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磁信息材料的特點與應用
[發布日期:2017-03-07  點擊次數:5597]

磁信息材料是用磁學方法存儲和記錄信息的磁載體材料。按所采用的磁學原理和方法不同分為矩磁性存儲、磁泡存儲、磁記錄和磁光記錄。磁存儲是隨著計算機的興起而發展起來的,磁記錄則是從錄音開始,接著擴展到錄像和數碼,形成了廣闊的磁信息技術領域,磁信息材料在當代信息社會中有著廣泛而重要的應用。

1 磁記錄頭材料

磁記錄頭由于要不斷改變磁場方向,因此采用軟磁材料,它具有高導磁率,高飽和磁化強度,低矯頑力,高力學強度,高電阻率等特點。在記錄過程中磁頭將電信息轉換為磁信息,在重放過程中將磁信息轉換為電信息的磁器件。對磁頭材料的主要要求是:

(1)高的磁導率μ,以提高磁頭靈敏度,增加磁頭氣隙磁場;

(2)高的飽和磁極化強度μ0Ms,以提高磁頭氣隙磁場;

 (3)低的矯頑力Hc,以減少磁滯損耗。

目前應用和研究的磁頭材料有:

(1)鐵氧體熱壓多晶材料和單晶材料,因其電阻率高,可使用塊體材料,其中(Mn,Zn)Fe2O4系材料飽和磁化強度和磁導率較高,應用較廣;(Ni,Zn)Fe2O4系材料的電阻率較高,可應用于更高頻率磁記錄(如錄像)。

(2)金屬磁頭材料,主要有硬度高的Fe-Ni-Nb(Ta)系硬坡莫合金和Fe-Si-Al系合金。

(3)非晶磁頭材料,具有電阻率較高,無磁晶各向異性和無晶粒間界等優點,主要有Fe-B(Si,C)系,Fe-Ni(Mo)-B(Si)系,Fe-Co-B(Si)系和Fe-Co-Ni-Zr系等非晶體磁頭材料。由于非晶磁性材料無晶界,故能避免磁頭尖部的脫落,磁頭和磁帶的摩擦磁噪音也比一般磁頭小,音響效果優良且使用壽命長。

2 磁記錄介質

磁記錄是利用磁性原理輸入(寫入)、記錄、存儲和輸出(讀出)聲音、圖像、數字等信息的技術。磁記錄介質由硬磁材料構成,對于磁記錄介質材料的主要要求是:適當高的矯頑力Hc以利抵抗環境磁干擾;高的飽和和磁極化強度μ0Ms,以獲得高的輸出信息;高的剩磁比Mr/Ms,可減小自退磁效應,提高記錄效率;陡直的磁滯回線,以減小輸出脈沖寬度,提高記存信息分辯率;并要求有高的穩定性。如今人們廣泛使用的磁帶、磁盤、磁卡就屬于磁記錄介質。目前已經應用和尚在開發的磁記錄介質分為鐵氧體和金屬兩大類,或分為磁粉和連續磁膜兩大類,包括下面幾種磁性材料:

(1) γ-Fe2O3Co或摻Co的γ-Fe2O3磁粉,是目前應用最廣的磁記錄材料。

(2) CrO2磁粉,其磁特性如矯頑力、飽和磁化強度、剩磁比和磁晶各向異性常數都較高,但居里點低(120),制備過程中又需高溫、高壓、催化劑等條件,阻礙其應用。

(3)金屬磁膜在一般磁記錄中主要有Fe磁膜和Fe-CoDU磁膜兩種,前者飽和磁化強度較后者高,但矯頑力較后者低。

(4)Co-Cr系磁膜具有高的垂直(膜面)各向異性,適宜于在垂直記錄中應用。

(5)近年來,離子(M)代換的Ba(M,Fe)12O19系磁粉研究較多,既可應用于一般磁記錄中,又可應用于垂直磁記錄中。

3 矩磁材料

磁滯回線接近矩形和矯頑力低的磁性材料,稱為矩磁材料。 矩磁材料制成的磁芯或磁膜可以組成計算機的內存儲器,它利用矩磁材料的矩形磁滯回線的兩個穩定的剩磁狀態構成計算機二進位制的“0”和“1”雙穩態,再利用脈沖磁場存取信息。其主要磁參量要求是:①矩形比R=Br/Bs高,以保證高的信/噪比;②矯頑力Hc低,以降低驅動電流;③開關時間ts短,即要求反磁化速度高,以提高信息存取速度;④各項磁參量對各種環境因素有高的穩定性。矩磁材料已經大量應用的有常溫的Mg-Mn系鐵氧體和寬溫用的Li-Mn系鐵氧體(都為尖晶石型鐵氧體),以及Ni-Fe系合金薄膜。它們具有非易失性和抗輻照的優點。

4 磁泡材料

磁泡材料是指在一定外加磁場作用下具有磁泡疇結構的磁性薄膜材料⑵。當外加磁場增加到某一程度時,磁性晶體的一些磁疇便縮成圓柱狀,其磁化強度與磁場方向相反,像一群浮在膜面上的小水泡(稱為磁泡)。圓柱狀的磁疇利用液相外延的方法在[111]方向生長的磁性石榴石單軸磁晶各向異性,其易磁化軸垂直于膜面,薄膜厚度約為幾微米,對可見光是透明的。利用偏光顯微鏡可以清楚觀察到薄膜中的疇形,未加外磁場時呈迷宮狀疇,由明暗相間的條狀疇構成,兩者的面積大體相等,當外加磁場增加時,磁化方向和磁場方向相同的磁疇變寬,磁化相反的疇形變窄,磁場再加強時,那些變窄的反向磁疇就要縮成分立的柱形疇,磁泡存儲是利用磁泡材料中磁泡的有或無表示“1”或“0”,實現信息的存儲。控制磁泡的產生、清除和檢出以實現信息的寫入和讀出。

其主要要求是:①品質因數高,這是磁泡疇的穩定條件,Ku和μ0Ms2分別是磁泡材料(薄膜)的垂直磁各向異性常數和飽和磁化強度;②磁泡疇壁矯頑力Hc低,以減小驅動磁場和功率;③磁泡疇壁遷移率μw高,以提高磁泡傳輸信息的速度;④要求磁泡各磁參量對溫度、時間、振動等環境因素的穩定性高。磁泡存儲器容量大、體積小、無高速運動的機械部分,但速度慢、性能不夠穩定,目前只是處于研制和試用階段。可用作磁泡的材料主要有石榴石型稀土鐵氧體系、Tb-Fe系、Gd-Co系非晶磁膜、鈣鈦石型鐵氧體系等。

5 磁光存儲材料

磁光存儲材料能使光在磁場作用下改變它的傳輸和反射方向。如克爾磁光效應是指線偏振光入射到施加磁場的磁性材料表面反射出去時,偏振面發生旋轉的現象,偏振角旋轉的大小和方向也與磁場強度、材料磁性和磁場方向有關。應用較多的磁光存儲材料主要有錳鉍系磁膜和Tb-Fe系、Cd-Co系非晶磁膜材料。磁光存儲正是利用磁光效應對信息進行存取:將偏振光束投射到加有寫入磁場的磁光材料上,受光照射部分矯頑力降低,材料的磁化方向將與寫入磁場的方向相同,這樣便將代表不同寫入磁場方向的“0”或“1”信息存入磁光存儲器,當光移開后,矯頑力增大,使存儲的信息不易丟失;要讀出信息時,只要將偏振光束照射到信息點上,因信息點處的磁化方向不同,反射光的旋轉角方向也不同,由此就可知該點存儲的代碼。

信息化時代的突出特征是信息量劇增,因此需要高密度磁記錄材料和海量存儲技術。硬磁材料正在向著高磁能積、高矯頑力、高剩磁方向發展,NdFeB 永磁合金最大磁能積已超過52MGOe;軟磁材料正在向著高飽和磁通密度、高磁導率、低磁損耗、低矯頑力、高截止頻率方向發展,正在開發的納米微晶軟磁合金磁導率高達100000Hm,飽和磁感應強度可達13T。磁記錄器的高密度、低噪音、小型化,要求磁粉的顆粒尺寸由微米向亞微米、納米方向發展,納米級磁顆粒技術則可以將硬盤的存儲密度提升至驚人的每平方英寸50Tb⑶。毫無疑問,未來磁存儲密度能否獲得突破性的發展,將取決于相關領域納米材料的研究成果。

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