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磁存储技术

随着信息量的爆炸式增长，对信息存储技术提出了越来越高的要求。在当今的各种信息存储技术中，磁存

储仍然是最重要的存储技术。最后还介绍了新近发展起来的热辅助磁记录技术和图案化介质技术原理与优

势。

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。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，本文

简要介绍近年来硬磁盘技术的主要进展。

一、信息的记录与读出过程

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。

1．1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。

1．2读出过程读出过程采用巨磁电阻GMR(GianMagnetoResistance)磁头，包括磁性自

旋阀(MagneticSpinValve)与磁性隧道结(MagneticTunnelJunction)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。

二、磁化状态的稳定性

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，需保证足够高的信噪比sNR。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T1

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。

2．2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