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热辅助磁记录技术

用激光热帮助磁头写入 -----. 热辅助磁记录技术. PB04000818 许猛 ( xvmeng@mail.ustc.edu.cn ) 指导老师：戚伯云 助教：李剑. 磁记录技术的新一轮革命已经开始了！. 光的神龙与磁的凤凰 在他们的夜晚还有我们的夜晚 张开了缤纷的翅膀 照耀了一个产业未曾出现过的转变. 莫失莫忘 ---- 硬磁盘写入原理. 计算机里的硬盘大家都用过，对它的用途应该不会陌生 …………. 硬盘的写入 :

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热辅助磁记录技术

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Presentation Transcript

  1. 用激光热帮助磁头写入----- 热辅助磁记录技术 PB04000818 许猛(xvmeng@mail.ustc.edu.cn) 指导老师：戚伯云 助教：李剑 磁记录技术的新一轮革命已经开始了！ 光的神龙与磁的凤凰在他们的夜晚还有我们的夜晚张开了缤纷的翅膀照耀了一个产业未曾出现过的转变

  2. 莫失莫忘----硬磁盘写入原理 计算机里的硬盘大家都用过，对它的用途应该不会陌生………….. 硬盘的写入: 写入时，磁头就是一个电磁铁：铁芯上绕有线圈，线圈通电，产生磁场，然后将磁场作用于盘片上的一个记录位。盘片上涂有磁性物质，这些磁性物质是由无数的“磁畴”组成的，每个磁畴都有S/N两极，像一个小磁铁。在磁介质没有被磁化时，内部磁畴的方向是杂乱的，不同取向的磁畴磁性相互抵消，对外不显示磁性。当外部的磁场作用于它们时，内部磁畴的方向会逐渐趋于统一，对外显示磁性。当外部的磁场消失时，由于铁磁性物质的特性，磁畴的方向不会回到从前的状态，因而该记录位具有了“剩磁”，这就是磁记录的方式。当要改变磁记录位的信息时，只要对它施加反向磁场，如果该磁场足够强，就可以重新改变内部的磁畴排列方向，同时该记录位对外的磁性也会改变。

  3. 什么是热辅助磁记录技术 热辅助磁记录: (Heat Assisted Magnetic Recording, HAMR) 利用了铁磁介质的温度对磁化的影响, 采用加温的方法改善存储介质写入时特性的技术

  4. 通常的存储方式: 用磁场来改变记录介质的磁化方向 HAMR: 在利用磁场的同时还要对记录单元加热。 记录介质在升温后矫顽力下降，以便来自磁头的磁场改变记录介质的磁化方向从而实现数据记录。与此同时记录单元也迅速冷却下来使写入后的磁化方向得到保存。 HAMR的优越性: 可以利用 ---更小的磁性颗粒， ---更强的磁晶矫顽力。 结果: 降低介质的噪声  从而达到更高的存储密度。

  5. 旧技术的危机 • 增大存储容量 必须 加大存储密度 • 目前存储一个位的信息需要大约100个磁畴(2004年) • 一个位占的面积越小，存储密度越大 • 但是磁性位减小受到一系列因素的限制: 磁性位越小，使其极性翻转所需要的能量就越小，在小于某一尺度时甚至室温的热能都可以使它自动翻转，数据就会被破坏，这就是超顺磁效应。为了对抗这一效应，可以使用高矫顽力的材料，但磁头的写入则会变得更加困难。

  6. 磁头写入的困难: 1.磁场强度限制. 使用高矫顽力材料 写入磁场必须增大 但是体积不断减小的写入磁头, 不能提供这么大的磁场 2.磁聚焦精度限制. 磁场聚焦使用的是铁磁物质的细尖端,可是磁性位的不断缩小, 磁头机械加工技术根本跟不上发展, 不能准确聚焦磁场到目标区域.

  7. 解决方案：激光聚焦产热 如何让高矫顽力的材料的矫顽力暂时地不那么高呢？ 加热！

  8. 如何使写入准确呢？ 因为激光可以被聚焦到很小的区域，其精度远远高于磁聚焦。激光能量很高，可以加热被聚焦的区域。这样，如果控制好磁场，即便磁场区域大于目标区域大小，也只会克服了被加热区域的矫顽力而写入，对邻近区域(冷，矫顽力大)影响很小。

  9. 磁位元的磁化特性（以SOMA FePt为例） • 特别硬（矫顽力特别大） • 特别小（单元小，存储密度高） • 没几个子 （单元小到了只有几十个晶格） SOMA= Self-Ordered Magnetic Array自排列磁性晶体栅格阵列 SOMA FePt（铁铂合金）：目标位元直径6纳米。

  10. 磁位元的磁化特性（续） • 一个位元只有<100个晶格面！（这是使用NaCl为模型的计算结果） • 磁晶的微小导致了矫顽力的增大和磁滞曲线的矩形化： 图：SOMA FePt 的磁滞曲线 矩形化的结果是什么？ 只有强于翻转点的磁场才可以克服矫顽力，改变位元的极性。

  11. 铁磁质温度和磁化的关系 我没有剩磁与温度的关系图，但因为FePt这类铁磁质的剩磁与磁导率正相关，就用磁导率表现剩磁。 在强磁场中，感应强度随温度的上升而一直降低；在弱磁场中，先升高再降低。磁场越弱，磁导率峰值温度越高。 热辅助磁记录：在相对较弱的写入磁场下，通过升高目标区域的温度，提升其磁导率，降低其矫顽力，从而实现弱磁场写入。

  12. 铁磁质温度和磁化的关系(2) 图示的是 不同的磁场下，磁导率与温度的关系。

  13. 关于热的讨论 • 加热到多少？实际操作中，可以加热到居里温度，也可以不加热到那么高的温度。加热到居里温度可以将原磁化消除，并且使介质退火以方便写入。不加热到居里温度，设计比较简单，总体来说比前者优。 • 如何散热？邻近的位元会受到热影响吗？透过盘片基板（铝质）散热。透过邻近磁记录单元的散热必须尽量避免，因为会影响邻近的位元温度，造成误写入。

  14. 设想的实现方式(1)机械结构 • 这是设想中，HAMR在水平磁记录磁盘上的实现。 • 同一时刻，激光照射点不与磁头写入点重合，而是先于磁头写入点到达指定区域。先加热，然后磁头写入加热后的区域，其邻近区域冷，不会受到影响。 • 2. 先加热，然后磁头写入加热后的区域，其邻近区域冷，不会受到影响。

  15. 设想的实现方式(2)比特表示

  16. ?! 设想的实现方式(2)比特表示 HAMR磁盘当处理到两个相邻的位元磁性需要相异时，会遇到困难----由于磁场不能同时有两个方向，不能同时写入两个相异的位元。 磁头啊，我看你怎么办?！ 如果用弱磁代表0,强磁代表1(浪费了反向的磁性状态) 则可以一次写入 如果反向的两个强磁场分别代表0和1,则 这两个位元只能分两次写入，降低了速度，并且需要更复杂的操纵机制.

  17. 设想的实现方式(3)降低写入温度 如果散热能够更快一点, 磁盘的速度就不会受到散热的拖累. 降低写入温度,是釜底抽薪的方法 如果裸用FePt介质, 大概需要加热到600°C以上. 能不能降低这个温度呢? 降低写入温度的关键是降低磁化率跃高点!

  18. 设想的实现方式(3)降低写入温度 数学分析中,减小一个函数峰值点的方法是什么? ? 加上一个单调递减的函数. 但是, 找不到合适的介质,其高的磁化率随温度单调递减.也不一定非要极值点. 我们可以自己再造一个跃高点.

  19. 设想的实现方式(3)降低写入温度 u 330ºC T 铁磁↓ 反铁磁↑ 方法是:在FePt层上加一层FeRh “温控反转介质”. 它属于软磁质 这样, 在低于330ºC,因为FeRh呈现反铁磁性, 故整体的磁化率低. 在高于330ºC, FeRh呈现铁磁性, 整体磁化率高. FeRh的磁导率—温度曲线 把写入温度降到了330ºC.

  20. 结语：没有放不下的！ 自排列磁性FePt晶体栅格和热辅助磁记录技术的结合，理论上极限记录密度是50Tbit/inch2 ! 一个便携式的媒体播放器，可以存储超过1000部长于80分钟的电影！ 不要担心空间不足，到时候需要担心的是内容不足! 有那么多好看的电影吗？ 坏道问题将大为减少，由于磁晶矫顽力更强，稳定性更高。向真正的“莫失莫忘”又走近了一步.

  21. 参考文献 [1] Future Magnetic Recording Technologies, Mark H. Kryder, Seagate Research [2]Growth and Characterization of L10 FePt and CoPt Textured Polycrystalline Thin Films, Sangki Jeong, Michael E. McHenry, and David E. Laughlin [3]Ferromagnetism, Richard M. Bozorth, D.VAN NOSTRAND COMPANY INC, 1951.3, Chapter 14: Temperature and the Curie point, Page 714 [4] Curie temperature of FePt-B2O3 nanocomposite films ; H. Zeng, R. Sabirianov, O. Mryasov, M. L. Yan, K. Cho, and D. J. SellmyerCenter for Materials Research and Analysis and Department of Physics and Astronomy, University of Nebraska [5] Future Magnetic Recording Technologies, Mark H. Kryder, Seagate Research 谢谢大家。 如果有问题，请提问。

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