材料制成的,常用的磁性材料为钴铂铬硼(CoPtCrB)合金。磁性材料的颗粒大小直接影响盘片的磁记录密度,因为磁盘上表示信息的小磁极是由数百个磁性颗粒组成,磁记录密度越高,要求磁性材料的粒度越细。硬盘的磁记录密度为20Gbpsi(每个盘片约为30GB)时,磁性颗粒的直径为13nm,磁性涂层的厚度为17nm左右。要实现100Gbpsi的磁记录密度,就必须把粒径和涂层厚度分别缩小到9.5nm和 10nm。

  随着磁性颗粒的缩小,表示数据的小磁极会变得越来越不稳定。引起不稳定的原因在于热能,磁性颗粒必须拥有足够的磁能才能抗拒颗粒所具有的热能的干扰。热能为玻耳兹曼常数与温度的乘积,热能随温度升高而增强;而磁能的大小取决于磁力大小和粒子体积,由于已经使用磁性最强的材料,没有进一步增强磁力的空间了,因此磁性颗粒的磁能将随粒度的缩小而降低。如果继续降低磁性颗粒的体积,以至于磁能低于热能,硬盘本身的温度甚至室温就可以让磁性颗粒的极性从有序变成无序,导致小磁极的整体极性消失,如图1(a)。这种现象被称为“热搅动(Thermal Fluctuation)”,热搅动现象将导致数据的永久性丢失。所以说,为提高硬盘存储密度而缩小磁性颗粒的粒度做法是有限度的。

  另一方面,磁盘表面用于表示数据的每个小磁极是由许多磁性颗粒构成的,相邻的两个磁磁极之间在盘面上呈现犬牙交错的形态从而造成小磁极边缘的磁通相互抵消,这就是所谓的“磁转变噪音(Magnetic Transition Noise)”。磁转变噪音减小了磁极的磁场强度,这对读取信息构成一定的负面影响。如果磁极没有足够的长度,磁头将很难读取磁盘信息。为了缩短小磁极的长度,同时又要避免这种噪音的影响,只有通过缩小磁性颗粒的直径,以使磁极的边缘看上去相当“平齐”而非“犬牙交错”。为了实现100Gbpsi的记录密度就必须制作出10nm以下的结晶。

  综合以上两种情况,磁盘上的磁性颗粒既不能太大,也不能太小。太大会因为磁转变噪音而降低磁通量,给读盘带来困难;而太小又容易发生热搅动,导致记录信息的彻底消失。提高存储密度的工作陷入了两难困境,如果没有相应对策,硬盘容量增长的旅程将就此止步。

  反铁磁耦合,锁定存储位  

  为克服超顺磁效应的障碍,研究人员找到了一些办法,其中最具代表性的技术是IBM的AFC。(Anti Ferro_ magnetically Coupled,反铁磁耦合)和富士通的SFM(Synthetic Ferro Media,合成铁介质),它们虽然名称不同,原理则基本相同,都是通过使用多层磁体结构来稳定磁记录信息的技术。下面简单介绍一下AFC技术的实现原理。普通磁盘的磁性涂层只有一层,而使用AFC技术,将磁性材料制成多层结构,除记录层以外,再使用稳定层,并且在记录层和稳定层之间增加一个钌层(Ru layer)。钌(Ru)元素属铂族金属,为稀有金属,价格十分昂贵,正因为如此,IBM才称它为“仙尘”(Pixie Dust),AFC也因此成为一个价格高昂的技术。钌元素具有反铁磁性,它能使相邻两层之间的磁场方向相反。当写磁盘时,磁头所产生的磁场不仅可以在最上层产生小磁极,由于钌层的存在,写电流所产生的磁场还穿过钌层使稳定层磁化,并使稳定层与记录层磁体极性相反。稳定层与记录层之间因磁场反向,异性相吸而相互锁定,从而实现记录层磁场的稳定。传统介质出现超磁现象的线密度为200Gbpsi,而使用AFC介质后出现超磁现象的线可以提高到达800Gbpsi。因此,AFC介质的出现再次将磁存储密度的极限向后推移。

  垂直记录技术,以厚度对抗超顺磁效应  

  AFC技术实际上是一种变相增加磁层厚度的办法——每一个磁层的厚度虽然比较小,但总的磁层厚度却增加了。垂直记录技术从本质上来说与AFC相似,它在提高磁记录密度的同时,通过增加磁性材料的厚度来维持磁记录单元的体积。第一款垂直记录硬盘——东芝 MK4007GAL/MK8007GAH的磁录密度为133Gbits/sq.in,业界保守估计,预计记录密度提高到600Gb/sq.in左右时,垂直记录技术将遭遇存储密度的极限。根据过去的经验,未来几年内材料科学的发展,超越1Tb/sq.in也是完全有可能的。

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