磁性超高密度存儲的若干種新技術(shù)研究.pdf

1、磁記錄，特別是硬盤磁記錄，以其經(jīng)濟性和可靠性，成為現(xiàn)代信息存儲的最重要手段。從硬盤誕生之日起，其記錄密度一直保持良好的增長勢頭。新的磁頭技術(shù)和介質(zhì)技術(shù)的不斷開發(fā)和運用，使硬盤記錄位尺寸持續(xù)地縮小，從而在單位面積介質(zhì)上容納更多的信息。目前主流的垂直磁記錄硬盤的記錄密度已經(jīng)接近400 Gbit/in2。為了進一步滿足全球信息總量的快速增長，1 Tbit/in2以上的超高密度的磁記錄方式成為研究的熱點。
　　然而由于存在超順磁效應(yīng)的物理

2、極限，僅僅依靠縮小記錄位尺寸的方法已經(jīng)無法適用。各種新型的磁記錄方法被提出，其中熱輔助磁記錄(Heat assistedmagnetic recording，HAMR)是一種很有應(yīng)用前景的技術(shù)，另外交換耦合介質(zhì)(Exchange coupled composite，ECC)則從介質(zhì)材料入手，試圖解決介質(zhì)熱穩(wěn)定性和可寫性的矛盾。除了傳統(tǒng)的硬盤磁記錄，基于磁性納米線中疇壁移動的Racetrack Memory是一種嶄新的概念，對磁疇壁的精確

3、控制是其關(guān)鍵。本文就是在這種背景下，對熱輔助磁記錄在不同介質(zhì)中的動態(tài)讀寫性能進行了研究，同時在介質(zhì)材料方面提出了以[Co/Ni]N多層膜等材料為軟磁層的FePt基交換耦合介質(zhì)，另外對磁性納米線中疇壁的釘扎作用進行了研究和探討。
　　本論文的主要內(nèi)容包含三部分：
　　第一，利用遠場光學(xué)，結(jié)合業(yè)界常用的硬盤動態(tài)測試設(shè)備Guzik Spinstand，我們搭建了一個熱輔助磁記錄測試平臺，可以測試環(huán)形磁頭在不同介質(zhì)上的讀寫性能，并運

4、用激光聚焦加熱的方法模擬熱輔助磁記錄的工作條件。在這個測試平臺上，測試了不同的磁頭/介質(zhì)組合的熱輔助磁記錄性能。實驗結(jié)果表明，在矯頑力為6.8 kOe的高矯頑力CoCrPt垂直介質(zhì)上，激光的加入增強了磁頭對介質(zhì)的寫入能力，寫入信號強度和信噪比大幅提升。在高矯頑力介質(zhì)上，熱輔助磁記錄能支持更高的信號寫入頻率，從而在單條磁道上，實現(xiàn)了線密度增長4倍。然而在3.0 kOe和4.8 kOe的低矯頑力介質(zhì)中，提高激光功率或者是寫入電流反而導(dǎo)致寫入

5、信號強度的下降。分析表明，這是由于磁頭返回場的部分擦除效應(yīng)所引起，這種效應(yīng)報道于垂直磁記錄中的單極磁頭。環(huán)形磁頭的磁頭場分布因垂直介質(zhì)的存在而發(fā)生了改變，低矯頑力介質(zhì)更容易受到環(huán)形磁頭的返回場干擾。在熱輔助磁記錄的磁頭和介質(zhì)設(shè)計中，需要注意這種效應(yīng)的影響。
　　第二，與熱輔助磁記錄的思路不同，交換耦合復(fù)合介質(zhì)并不改變磁頭寫入的方式，而是通過對介質(zhì)的調(diào)整解決介質(zhì)顆粒熱穩(wěn)定性與可寫性的矛盾。理論和實驗都表明，軟硬磁層的耦合能夠有效降低

6、復(fù)合結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)場。我們選用典型的高Ku材料L10相FePt作為硬磁層，在此基礎(chǔ)上首次提出了以垂直的[Co/Ni]N多層膜為軟磁材料與FePt組合成為交換耦合介質(zhì)。通過實驗測量了[Co/Ni]N多層膜的厚度對降低復(fù)合結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)場的作用，并利用一層很薄的非磁性層Pt來調(diào)節(jié)[Co/Ni]N多層膜與FePt之間的耦合強度，證實了在軟磁層較薄的情況下，適當?shù)慕怦詈嫌兄诮档蛷?fù)合結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)場；而對于厚軟磁層，Pt中間層的解耦合作用直接導(dǎo)致翻轉(zhuǎn)場的增加，

7、這對于交換耦合介質(zhì)是不利的。除了[Co/Ni]N多層膜，我們也使用[Co/Pt]N多層膜結(jié)構(gòu)作為軟磁層，并制備了成分比例不同的兩組系列，分別為[Co(0.2 nm)/Pt(0.6 nm)]N和[Co(0.2 nm)/Pt(0.3 nm)]N。通過對比這兩種L10-FePt/[Co/Pt]N復(fù)合結(jié)構(gòu)的翻轉(zhuǎn)場下降情況，驗證了軟磁層的各向異性和飽和磁化強度對復(fù)合結(jié)構(gòu)翻轉(zhuǎn)場的影響。更進一步，我們將交換耦合介質(zhì)的雙層膜結(jié)構(gòu)，拓展為三層膜結(jié)構(gòu)，在F

8、ePt/Fe軟硬磁層之間插入一層具有中間性質(zhì)的Co層，并調(diào)整Co的厚度，得到性能更優(yōu)異的復(fù)合結(jié)構(gòu)，驗證了梯度型介質(zhì)的概念，并從實驗上探測到磁矩翻轉(zhuǎn)過程。
　　第三，對納米線中磁疇壁的運動規(guī)律，本文主要研究的是坡莫合金磁性納米線中一種非對稱凹陷結(jié)構(gòu)對磁疇壁的釘扎作用。利用聚焦的磁光克爾效應(yīng)測量，實驗觀察到磁疇壁的釘扎現(xiàn)象，并測量得到了脫釘扎場(Depinning Field)的分布。在往同一個方向運動時，順時針和逆時針的渦旋疇壁，其