[科普中国]-磁存储技术

未来信息领域的中心问题就是存储，只有存储容量的不断增大，才能满足信息社会高速发展的需要。

简介现在世界各国，特别是发达国家对磁存储技术的发展极其重视。要提高磁信息存储容量，就必须不断减小用于记录信息的磁性颗粒的尺寸，但当尺寸减小到一定程度时，超顺磁效应就会影响到记录的磁信息的稳定性，所以必须开发新型高密度磁记录技术。1

磁存储信息在磁存储中信息的记录与读出原理是磁致电阻效应。磁致电阻磁头的核心是一片金属材料，其电阻随磁场变化而变化。磁头采用分离式设计，由感应磁头写，磁致电阻磁头读。

1.记录过程在硬磁盘中写入信息，采用的是感应式薄膜磁头，即用的是高磁感应强度的薄膜材料加平板印刷工艺的磁头结构。磁头缝隙小于0.1um，切向记录长度小于0.076um。磁头宽度较大，道间距也较大，道密度和位密度有很大差别， 目的是为了使磁头场具有较大的均匀区，减小介质不均匀磁化带来的噪声。目前硬盘记录中的位间距已经很小，进一步增大记录密度，除提高材料性能外，主要是采用先进制造技术按比例缩小缝隙长度和磁道宽度。较窄的磁道和较小的缝隙将使记录磁场变小。此外，提高记录介质的各向异性常数，就能提高介质的矫顽力，改善高密度记录时的热稳定性。

2.读出过程读出过程采用巨磁电阻GMR(GianMagneto Resistance)磁头，包括磁性自旋阀(MagneticSpin Valve)与磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction)结构。磁性自旋阀结构为三明治式，即在两个低矫顽力磁性层中间夹一个非磁性材料层。其中一个磁性层被另外一层反铁磁层(FeMn等)所固定，称为固定层，另一磁性层为自由层。磁性隧道结结构与磁性自旋阀相似，差别为有一层超薄的“绝缘”非磁性材料(AI203等)分割磁性自由层和固定层。在目前的各种高性能硬磁盘驱动器中，巨磁电阻磁头应用较广的是以电流方向在平面内的CIP(Current.In.Plane)型磁头，尤其是采用纳米氧化层的CIP.GMR薄膜，面记录密度可达200Gb/in2。进一步研制电流垂直于平面的巨磁电阻薄膜CPP—GMR。采用CPP.GMR磁头和垂直记录技术，可实现300Gb/in2的记录密度。

隧道型磁电阻磁头TMR有望成为下一代高密度读出元件的一种磁头。2007年9月，美国Seagate公司采用隧道结磁头的第四代DB35系列产品，硬盘容量已达1TB。2

磁存储状态通常情况下磁化状态是很稳定的，但在超高密度记录条件下，状态的稳定性会出现问题。主要有：2.1提高记录密度，需保证足够高的GianMagneto ResistancesNR。信噪比sNR正比于N (N为每一记录位内的晶粒数)，反比于Mrt(Mrt为面磁矩，其中Mr为介质剩余磁化强度，t为介质磁层厚度)。确保足够高的SNR，除降低Mr和t外，还要求足够数量的N，这就要求减小晶粒尺寸。而根据磁记录理论，晶粒尺寸小到一定程度，就会出现超顺磁现象(分子热运动干扰增强，改变集合体的磁矩取向，导致信息丢失)。因此对磁记录介质而言，存在着一定的超顺磁极限(或记录密度极限)。根据Arrhenius。Neel定律，晶粒的热衰减时间为： T=10.9exp(KuV/KT)。

式中Ku和v分别为晶粒的单轴各向异性常数和晶粒的体积，K为波尔兹曼常数，T为温度。KuV/KT称之为能垒或稳定性常数。为了保证介质中晶粒磁化状态的稳定性，一般地T>>1 09S。若取室温T=300K，介质的磁各向异性常数为105J/m3，得到最小晶粒尺寸D约等于10nm，记录位的最小尺寸约100nm，记录密度上限约65Gb/in2。

提高记录密度，需设法减小退磁场。根据磁性过渡理论，在相邻两反向磁化畴的界面会形成一定的磁化分布，这种分布会使过渡区内的介质退磁，即产生退磁场。记录密度越高，记录波长越短，记录位的退磁场越强，记录信号越不稳定。退磁场公式为Hd∝Mrt/Hc(Mrt为面磁矩，Mr为介质剩余磁化强度，t为介质磁层厚度，Hc为介质的矫顽力)。所以减小退磁场依赖于降低剩磁，减小膜厚和增大矫顽力。

综上所述，高密度纵向磁记录介质的设计必须兼顾退磁场，信噪比和稳定性等诸多方面的因素。1

磁储存进展垂直记录技术其采用单极型SPT(Single Pole TypeHead)磁头方式进行记录。随着记录密度的增加，对介质的矫顽力提出更高的要求。对应Tb/in2级记录，矫顽力大于796KA/m(10KOe)，进而对记录磁头的写磁场提出更高的要求。近年来对垂直记录磁头的研究主要集中在：①磁轭结构的开发。H.Muraoka等提出一种极尖驱动型单极磁头。该磁头记录磁场强，写性能高，电感低，适用于高矫顽力介质。在此基础上K.Ise等又开发出CF-SPT(Cusp Field Single Pole Type Head)型单极磁头。这种磁头效率高，灵敏度高(灵敏度是传统单极型磁头的3倍)，而且具有很强的抗外部杂散磁场干扰能力，容易制造，容易与MR型读出磁头组合。② 高性能主极材料。Fe基主极材料与软磁底层结合可实现高记录场。采用双层结构的高Bs主极可显著改善重写性能，抑制非线形翻转漂移。在垂直磁记录中，同样使用的是现有的巨磁电阻磁头读出。对于相同剩磁的介质，如果膜厚增加3倍，记录位缩小x3倍，GMR也能有效的检测到。

反铁磁耦合介质AFC(Anti Ferromagneticallycoupled media)由二层(或多层)被非磁耦合层相隔离的磁性层构成的。上磁性层为主记录层(ML)，下磁性层为稳定层(SL)，它的优势是：在没有降低主磁层厚度、降低磁化强度的条件下，减小复合介质的总面磁矩，进而降低了退磁场，增加了记录信息的稳定性，提高了介质的信噪比。这种结构还增加了复合系统的有效体积。它的多层结构(AFM )，含有多层稳定层和间隙层。通过调整间隙层、稳定层的厚度等参数，增加耦合强度，最大可能减小面磁矩，增加有效厚度和体积，从而提高介质的热稳定性。目前IBM公司已在其Travelstar等多款硬磁盘中使用AFC介质。

热辅助磁性记录HAMR(Heat Assisted MagneticRecording)技术的居里点记录技术。其原理是所有磁性材料都有一个居里点温度，当磁性材料被加热到该温度时，材料的矫顽力趋于零。介质矫顽力的大小、记录的难易、信号的稳定性三者的关系是：矫顽力较低时，容易记录，但记录信号不稳定；矫顽力较高时，记录信号稳定，但很难记录，对磁头强度要求非常高。鉴于此，提出热辅助记录技术。即在高矫顽力介质(如铁铂合金)的记录过程中，采用激光照射等手段将照射区域中的温度瞬间加热至居里点温度附近，此时介质的矫顽力下降，用传统的普通磁头即可记录信息。记录完毕后，随着记录区域冷却，介质又恢复到原来的高矫顽力状态，记录相当稳定。采用这种方法，克服了高矫顽力介质难于记录的困难，同时提高了信息位的热稳定性，进而升级面记录密度。Seagate公司拟将此技术应用到硬盘驱动器中，估计比现行的面密度提高约2个数量级。

图案化磁信息存储介质该技术为克服超顺磁极限、提高磁记录介质记录密度的一种有效途径。在这种技术中，介质是由非磁母体隔离的纳米级岛状单畴磁性斑点阵列组成，每位信息存储在一个单畴磁斑上，即存储数据的信息位恰如彼此相互独立的“点” ，这样就减少了相互间的干扰和数据信息位损坏的危险，大大提高了记录信息的温度稳定性。近年来随着纳米制造技术的发展，提出了多种制备图案化介质的方法，如光刻法(Lithography)，聚焦离子束法(Focused Ion Beam）等。这种技术的实施，可望将磁信息存储密度提高到1Tb/in2以上，但目前还有一些问题需要解决。

磁记录技术从1898年诞生，已经跨越了一个多世纪。随着各方面技术的不断发展，到目前为止，使用热辅助磁记录技术的硬盘磁头产品，最高可支持每平方英寸2.5Tb的存储密度。东芝公司宣布已经在图案化介质技术获得了突破，不久将实现每平方英寸5Tb的存储密度，磁记录技术迄今依然是最重要的记录技术。2

本词条内容贡献者为:

张尉 - 副教授 - 西南大学