第6章磁记录材料
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(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
人类毛发的直径 1 微米
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
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磁记录材料
磁记录材料
磁记录材料
磁记录材料
*20世纪80年代出现的其它存储设备：光盘、固态存储器 （如U盘等） *光记录的特点：非接触式记录，存储密度高、容量大，性 价比高 缺点：信息的读写需要精密跟踪伺服的光学头，光盘驱动 器价格较贵，数据传输速度慢
*固态存储器的特点：没有运动部件，可靠性高，可以高速 随机存储，不需电池供电，数据为不挥发性 缺点：存储量较小，价格高
*常用材料：Fe-M(V，Nb，Ta，Hf等)-X(N，C，B)
6.2 磁头及磁头材料
五、多层膜磁头材料 *特点：与微晶薄膜相比，多层薄膜进一步抑制了晶粒 的生长，实现了低磁致伸缩 BS高，HC低 缺点：耐热性差
6.2 磁头及磁头材料
2 磁头材料 一、合金磁头材料 *常用材料：含钼坡莫合金、仙台斯特合金 *合金磁头材料的优点：高磁导率、高饱和磁化强度、 矫顽力低等。 缺点：涡流损耗大
二、铁氧体磁头材料 *常用材料：Ni-Zn、Mn-Zn *优点：损耗低，材质硬，抗腐蚀性比金属好。 *缺点：饱和磁化强度低 在提高记录密度上存在困难
*调频：以调制信号去控制载波的频率，使载波的频率按调 制信号的规律变化。特点：其频率随调制信号振幅的变化而 变化，而它的幅度却始终保持不变。
6.1 磁记录材料概述
6.1 磁记录材料概述
3 数字式磁记录
*根据磁化强度与记录介质的取向，数字式磁记录可分为水 平磁化模式和垂直磁化模式两类。
6.1 磁记录材料概述
磁记录材料
磁记录材料
定义：被外加磁场磁化以后，除去外磁场，仍能保留 较强磁性的一类材料。 *基本要求： （1）Br要高；（2）Hc要高；（3）(BH)max要高； （4）材料稳定性要高。 *种类：
（1）金属永磁材料：Al-Ni-Co系和Fe-Cr-Co系永磁合金； （2）铁氧体永磁材料：以Fe2O3为主要组元的复合氧化物强磁 材料；特点：电阻率高，适合高频和微波领域应用； （3）稀土永磁材料：以稀土族元素和铁族元素为主要成分的合 金间化合物，包括SmCo5系、Sm2Co17系以及Nd-Fe-B系。 特点：磁能积高，应用领域广泛。
复合材料第六章功能复合材料
材料在复合后所得的复合材料，依据其 产生复合效应的特征，可分为两大类：
一类复合效应为线性效应； 另一类则为非线性效应。 在这两类复合效应中，又可以显示出不 同的特征。
7
下表列出了不同复合效应的类别。
不同复合效应的类别
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
30
2、功能复合材料的设计
复合材料的最大特点在于它的可设计性。
因此，在给定的性能要求、使用环境及 经济条件限制的前提下，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
31
例如，利用线性效应的混合法则，通过 合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数 为零或接近于零的构件。
又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光 性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光 的复合材料。
EcEmVmEfVf
10
平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各 组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
11
对于增强体（如纤维）与基体界 面结合很弱的复合材料，所显示的复 合效应，可以看作是平行效应。
12
相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性 能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
55
音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
磁记录再生的原理示意图
56
由麦克风及摄像机将声音及光变成电 信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在 磁记录介质上。
读出时，与记录过程相反，使声音和 图像再生。
57
理想的磁记录介质要尽可能地高密度， 能长期保存记录，再生时尽可能高输出。
一类复合效应为线性效应； 另一类则为非线性效应。 在这两类复合效应中，又可以显示出不 同的特征。
7
下表列出了不同复合效应的类别。
不同复合效应的类别
线性效应 平均效应 平行效应 相补效应 相抵效应
复合效应 非线性效应 相乘效应 诱导效应 共振效应 系统效应
30
2、功能复合材料的设计
复合材料的最大特点在于它的可设计性。
因此，在给定的性能要求、使用环境及 经济条件限制的前提下，从材料的选择途径 和工艺结构途径上进行设计。
31
例如，利用线性效应的混合法则，通过 合理铺设可以设计出某一温度区间膨胀系数 为零或接近于零的构件。
又如XY平面是压电，XZ平面呈电致发光 性，通过铺层设计可以得到YZ平面压致发光 的复合材料。
EcEmVmEfVf
10
平行效应
显示这一效应的复合材料，它的各 组分材料在复合材料中，均保留本身 的作用，既无制约，也无补偿。
11
对于增强体（如纤维）与基体界 面结合很弱的复合材料，所显示的复 合效应，可以看作是平行效应。
12
相补效应
组成复合材料的基体与增强体，在性 能上相互补充，从而提高了综合性能，则 显示出相补效应。
55
音光
电气 信号
磁性 信号
磁头
作为磁 性保留
记录材料
磁记录再生的原理示意图
56
由麦克风及摄像机将声音及光变成电 信号，再由磁头变成磁信号，从而固定在 磁记录介质上。
读出时，与记录过程相反，使声音和 图像再生。
57
理想的磁记录介质要尽可能地高密度， 能长期保存记录，再生时尽可能高输出。
磁记录
读 /写 磁 头
盘片
磁 盘 控 制 器
CPU
2
读写缝隙 磁盘面 磁通 磁铁芯
读写电流
磁盘读/写原理示意图
3
1.写入数据原理：
——将二进制信息经过写入电路转换成一个个脉冲， 并产生电流输入到线圈中，在磁头铁芯中产生磁通，磁通 通过缝隙形成闭合的磁场。当磁介质紧贴磁头表面作匀速 运动时，磁头缝隙处的磁介质被局部磁化。
利用磁化方向的“翻转”与否来记录数据。即当电流 方向改变时，磁通方向也会改变，从而使介质局部记录了 与原来磁场方向相反的磁化状态。 如果需要记录“1”，则改变电流方向，进而引起磁 化方向的翻转；如果需要记录“0”，则不需要改变电流方 向，无需翻转。 4
2.读出数据原理：
——读出是写入的逆过程，可以使原磁化信息还原成
11
数据位元
0
1
0
1
1
0
0
0
FM 1 MFM 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0
FM和MFM的编码格式
12
＆行程长度受限码RLLC
(Run Length Limited Code)：
——两个相 d受限可避免连续翻转时脉冲幅值 衰减，k受限便于从读出序列中提取自同步时钟。用于 高密度磁盘存储器。
2.磁记录的三种模式： ＆ 单密度磁盘存储器
＆ 双密度磁盘存储器 ＆ 高密度磁盘存储器
6
5.1.3 磁记录的编码格式
——编码：为了提高磁盘的位密度和读写速度，将计算 机的原始数据序列变换成另一种指定的数据序列。 采用通信编码技术，功能框图参见教材P87图5-4。
数据 时钟 数据 时钟 编 码 写入 电路 介质 解 码 位元 读出 电路 脉冲序列
(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
芯层/包层材 料
Ge:SiO2 /SiO2 Si/SiO2
芯层/包层折 射率差 0-0.5%
50-70%
损耗dB/cm @1550nm 0.05
0.1
3.2
inP、GaAs/ ~100%
3
空气
2.2
Ag(Ti):LiNbO 0.5%
0.5
3/ LiNbO3
1.3-1.7
都是聚合物， 0-35%
0.1
不同材料矩形单模波导的宽度
SiO2：n=1.44 Ge： SiO2：n=1.45
两种波导的 优缺点？
SiO2：n=1.44
5~6 μm
220nm
30~40μm
Si： n=3.4
500nm
做出的器件尺寸大，但与光 纤耦合损耗很小
做出的器件尺寸很小，但与 光纤耦合损耗大
如希望对光纤耦合损耗小：不同材 料的光波导结构
靠配比改变
折射率差
波导折射率与模式
n2 θc
n1
n2
sin c
n2 n1
同样厚度 的硅波导 和二氧化 硅波导哪 个能有更 多模式？
为什么通常希望 波导厚度与模使式用单模波导？
Helmholtz equation:
[ 2 xk0 2n22]U (x)0
x nclad ncore nclad
n nclad ncore
平面光波导的类型
1-d 光限制
cladding core
nlow nhigh
cladding
nlow
平板波导
氧化硅、聚合物
2-d 光限制 硅、三五族
core
nlow
nhigh
cladding
《磁记录材料》课件
《磁记录材料》PPT课件
磁记录材料是一种广泛应用于信息存储和传输领域的材料。本课件将介绍磁 记录材料的基本概念、物理原理、性能参数、制备方法以及发展趋势。
概述
什么是磁记录材料？
磁记录材料是一种具有磁 性能的材料，用于存储和 读取数字或模拟信息。
磁记录材料的分类
磁记录材料可分为硬磁材 料和软磁材料，具有不同 的磁性能和应用特点。
磁记录材料的性能参数
矫顽 磁郁力 珀克尔效应 磁滞回线
磁记录材料须具备较高的矫顽力，以保证信 息存储的稳定性。
磁记录材料的磁场强度，决定了信息的存取 速度和容量。
磁记录材料具备的热释电效应，可改善信息 存储的可靠性。
描述磁记录材料磁场随着磁化变化的曲线， 反映了磁性能的延迟特点。
磁记录材料的制备法
磁记录材料的应用领 域
磁记录材料广泛应用于硬 盘驱动器、磁带、磁卡等 信息存储设备中。
磁记录材料的物理原理
1
磁性材料特性
磁性材料具有自发磁化和磁导率等特性，可以通过外加磁场实现信息存储。
2
磁矩和磁场
磁矩是描述磁材料磁性力量和方向的物理量，磁场是由磁材料产生的磁性力场。
3
磁性材料的磁化过程
磁性材料在外加磁场的作用下，磁矩会发生定向排列，实现磁化过程。
研发具有较高磁性能和稳定性 的新型磁记录材料，以满足不 断增长的信息存储需求。
垂直磁记录技术
采用垂直磁化方向，实现更高 的磁记录密度和稳定性。
结论
磁记录材料的发展前景
随着信息存储需求的增加，磁记录材料将继 续得到广泛应用和发展。
该领域的未来研究方向
未来的研究重点将放在磁记录材料的磁性能 提升、存储密度增加和能量效率提高等方面。
磁记录材料是一种广泛应用于信息存储和传输领域的材料。本课件将介绍磁 记录材料的基本概念、物理原理、性能参数、制备方法以及发展趋势。
概述
什么是磁记录材料？
磁记录材料是一种具有磁 性能的材料，用于存储和 读取数字或模拟信息。
磁记录材料的分类
磁记录材料可分为硬磁材 料和软磁材料，具有不同 的磁性能和应用特点。
磁记录材料的性能参数
矫顽 磁郁力 珀克尔效应 磁滞回线
磁记录材料须具备较高的矫顽力，以保证信 息存储的稳定性。
磁记录材料的磁场强度，决定了信息的存取 速度和容量。
磁记录材料具备的热释电效应，可改善信息 存储的可靠性。
描述磁记录材料磁场随着磁化变化的曲线， 反映了磁性能的延迟特点。
磁记录材料的制备法
磁记录材料的应用领 域
磁记录材料广泛应用于硬 盘驱动器、磁带、磁卡等 信息存储设备中。
磁记录材料的物理原理
1
磁性材料特性
磁性材料具有自发磁化和磁导率等特性，可以通过外加磁场实现信息存储。
2
磁矩和磁场
磁矩是描述磁材料磁性力量和方向的物理量，磁场是由磁材料产生的磁性力场。
3
磁性材料的磁化过程
磁性材料在外加磁场的作用下，磁矩会发生定向排列，实现磁化过程。
研发具有较高磁性能和稳定性 的新型磁记录材料，以满足不 断增长的信息存储需求。
垂直磁记录技术
采用垂直磁化方向，实现更高 的磁记录密度和稳定性。
结论
磁记录材料的发展前景
随着信息存储需求的增加，磁记录材料将继 续得到广泛应用和发展。
该领域的未来研究方向
未来的研究重点将放在磁记录材料的磁性能 提升、存储密度增加和能量效率提高等方面。
磁记录原理
磁记录介质硬磁材料和软磁材料：磁场强度H，使磁性材料产生一定的磁化强度M。
外加磁场强度变回0时，对应的磁化强度值Mr称为剩余磁化，磁化强度为0时，对应的磁场强度Hc称为矫顽力。
硬磁材料：矫顽力大的磁性材料。
也就是，即使去掉磁场，仍有很大剩磁的材料。
如磁铁，磁记录材料（磁盘）。
软磁材料：矫顽力很小的磁性材料。
去掉磁场几乎没有多少剩磁。
如磁头，变压器铁芯。
磁盘：磁盘高速旋转，磁头可作径向移动，磁头停在某一个位置，就可对磁盘的某一磁道进行读写。
磁盘有软磁片和硬磁片之分，有单磁片和多磁片之分，每个磁片有单面和双面之分。
磁记录信息的记录与再现：记录：记录电流足够大，产生的磁场强度能克服磁介质的矫顽力，就能在其表面产生一个磁化区域，它的方向由N极（+极）指向S极（-极）。
再现：要想把磁化状态转化为电信号，根据法拉第电磁感应定律，感应的电动势：e = - (dφ/dt)。
磁头的线圈为N匝时，可认为磁通量φ通过线圈N次，这时的电动势为：挲在磁记录中，读取的不是介质上的磁化结果，而是读取磁化的变化。
可以说记录过程是安培定律的实际应用，再生过程是法拉第定律的实际应用。
01信号的记录与再现实例：数字（0，1）磁记录的记录方式和编码方式1．记录密度：磁道上单位长度（通常指1英寸）上能记录的二进制数据位的数量。
位密度越高，磁盘存储容量越高，存取速度越快，位价格降低。
2．自同步能力：由于磁盘机械装置的离散性，特别是磁盘转速的误差，使读出信号峰值位置产生漂移，在无自同步提取数据位时极易发生误码。
对于串行存储的数据位，只要丢掉一位就会造成整个存储失败。
存储数据的磁盘要求有尽可能高的存储密度和一定的自同步能力。
就要采用相应的记录方式和编码方式。
记录方式：一．归零制（RZ）：用正脉冲电流波表示“1”，用负脉冲电流波表示“0”，每次磁化后总要回复到非磁状态。
其特点是：1．位密度低：每一个数据位都要翻转两次，有非磁化区。
2．具有自同步能力：记录每位数据时都要翻转，所以在读出时每一位信息本身都包含了可作为时钟的同步脉冲。
磁记录与磁记录相关的材料
过去二十年内, 硬盘的存储密度飞速提高, 每个比特的 价格不断下降。
磁头臂组合
硬盘的结构
磁头臂
读写头
主轴
拼盘
磁道
硬盘中的磁性材料: 1)磁记录介质 (盘片) 2) 写头 (高磁极化率的软磁材料） 3) 读头 (包括GMR器件以及辅助器件)
磁记录介质材料的要求
对于磁记录介质的主要要求是：高的矫顽力Hc，以提高存 储信息的密度和抗干扰性；适当高的饱和磁化强度4πMs, 以提高输出信息强度;高的剩磁比Mr/Ms(Mr为剩余磁化强度
FePt薄膜的磁特性
无序态为软铁磁，易轴在平面内。 有序态的FePt 薄膜为硬磁材料，且具有非
常大的磁晶各向异性，易轴沿[001]方向。 如果能够制备(001)取向的FePt薄膜则可以得
到非常大的垂直各向异性，可用于垂直磁 记录。 (001) 取向的获得 (001)织构、外延薄膜
(001)FePt薄膜的制备
FePt需要在有（001）取向
基片选取：MgO FeRh为BCC结构，其晶格常数与FePt的a相近，因此，FeRh也可 以在MgO基片上外延生长，而FePt容易在FeRh上外延生长。
选取适当的种子层以减小晶格失配
种子层的选取可以参照FePt单层膜的制备中。
位元规则介质
特点： •通过光刻将连续膜变成分离 的点阵。 •一个点一个比特。 •材料本身与普通的材料无异 。然每个点需由大磁性颗粒 组成，最好是单晶。
磁记录材料的热稳定性
磁记录材料的热稳定性有每个磁性颗粒决定
比特的基本组成单位是磁性颗粒
每个磁性颗粒的热稳定性与本身的性能和其尺寸 有关 超顺磁极限
热稳定性制约着存储密度的提高
平行磁记录
每个磁矩平行于介质 表面。
磁头臂组合
硬盘的结构
磁头臂
读写头
主轴
拼盘
磁道
硬盘中的磁性材料: 1)磁记录介质 (盘片) 2) 写头 (高磁极化率的软磁材料） 3) 读头 (包括GMR器件以及辅助器件)
磁记录介质材料的要求
对于磁记录介质的主要要求是：高的矫顽力Hc，以提高存 储信息的密度和抗干扰性；适当高的饱和磁化强度4πMs, 以提高输出信息强度;高的剩磁比Mr/Ms(Mr为剩余磁化强度
FePt薄膜的磁特性
无序态为软铁磁，易轴在平面内。 有序态的FePt 薄膜为硬磁材料，且具有非
常大的磁晶各向异性，易轴沿[001]方向。 如果能够制备(001)取向的FePt薄膜则可以得
到非常大的垂直各向异性，可用于垂直磁 记录。 (001) 取向的获得 (001)织构、外延薄膜
(001)FePt薄膜的制备
FePt需要在有（001）取向
基片选取：MgO FeRh为BCC结构，其晶格常数与FePt的a相近，因此，FeRh也可 以在MgO基片上外延生长，而FePt容易在FeRh上外延生长。
选取适当的种子层以减小晶格失配
种子层的选取可以参照FePt单层膜的制备中。
位元规则介质
特点： •通过光刻将连续膜变成分离 的点阵。 •一个点一个比特。 •材料本身与普通的材料无异 。然每个点需由大磁性颗粒 组成，最好是单晶。
磁记录材料的热稳定性
磁记录材料的热稳定性有每个磁性颗粒决定
比特的基本组成单位是磁性颗粒
每个磁性颗粒的热稳定性与本身的性能和其尺寸 有关 超顺磁极限
热稳定性制约着存储密度的提高
平行磁记录
每个磁矩平行于介质 表面。
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涂布型磁带主要由带基和附着其上的磁性涂覆层构成
有机粘接剂及润滑剂
磁性粉
Al2O3粉/铁丹粉/碳粉
记录层 带基
Al2O3微颗粒
涂布型磁带结构示例
有机粘接剂
磁性粉
Al2O3补强剂
记录层
基板
涂布型磁盘结构示例 常用磁盘分硬盘和软盘两大类：
硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金盘基上附着磁记录层
软盘是在可挠性PET盘基上附着磁记录层
出，于是在1907年他又发明了直流偏磁的录音方式
杭州电子科技大学
磁记录
1.模拟磁记录
通过磁头把输入的电流信号转化为变化的磁场来 磁化磁介质，并通过磁头把磁介质上的磁信号转 换成电信号输出（或把信号擦除）
将数字代码信息以电流的形式输入到磁头线圈中 ，形成磁场后磁化磁介质，并以磁化状态的形式 保存在磁记录介质上。通过磁头把磁介质上的磁 信号转换成电信号，再还原成数字形式输出
意义：这一观点为今天的磁记录奠定了基础
杭州电子科技大学
时间：1898年 人物：普尔生 事件：发明钢丝录音机，即在钢丝上记录声音，再把它再 生出来，并用听筒听所录的声音
意义：标志着磁记录技术的开端
杭州电子科技大学
磁记录的起源
时间：1900年
人物：普尔生
事件：在巴黎万国博览会上，展出“钢丝录音机”这 一发明，轰动了整个博览会。 后续：由于钢丝录音机发出的声音太小，后来他又发 现使用一定的直流电流通过电磁铁可以得到较大的输
再生时获得足 够大的输出 保持相对稳定 的磁化状态 有效地再生记 录信号
磁
头：高磁通密度，高磁导率
对记录介质进行 有效地磁化
典型磁头示例
6.2.1磁头的种类
磁性合金：坡莫合金、仙台斯特合 金、 Fe-Al合金和Fe-Al-B合金 ； 电 磁 感 应 原 理
体型磁头
铁氧体磁头：Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn 铁氧体； MIG磁头：铁氧体磁芯间 隙中沉积一层软磁合金薄膜 工作缝隙小、磁场分布陡河磁迹宽度 窄，故可提高记录速度和读出分辨率
Co-（Zr，Hf，Nb，Ta，Ti）二元系合金 薄膜和Co-Fe-B类金属非晶态薄膜
☞微晶薄膜磁头材料 Fe-Ta-C，Fe-Ta-N等 ☞多层膜磁头材料 ☞磁电阻磁头材料
Fe-C/Ni-Fe ；Fe-Al-N/Si-N；Fe-Nb-Zr/FeNb-Zr-N；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 等
1
1 0 1
0
0
a.利用磁化方向进行记录
b.利用磁化反转进行记录
数字信号调制原理
b 0 t 0 1 1 0 1 1 1 数字信号 记录介质
+I -I
记录电流
脉冲电压
（再生）
磁头行走方向
两种磁化模式
厚度d
排斥 S N N S 比特间距b （因排斥而发生退磁效应）
a.水平磁化模式（b》d）
N S
逐 渐 过 渡
磁卡
磁卡方便信息的存储、读出，使用方便、安全、快捷， 保密性好
磁性条纹类型
附着磁性条纹卡
全磁性涂布卡
俯视图
附着磁性条纹 磁性层 侧视图 基体
基体
磁卡构造
保护层 银灰层 磁性层（5~15 m）
基体（PET188~250m）
磁性条纹
中心部分 （PVC，0.56mm）
过渡片
（PVC，0.1mm）
实际上，上述各种磁各向异性机制是相互迭加而其作用的。
垂直磁记录头与介质材料
励磁线圈
铁氧体 磁记录层 主磁极（坡莫合金膜） Co-Cr合金
坡莫合金膜
基板 打底层 基板
6.2 磁头与磁头材料
磁头是指能对磁介质进行信息记录、再生及读取功 能的器件。 采用磁头与磁记录介质相组合的形式，通过磁头间 隙产生的漏磁通使磁性膜磁化 高密度存储要求： 磁记录介质：高剩磁，高矫顽力，矩形比接近1；
（4）在涂布过程中用磁场对颗粒进行定向或打乱定向不是很有效。
6.3.3 薄膜介质
薄膜记录介质由基底、附加层、磁性层和保护层组成。 在磁层和附加层之间也可增加一层缓冲层。 保护层可以是单层的，也可以是多层的。 在保护层上还可以增加一层润滑层
保护层
磁性层
附加层 基底
薄膜记录介质的一般结构
基底和附加层
第6章 磁记录材料
本章将要介绍的主要内容： ☞磁记录概述；
☞磁头及磁头材料 ；
☞磁记录介质及介质材料 ； ☞磁光记录材料 ； ☞磁泡及磁泡材料
6.1 磁记录概述
我们已经进入信息社会？
“知识大爆炸”？ 记忆靠人脑？
磁记录的起源
标志性事件：
人们一般认为磁记录是从1898年丹麦人普尔生(Valdemar Poulsen)发明钢丝录音机开始的。
薄膜磁头
磁电阻磁头
利用磁电阻效应制成
电磁感应型磁头和GMR磁头
电磁感应磁头记录与再生原理
磁电阻磁头结构示意
I
I H 电极 M I
I：电流 H：外加磁场 M：磁化强度
电极
θ
6.2.2 磁头材料
主要包括下面几类：
☞合金磁头材料
含钼坡莫合金和仙台斯特合金
镍锌铁氧体和锰锌铁氧体
☞铁氧体磁头材料
☞非晶态磁头材料
要求薄膜与基底之间有很强的粘结力，因此必须 保持基底清洁度和材料的兼容性 为了使磁盘表面形貌均匀，基底必须有很好的抛光 对于硬盘来说，基底的硬度很重要，因此需要添加 非磁性附加层来提高硬度 附加层除了可提高硬度外，还可以减少缺陷
性层
早期
现今
磁性层制备方法很多，有电镀法、真空蒸镀法、溅射法 等，可根据不同的介质灵活采用。
放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从 而在磁头线圈中产生感应电压，该电压正比于磁通的变化 率。虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复， 但是经过适当的电路处理以后，就能重现记录信号。 存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场 的强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误。 抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场， 就可以抹除原先记录的信息，抹除之后，记录介质又可准 备记录新的信息。
这是磁记录技术的开端！ 人们称他为“磁记录之父”
杭州电子科技大学
磁记录的起源
时间：1888年 — 早在普尔生发明磁性录音机十年前 人物：美国人奥· 史密斯(0berlin Smith) 事件：发表了关于磁性录音可能性的论文 观点：史密斯认为将随时间变化的声音转换为电流进而转换 为磁性的变化而被记录，再以相反的过程重放是可行的
坡莫合金
6.3 磁记录介质及介质材料
日常生活中的磁记录媒体
6.3.1 磁记录介质应具备的特性
基本要求
高出力 高记录 密 度 低噪声 高可靠性
记录介质应具备的条件
1） 饱和磁通密度 2） 矩形比大 3）矫顽力在磁头允许的范围内尽可能的大 4） 作为磁化反转的单位的体积应尽量小， 大小及分布均匀 5） 磁学特性分布均匀，随机偏差小 6） 表面光滑，耐磨损，耐环境性好 7） 磁学特性对于加压、加热等反应不敏感 8）化学的、机械的耐久性优良 9） 不容易导电
磁性粉
（1）-Fe2O3
矫顽力范围为20～32kA/m
矫顽力范围为55～70kA/m
（2）包覆Co的-Fe2O3
（3）CrO2 （4）金属磁粉 （5）氮化铁 （6）钡铁氧体
矫顽力范围为35～50kA/m
磁化强度和矫顽力比氧化物高，但易腐蚀 纯铁的MS＝1700kA/m
矫顽力可达51kA/m
矫顽力范围为100～900kA/m
典型磁记录介质示例
常用的磁记录介质有磁带、磁盘和磁卡等
磁带是在基板上，沉积磁性层并构成复合材料膜层结构
磁性层（磁性粉＋
下面覆层
基板（带基） 10～15m
粘结剂）厚度为 1～4 m左右，表面 粗糙度0.1 m以下
底面覆层
磁带水平方向
磁带断面结构
磁盘
磁盘由在圆盘状盘基表面附着磁记录介质层构成。 常用磁盘分为硬盘和软盘两类： 软盘是在可挠性PET盘上附着磁记录层
2.数字磁记录
杭州电子科技大学
6.1.1 磁记录的基本过程
抹音磁头 录音磁头 放音磁头 驱动器
（a）
（b） （c）
记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流 将电磁铁磁化，在气隙处产生溢出磁场。当磁带转动通过 磁头气隙时，气隙处的溢出场将磁带磁化。磁带转动离开 气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号。
磁性层 基板 （如PET等）
磁性层 基板 （如PET等） Ti膜
倾斜蒸镀可挠性软盘
准二层膜垂直记录可挠性软盘
硬盘
硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金基盘上附着磁记录层
SiO2保护膜 磁性层 NiP 基板 （铝合金） 基板 （铝合金） 碳保护膜 磁性层 Ni-Fe膜 Ti
电镀磁性膜硬盘
垂直磁性膜硬盘
磁盘制备工艺
磁卡制备工艺流程
调频
载波信号：
um Um cos mt
调制信号：
uc Uc cosct
调频波为：
u0 Uc cos(ct m f sin mt )
5.1.3数字式磁记录
数字式记录
数字记录采用on和off这两种有一定间隔的脉冲信号，主 要采用“1”和“0”这两种数值的信号。 数字信号记录有利用磁化方向记录和利用磁化反转记录两 种方式，记录原理如下：
6.3.2颗粒状涂布介质
对颗粒介质的要求 颗粒状介质最好是单畴的； 颗粒的形状以针状为最佳 ； 颗粒状介质信噪比与 N成正比，N为单位体积内磁性颗 粒数
样品开关场分布尽可能窄
有机粘接剂及润滑剂
磁性粉
Al2O3粉/铁丹粉/碳粉
记录层 带基
Al2O3微颗粒
涂布型磁带结构示例
有机粘接剂
磁性粉
Al2O3补强剂
记录层
基板
涂布型磁盘结构示例 常用磁盘分硬盘和软盘两大类：
硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金盘基上附着磁记录层
软盘是在可挠性PET盘基上附着磁记录层
出，于是在1907年他又发明了直流偏磁的录音方式
杭州电子科技大学
磁记录
1.模拟磁记录
通过磁头把输入的电流信号转化为变化的磁场来 磁化磁介质，并通过磁头把磁介质上的磁信号转 换成电信号输出（或把信号擦除）
将数字代码信息以电流的形式输入到磁头线圈中 ，形成磁场后磁化磁介质，并以磁化状态的形式 保存在磁记录介质上。通过磁头把磁介质上的磁 信号转换成电信号，再还原成数字形式输出
意义：这一观点为今天的磁记录奠定了基础
杭州电子科技大学
时间：1898年 人物：普尔生 事件：发明钢丝录音机，即在钢丝上记录声音，再把它再 生出来，并用听筒听所录的声音
意义：标志着磁记录技术的开端
杭州电子科技大学
磁记录的起源
时间：1900年
人物：普尔生
事件：在巴黎万国博览会上，展出“钢丝录音机”这 一发明，轰动了整个博览会。 后续：由于钢丝录音机发出的声音太小，后来他又发 现使用一定的直流电流通过电磁铁可以得到较大的输
再生时获得足 够大的输出 保持相对稳定 的磁化状态 有效地再生记 录信号
磁
头：高磁通密度，高磁导率
对记录介质进行 有效地磁化
典型磁头示例
6.2.1磁头的种类
磁性合金：坡莫合金、仙台斯特合 金、 Fe-Al合金和Fe-Al-B合金 ； 电 磁 感 应 原 理
体型磁头
铁氧体磁头：Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn 铁氧体； MIG磁头：铁氧体磁芯间 隙中沉积一层软磁合金薄膜 工作缝隙小、磁场分布陡河磁迹宽度 窄，故可提高记录速度和读出分辨率
Co-（Zr，Hf，Nb，Ta，Ti）二元系合金 薄膜和Co-Fe-B类金属非晶态薄膜
☞微晶薄膜磁头材料 Fe-Ta-C，Fe-Ta-N等 ☞多层膜磁头材料 ☞磁电阻磁头材料
Fe-C/Ni-Fe ；Fe-Al-N/Si-N；Fe-Nb-Zr/FeNb-Zr-N；Co-Nb-Zr/Co-Nb-Zr-N 等
1
1 0 1
0
0
a.利用磁化方向进行记录
b.利用磁化反转进行记录
数字信号调制原理
b 0 t 0 1 1 0 1 1 1 数字信号 记录介质
+I -I
记录电流
脉冲电压
（再生）
磁头行走方向
两种磁化模式
厚度d
排斥 S N N S 比特间距b （因排斥而发生退磁效应）
a.水平磁化模式（b》d）
N S
逐 渐 过 渡
磁卡
磁卡方便信息的存储、读出，使用方便、安全、快捷， 保密性好
磁性条纹类型
附着磁性条纹卡
全磁性涂布卡
俯视图
附着磁性条纹 磁性层 侧视图 基体
基体
磁卡构造
保护层 银灰层 磁性层（5~15 m）
基体（PET188~250m）
磁性条纹
中心部分 （PVC，0.56mm）
过渡片
（PVC，0.1mm）
实际上，上述各种磁各向异性机制是相互迭加而其作用的。
垂直磁记录头与介质材料
励磁线圈
铁氧体 磁记录层 主磁极（坡莫合金膜） Co-Cr合金
坡莫合金膜
基板 打底层 基板
6.2 磁头与磁头材料
磁头是指能对磁介质进行信息记录、再生及读取功 能的器件。 采用磁头与磁记录介质相组合的形式，通过磁头间 隙产生的漏磁通使磁性膜磁化 高密度存储要求： 磁记录介质：高剩磁，高矫顽力，矩形比接近1；
（4）在涂布过程中用磁场对颗粒进行定向或打乱定向不是很有效。
6.3.3 薄膜介质
薄膜记录介质由基底、附加层、磁性层和保护层组成。 在磁层和附加层之间也可增加一层缓冲层。 保护层可以是单层的，也可以是多层的。 在保护层上还可以增加一层润滑层
保护层
磁性层
附加层 基底
薄膜记录介质的一般结构
基底和附加层
第6章 磁记录材料
本章将要介绍的主要内容： ☞磁记录概述；
☞磁头及磁头材料 ；
☞磁记录介质及介质材料 ； ☞磁光记录材料 ； ☞磁泡及磁泡材料
6.1 磁记录概述
我们已经进入信息社会？
“知识大爆炸”？ 记忆靠人脑？
磁记录的起源
标志性事件：
人们一般认为磁记录是从1898年丹麦人普尔生(Valdemar Poulsen)发明钢丝录音机开始的。
薄膜磁头
磁电阻磁头
利用磁电阻效应制成
电磁感应型磁头和GMR磁头
电磁感应磁头记录与再生原理
磁电阻磁头结构示意
I
I H 电极 M I
I：电流 H：外加磁场 M：磁化强度
电极
θ
6.2.2 磁头材料
主要包括下面几类：
☞合金磁头材料
含钼坡莫合金和仙台斯特合金
镍锌铁氧体和锰锌铁氧体
☞铁氧体磁头材料
☞非晶态磁头材料
要求薄膜与基底之间有很强的粘结力，因此必须 保持基底清洁度和材料的兼容性 为了使磁盘表面形貌均匀，基底必须有很好的抛光 对于硬盘来说，基底的硬度很重要，因此需要添加 非磁性附加层来提高硬度 附加层除了可提高硬度外，还可以减少缺陷
性层
早期
现今
磁性层制备方法很多，有电镀法、真空蒸镀法、溅射法 等，可根据不同的介质灵活采用。
放音时，从介质表面发散的磁通将进入放音磁头磁芯，从 而在磁头线圈中产生感应电压，该电压正比于磁通的变化 率。虽然线圈中的感应电压不可能是记录信号的精确重复， 但是经过适当的电路处理以后，就能重现记录信号。 存放过程中，不允许外加的杂散磁场超过用于记录的磁场 的强度，否则磁带中所记录的信息将出现错误。 抹音时，抹音磁头可以产生一个大于记录磁场强度的磁场， 就可以抹除原先记录的信息，抹除之后，记录介质又可准 备记录新的信息。
这是磁记录技术的开端！ 人们称他为“磁记录之父”
杭州电子科技大学
磁记录的起源
时间：1888年 — 早在普尔生发明磁性录音机十年前 人物：美国人奥· 史密斯(0berlin Smith) 事件：发表了关于磁性录音可能性的论文 观点：史密斯认为将随时间变化的声音转换为电流进而转换 为磁性的变化而被记录，再以相反的过程重放是可行的
坡莫合金
6.3 磁记录介质及介质材料
日常生活中的磁记录媒体
6.3.1 磁记录介质应具备的特性
基本要求
高出力 高记录 密 度 低噪声 高可靠性
记录介质应具备的条件
1） 饱和磁通密度 2） 矩形比大 3）矫顽力在磁头允许的范围内尽可能的大 4） 作为磁化反转的单位的体积应尽量小， 大小及分布均匀 5） 磁学特性分布均匀，随机偏差小 6） 表面光滑，耐磨损，耐环境性好 7） 磁学特性对于加压、加热等反应不敏感 8）化学的、机械的耐久性优良 9） 不容易导电
磁性粉
（1）-Fe2O3
矫顽力范围为20～32kA/m
矫顽力范围为55～70kA/m
（2）包覆Co的-Fe2O3
（3）CrO2 （4）金属磁粉 （5）氮化铁 （6）钡铁氧体
矫顽力范围为35～50kA/m
磁化强度和矫顽力比氧化物高，但易腐蚀 纯铁的MS＝1700kA/m
矫顽力可达51kA/m
矫顽力范围为100～900kA/m
典型磁记录介质示例
常用的磁记录介质有磁带、磁盘和磁卡等
磁带是在基板上，沉积磁性层并构成复合材料膜层结构
磁性层（磁性粉＋
下面覆层
基板（带基） 10～15m
粘结剂）厚度为 1～4 m左右，表面 粗糙度0.1 m以下
底面覆层
磁带水平方向
磁带断面结构
磁盘
磁盘由在圆盘状盘基表面附着磁记录介质层构成。 常用磁盘分为硬盘和软盘两类： 软盘是在可挠性PET盘上附着磁记录层
2.数字磁记录
杭州电子科技大学
6.1.1 磁记录的基本过程
抹音磁头 录音磁头 放音磁头 驱动器
（a）
（b） （c）
记录信号时，录音磁头线圈上产生一个信号电流，该电流 将电磁铁磁化，在气隙处产生溢出磁场。当磁带转动通过 磁头气隙时，气隙处的溢出场将磁带磁化。磁带转动离开 气隙后，磁化部分残留剩磁，该剩磁即为记录信号。
磁性层 基板 （如PET等）
磁性层 基板 （如PET等） Ti膜
倾斜蒸镀可挠性软盘
准二层膜垂直记录可挠性软盘
硬盘
硬盘是在厚度为1～2mm的铝合金基盘上附着磁记录层
SiO2保护膜 磁性层 NiP 基板 （铝合金） 基板 （铝合金） 碳保护膜 磁性层 Ni-Fe膜 Ti
电镀磁性膜硬盘
垂直磁性膜硬盘
磁盘制备工艺
磁卡制备工艺流程
调频
载波信号：
um Um cos mt
调制信号：
uc Uc cosct
调频波为：
u0 Uc cos(ct m f sin mt )
5.1.3数字式磁记录
数字式记录
数字记录采用on和off这两种有一定间隔的脉冲信号，主 要采用“1”和“0”这两种数值的信号。 数字信号记录有利用磁化方向记录和利用磁化反转记录两 种方式，记录原理如下：
6.3.2颗粒状涂布介质
对颗粒介质的要求 颗粒状介质最好是单畴的； 颗粒的形状以针状为最佳 ； 颗粒状介质信噪比与 N成正比，N为单位体积内磁性颗 粒数
样品开关场分布尽可能窄