页数：62页文件大小：2.17 MB来源： 功能材料及其应用ppt课件
本课件围绕利用磁学原理存储与记录信息的载体材料展开，比较纵向、垂直与磁光记录模式的差异，说明金属磁粉、连续膜与薄膜介质的制备与性能，并介绍磁头材料的高磁导率、耐磨等要求。
磁信息材料磁信息材料是利用磁学原理和方法存储和记录信息的磁载体材料。磁信息材料分类按所采用的磁学原理和方法不同分为:矩磁性存储、磁泡存储、磁记录和磁光记录。磁存储是随着电子计算机的兴起而发展起来的。
磁记录是从录音开始，接着扩展到录象和录数码，形成了广阔的磁信息技术领域，在信息技术中占有十分重要的地位。磁记录材料、磁带材料、磁泡材料和矩磁材料。
磁记录磁记录是利用磁头气隙中随信息变化的磁场磁化经过气隙的磁记录介质，随时间变化的信息磁场转化为磁记录介质中按空间变化的强度分布。经过相反的过程可将记录的信息经磁头重放出来。
纵向磁记录模式缺点纵向磁记录模式在实现超高密度磁记录时遇到了很难解决的技术难题，即要求磁记录介质很薄，磁头和介质的距离很窄以减少退磁场，但这是有限度的。
磁垂直记录和磁光记录模式垂直记录是利用磁场的垂直分量在具有各向异性的记录介质上写人信息。磁光记录是用光学头，靠激光束加磁场来写人信息，利用磁光效应来读出信息。磁记录材料的种类：磁记录材料包括磁头材料、磁记录介质材料和磁光记录介质材料三部分。
一、磁头材料1、磁头与磁头材料从录音机到电子计算机都要用磁头。磁头的基本功能是与磁记录介质构成磁性回路，对信号进行加工，包括记录、重放和消磁（抹除信息）三种基本功能。
一、磁头材料1、磁头与磁头材料记录信号的基本过程：记录信号时，在磁头线圈中通入信号电流，就会在缝隙产生磁场溢出，则剩磁沿着介质长度方向上的演变规律完全反映信号变化规律。
磁头材料是磁头铁芯用的高密度软磁材料，做成记录（写入）或重放（读出）信息的换能器件。
一、磁头材料3、磁头材料的种类与特点（1）金属磁头材料在坡莫合金中加入少量的铌（3％～8％）、钛、铝等可提高硬度和电阻率，并获得较高的磁导率。例如：硬坡莫合金，加铌的79Ni-2Mo-7Nb-0.5Al-Fe合金。
二、磁记录介质材料最常见的录音机、录相机磁带、计算机用软盘、各类磁卡都是用磁记录介质材料制作的。磁记录介质材料是涂敷在磁带、磁盘和磁鼓上面用于记录和存储信息的磁性材料。
磁记录介质材料是作为硬磁材料来应用的，与传统硬磁材料不同，往往不是以块状形态使用，常用的使用形态有颗粒涂布型和高密度连续膜型磁记录介质。五项指标作为磁记录介质材料要求的指标主要有五项：记录密度、存贮容量、数据传输速度、数据存取时间和误码率。
二、磁记录介质材料1、磁记录介质磁性能要使记录和存储的信息稳定可靠，要求磁记录介质为矩形好的永磁材料，并有如下磁性能要求：（1）矫顽力Hc要适当高（16～80kA/m），以便有效地存储信息，抵抗环境干扰，减少剩磁状态的自退磁效应，提高记录密度。
颗粒涂布型磁记录介质，要获得高的矫顽力，需要控制磁粉的晶体结构、形状及尺寸。
二、磁记录介质材料1、磁记录介质磁性能（1）高矫顽力。磁粉在尺寸控制上存在一临界尺寸d临。磁粉直径大于临界尺寸是多畴结构。磁化过程通过畴壁位移实现，故矫顽力低。磁粉直径小于临界尺寸是单畴结构。
二、磁记录介质材料1、磁记录介质磁性能（1）高矫顽力。在单畴结构时，磁化过程只能由畴的转动来实现，而转动需克服较大能量，所以矫顽力增加。但尺寸太小，则由于热扰动的作用大于交换作用，自发磁化被破坏，矫顽力降至零。
二、磁记录介质材料1、磁记录介质磁性能（1）高矫顽力。单畴时矫顽力是由磁粉的磁晶各向异性和形状各向异性所决定，这二个因素与磁粉的晶体结构与形状有关。另外，磁粉颗粒小也可以减少噪声。
二、磁记录介质材料2、涂布型和连续膜型介质磁性能比较为提高记录密度，要减薄磁层，但还要获得足够高的输出电压，则必须使用连续膜介质。
二、磁记录介质材料2、涂布型和连续膜型介质磁性能比较薄膜的本征磁性能，如饱和磁化强度是由成份、偏析、温度决定的。
二、磁记录介质材料3、常用磁记录介质的种类与特点（1）γ-Fe203γ-Fe203是一种具有尖晶石立方晶体结构的氧化物介质材料。磁铁矿在温度约200℃和有水蒸气存在时氧化而制成。
γ-Fe203粉末的基本磁性质Bs＝0.14T，Hc＝24～32kA/m，居里温度Tc＝385℃，并具有好的温度稳定性。主要用于录音带、录像带和磁盘。
二、磁记录介质材料3、常用磁记录介质的种类与特点（2）钡和锶铁氧体钡和锶铁氧体有较高的矫顽力和磁能积，抗氧化能力强，成为广泛应用的永磁材料。钡铁氧体磁粉是六角形平板结构，易磁化轴垂直于C平面，适合作垂直磁记录介质。
钡铁氧体的各向异性常数为3.3×10-1J/cm，由各向异性引起的矫顽力为2kA/m。
二、磁记录介质材料3、常用磁记录介质的种类与特点（3）CrO2CrO2是一种强磁性氧化物，属亚稳铁磁材料。CrO2的结构为四方晶系，具有单轴各向异性，各向异性常数为3.0×10-2J/cm。
CrO2的Hc值为31.8kA/m，若加入（Te+Sn）、（Te+Sb）等复合物，Hc可达59.7kA/m。CrO2主要用于高级录音带及录像带。
二、磁记录介质材料3、常用磁记录介质的种类与特点（4）金属磁粉金属磁粉包括Fe-Co-Ni和Co-Ni-P合金粉、Fe粉、Fe-Co合金粉。特点：Bs和Hc都较高，有高的灵敏度和分辨率。Bs值高，材料在薄层内可得到较大的读出信号。
Hc值高，记录介质能承受较大的退磁作用，达到高密度记录。
二、磁记录介质材料3、常用磁记录介质的种类与特点（4）金属磁粉金属磁粉和氧化物磁粉的磁滞回线比较可知，金属磁粉的矫顽力和磁感应强度远大于氧化物的矫顽力和磁感应强度。
二、磁记录介质材料3、常用磁记录介质的种类与特点（5）金属薄膜金属薄膜材料是利用制膜工艺在基带上形成一种很薄的金属膜。常用的制膜工艺化学镀、电镀、离子喷镀、溅射、真空蒸镀等。金属薄膜材料包括Fe-Co-Ni和Co-Ni-P等合金材料。
特点：磁性能好、分辨率高。
二、磁记录介质材料3、常用磁记录介质的种类与特点（6）钴用钴作磁记录介质材料也极有前途。例如：羰基钴在适当的有机聚合物共存时，热分解制成了100～500A0（lA0=0.lnm）钴立方体。
用这种钴立方体做成的磁带比γ-Fe2O3型磁带有较高的输出和较低的噪声。
三、磁光记录介质材料在激光、光电子学和正在发展的光子学中广泛应用各种磁光效应器件。这些器件中广泛使用具有磁光效应的磁性材料－－磁光材料。磁光记录介质是利用磁光效应原理来工作的磁记录材料。
1973年美国IBM公司Chandhari等人报导了非晶态钆钴膜具有磁光记录功能后，发展迅速，1988年第一张磁光盘实际应用，1990年开始出现了5.25吋（1吋=2.54cm）的磁光盘驱动器产品。
三、磁光记录介质材料1、磁光记录磁光记录是光盘记录的常用方式之一。光盘记录在当代信息社会中扮演着越来越重要的角色。目前，各种各样的光存储技术已得到广泛的实际应用，像CD、CD-ROM、CD－RW、DVD、MO、MD等。
光盘可分为3大类，即再生专用型或只读型光盘、一次写入型光盘和可擦除重写型光盘。可擦除重写型光盘材料常用的有四种不同物理原理的材料，即态变型材料、相变型材料、磁光型材料和光致色变型材料。
三、磁光记录介质材料1、磁光记录磁光盘，(megneto-optical)像磁带、磁盘一样，属于磁媒体。利用磁克尔效应，通过磁写入光读出记录、改写、删除信息。优点：记录合并了光记录与磁记录的全部优点。
记录密度高（107～1010b/cm2，1张光盘可存储数百G的信息）、非接触读写可靠性高、可用于多道记录及全息照相存储等。缺点：驱动系统的复杂，要同时处理磁场与光波。
三、磁光记录介质材料1、磁光记录（1）信息写入基本原理磁光效应是基于光与介质之间的磁化相互作用，而使光学参数发生变化的现象。
三、磁光记录介质材料1、磁光记录（2）信息读出基本原理记录的信息通过激光利用磁克尔效应或法拉第效应读出。偏振光反射时发生的偏振面旋转的现象称为磁克尔效应。
三、磁光记录介质材料1、磁光记录（2）信息读出基本原理在光盘中，磁化反转部分与周围基体的磁化方向是相反的。记录部分反射光偏振面旋转角与基体部分反射光偏振面旋转角之
三、磁光记录介质材料3、磁光记录介质种类与特点（1）第一代磁光记录介质非晶态稀土－过踱金属合金膜，铽铁钴（TbFeCo）和钆铽铁（GdTbFe）非晶合金膜性能最佳。
这类材料晶体结构是长程无序，磁结构是亚铁磁性，有利于调节成分来获得最佳室温净饱和磁化强度和居里温度，来最佳写入参数。缺点：克尔角较小，长期稳定性差。
三、磁光记录介质材料3、磁光记录介质种类与特点（2）第二代磁光记录介质第二代磁光记录介质处于研究阶段，主要有石榴石膜、铂（钯）多层膜和掺杂的锰铋合金膜。
铂-钴多层膜，当钴层厚度为1～2个原子层，铂层厚度为1～2nm时，垂直各向异性很强，克尔角比非晶稀土－金属膜稍高，但反射率高，磁光优值（克尔角和反射率平方的乘积）比非晶膜好。特别在短波长时，克尔角比非晶膜明显增大。同时，抗腐蚀性好。
磁泡材料就是在垂直薄膜平面的外磁场作用下，能产生圆柱形磁畴的薄膜材料。
一、磁泡的形成（1）磁泡某些磁性材料薄膜（片）的性能和尺寸满足一定条件时，在适当的偏磁场作用下，其反磁化畴变为直径为1～100μm的圆柱形磁畴，在偏振光显微镜下观察，这些圆柱畴在薄膜表面好像浮着一群圆泡，故称为磁泡。
一、磁泡的形成（2）磁泡的记录功能利用外加一定的脉冲或旋转磁场和磁路，可使磁泡产生、传输和消失。这种在特定位置上产生或消失状态正好对应“0”和“1”，并能快速位移，其速度可达10m/s以上。可利用磁泡进行存储、记录和逻辑运算等。
一、磁泡的形成（3）磁泡的形成产生磁泡需要单轴各向异性材料并制成薄膜/片，使易磁化轴垂直于表面。当各向异性场大于或等于饱和磁化强度Ms时，如未加偏场，薄膜中会有带状磁畴形成，正反磁畴面积相等。
一、磁泡的形成（3）磁泡的形成加偏场Hb后，磁化方向和磁场方向相同的磁畴变宽，磁化相反的磁畴变窄。磁场再加强，那些变窄的反磁化畴就局部地缩成分立的圆柱形畴，即磁泡。
二、磁晶各向异性一般来说，在固体中原子按照一定位置排列而形成结晶体。各个方向原子排列的情况不一样，各方向上的物理性质也就不同，这就是通常所说的各向异性。对铁磁和亚铁磁材料单晶体而言，不同晶向磁化时，磁性随晶向显示出各向异性。
最容易磁化的晶向称为易磁化方向（易轴）。最难磁化的晶向称为难磁化方向（难轴）。
三、磁泡材料的特征值1.（单轴）磁晶各向异性常数K1形成稳定磁畴结构的条件是：§7.2磁泡材料μ0－真空磁导率；Ms－饱和磁化强度2.合适的Ms值选择的材料Ms值既要满足上式，同时还要对工作条件有利。
稳定偏场值Hb≈0.3(Ms)，如Ms高，要求Hb及工作磁场高，这对工作不利。这方面要求Ms适当低些，但如Ms过低，磁泡尺寸必然增大，这对存储密度不利。
三、磁泡材料的特征值3.特征长度Ld磁泡材料特性可用特征长度Ld表征，Ld定义为：§7.2磁泡材料σω－畴壁能量密度；Ms2－单位平面的退磁能。Ld是材料单位平面的畴壁能与退磁能之比。Ld表示了基本厚度h，并决定了泡径d。
薄膜最佳厚度h=4Ld，最佳工作泡径d=8Ld。泡径小，可增大存储密度。
三、磁泡材料的特征值4.磁泡的位移矫顽力Hc在应用中，要使磁泡位移，除外加偏场Hb外，还要外加一定大小的调制梯度场△H，经计算:△H＞8Hc/π（A/m）如Hc高，则要求驱动场高，这对应用不利，故要求Hc小。
三、磁泡材料的特征值6.品质因素Q阻止磁泡材料的磁化偏离薄膜的垂直方向(即稳定性）是由材料的品质因数Q决定：Q=2K1/μoMs2＞l当Q值太低时，在较高的工作温度下，磁畴不稳定，会出现不希望的成核；而Q值太高时，所希望的新成核的产生又比较困难。
另外，作为理想的磁泡材料，还要求材料的缺陷密度很低，温度稳定性要高，才可能用于制造大容量、高可靠的泡畴存储器。
四、磁泡材料的种类完全满足上述性能参数的材料不多，已有的磁泡材料主要有四种：钙钛石型正铁氧体、磁铅石型铁氧体、石榴石型铁氧体以及非晶态材料。
1.钙钛石型正铁氧体钙钛石型正铁氧体的分子式为RFeO3（R为稀土元素），属于正交晶系结构，在磁性上成亚铁磁性。这类材料易于满足低Ms、高Kl的要求，并可用离子代换来控制。
虽迁移率较高（2.5～6.5cm/s·A·m-l），但泡径太大，温度稳定性差。
四、磁泡材料的种类2.磁铅石型铁氧体磁铅石型铁氧体中多数铁氧体的易轴平行于六角晶轴，K1值大，一般虽能满足等效各项异性HA≥Ms的条件，但因Ms高，泡径太小（0.3μm左右），且K1太高，使畴壁矫顽力和驱动场都大，迁移率很低。
为克服这些缺点，可用非磁性离子如Al3＋、Ti4+等代换Fe3+来调节磁性。
例如：（Sr、Ba、Pb）F12019材料，用Al3+部分取代Fe3+后得到的PbAl4Fe8O19，BaAl4Fe8O19材料，其泡径可与石榴石铁氧体的泡径相近（≤10μm）。
四、磁泡材料的种类3.石榴石型铁氧体石榴石型铁氧体的分子式为M3Fe5O12，属立方晶系。这类材料K1较小，泡径在1～10μm范围内，迁移率较快，有利于快速运算，大容量存储。
在GGG基片上外延生长的单晶薄膜比较完整，可以做到在0.6cm2面积内其膜厚起伏仅为土2.5％，而且在1cm2面积内无缺陷，适合于应用。总之，石榴石铁氧体是一种应用最广泛的磁泡材料。
五、磁泡材料的应用磁泡存储器具有存储密度大（109位～1013位每平方米），消耗功率小（比半导体存储器低102～3）、信息非易失性等优点，存储速度（可达106位每秒以上）低于半导体存储器而高于磁盘、磁鼓，是一种正在发展很有希望的存储器。
磁泡存储器在信息、通讯、工业和空间技术等领域有着广阔的应用前途。
2、矩磁材料主要种类和应用矩磁铁氧体材料有几十种系列，其中有些因开关系数（Sw）较大，难于在实际应用，用量最大的是尖晶石型铁氧体矩磁材料。目前，常用的磁芯以MgMn和LiMn两个系列为主，LiMn铁氧体性能最好。
矩磁材料主要用于制造磁放大器、磁调制器、中小功率脉冲变压器、方波变压器和磁心存储器等。磁芯是用作计算机主存器的存储元件，主存器是用来存储主程序以及常用的计算数据和输出数据。矩磁材料和磁芯存储元件的持续研究和发展，磁性的性能有较大幅度提高。
随着信息技术的迅速发展，磁信息材料也取得了不少新进展，以下简介20世纪90年代以来的一些进展。磁信息材料的进展和磁性材料的进展是紧密联系的，只是各有侧重。
1.高记录密度磁膜材料磁记录技术的发展要求有高记录密度的材料，近来报导了CoCrPrTa和CoCrTa磁膜材料，其磁记录密度分别为0.8Gb/cm2和0.128Gb/cm2。
Co-Cr系合金（如Co-Cr、Co-Cr-Nb、Co-Cr-Ta）复合垂直磁记录介质和单磁极型磁头相配合，可使磁记录密度＞118KFRPC（千磁通反转每厘米）。
1.高记录密度磁膜材料利用有高矫顽力的铁氧体或稀土合金膜和有高饱和磁化强度的磁性金属膜组成双层膜也可以得到兼有高矫顽力和高饱和磁化强度的高磁记录密度磁膜材料。
如钴铁氧体/铁的饱和磁化强度达1000kA/m，SmCo/Cr的矫顽力达155kA/m。2.高频和自旋阀磁头材料高频和自旋阀磁头材料是磁纪录技术发展急需的材料。一般磁头材料在高频下性能要变坏，近来报导了两种高频磁头材料。
2.高频和自旋阀磁头材料一种是用电镀法制成的NiFe（80/20）磁头，其写入气隙宽度和窄磁极厚度分别为0.25mm和3mm。
另一种是用溅射法制成的多层FeN膜磁头，FeN膜厚29.7nm，膜间用2.5nm的Al2O3膜隔开，共有102层，其写入气隙宽度和窄磁极厚度分别为0.3mm和3mm。
自旋阀巨磁电阻磁头比一般各向异性磁电阻磁头磁电阻输出高，响应线性好，不需附加横偏压层。
如NiFe/CoFe双层膜作软磁自由层，用溅射法在玻璃基片上淀积的Ta/NiFe/CoFe/Cu/CoFe/FeMn/Ta多层自旋间多层膜，磁电阻率为7%，自由双层的矫顽力为1/4π×5kA/m。
3.巨霍尔效应磁性材料巨霍尔（Hall）效应磁性材料的霍尔效应比一般高几倍到几十倍以上，能显著提高霍尔效应器件的灵敏度。
例如：（NiFe）x（Si02）l-x（x=0.53～0.61）的颗粒型薄膜材料在0.4T磁场中，异常霍尔电阻率达200μΩ·cm，（FexSi02）1-x颗粒型薄膜（膜厚约0.5μm）在其x小于金属-绝缘体相变成分xc时，室温下的正常霍尔系数和饱和异常霍尔电阻率分别为10-3μΩ·cm/10-4T和250μΩ·cm。
4.低磁场庞磁电阻材料庞（colossal）磁电阻材料，有极高的磁电阻率，在磁头、磁传感器和磁存储器中有可能得到重要的应用。
但一般情况下，庞磁电阻都在很高磁场（1T）中才产生，要在实际应用时，必须研制能在低磁场（如＜0.1T）下产生庞磁电阻材料，目前已有所进展，如（Nd1-ySmy）1/2Sr1/2MnO3系材料，在y=0.94，温度略高于居里温度时，在0.4T的外磁场中，其庞磁电阻率达103μΩ·cm以上。
6.巨磁光克尔（Kerr）效应材料巨磁光效应材料是研制小型高性能磁光器件，特别是具有非互易性能的磁光隔离器和旋磁器件所急需。
近来取得了引人注意的新进展如CeSb在0.55eV波段，EuSe在2.4eV波段，U（Sb，Te）在0.8eV波段，它们的Kerr旋转角分别达到14°、9.7°和9°。
最近又发现CeSb在0.55eV波段以下旋转角高达90°，CeS在3eV波段旋转角也有22°。同时从理论上预测，4f和5f（轨道电子结构特殊）材料系统的Kerr旋转角可高达60°。
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