超高密度磁記錄用硬盤核心磁性器件的微磁學(xué)分析.pdf

1、硬盤核心系統(tǒng)包括存儲(chǔ)信息的磁介質(zhì)、讀寫信息的磁頭和實(shí)現(xiàn)快速讀寫的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，其中涉及的學(xué)科非常廣泛，包括材料、機(jī)械、電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)等工科的研究，也與物理、化學(xué)這些理科的基礎(chǔ)研究密切相關(guān)。本文的研究主要集中在對(duì)硬盤工業(yè)最關(guān)鍵的核心磁性器件的研究領(lǐng)域。微磁學(xué)(micromagnetics)可以計(jì)算磁滯回線、磁導(dǎo)率、磁疇和信息的讀寫過(guò)程，通過(guò)計(jì)算和設(shè)計(jì)，可以大幅度地減少器件制備、材料制備過(guò)程中的盲目性，并可以設(shè)計(jì)硬盤系統(tǒng)的重要參數(shù)。本

2、論文的研究?jī)?nèi)容從超高密度磁記錄介質(zhì)到CPP-GMR器件，再到熱輔助磁記錄系統(tǒng)(包括磁性記錄層，中間層，軟磁襯底層，SPT寫磁頭以及激光光源)。根據(jù)具體的研究步驟，論文主要分為以下三個(gè)部分： 第一部分超高密度磁記錄用記錄介質(zhì)的微磁學(xué)模擬分析 這一部分主要以磁晶各項(xiàng)異性能和磁彈性能為核心對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備出來(lái)的磁性能良好的垂直取向L10相FePt合金單層膜和多層膜以及水平取向的CoCrPt合金單層膜進(jìn)行微磁學(xué)分析，主要得到以下一些

3、結(jié)論： 1)在FePt/Pt/CrlW單層膜中，隨著襯底層中W含量從0增加到15 at.％，CrW合金的晶格常數(shù)變大，Cr(200)面和FePt(001)面之間的錯(cuò)配度也相應(yīng)增大，從5.4％增加到7.2％，這也就表明，在FePt合金薄膜的面內(nèi)，存在著伸張內(nèi)應(yīng)力σi。通過(guò)應(yīng)力定性分析，我們得到了FePt單層膜面內(nèi)總的應(yīng)力大小為1.079 GPa(包括內(nèi)應(yīng)力和外應(yīng)力)，其中沿a軸方向的總應(yīng)力大小約為763MPa。 2)在Fe

4、Pt/Pt/CrW單層膜中，我們通過(guò)微磁學(xué)分析的方法，研究了四角磁晶各項(xiàng)異性，晶粒內(nèi)部的交換相互作用以及面內(nèi)應(yīng)力對(duì)FePt合金單層薄膜M-H回線的影響。 3)在Fe/Pt多層膜中，我們對(duì)L10相FePt合金多層磁性薄膜的磁致回線進(jìn)行了模擬。和單層膜相比，多層膜中c軸的取向度更好一些，而且晶粒內(nèi)部和晶粒之間具有較大的交換相互作用。我們模擬得到的垂直方向的矯頑力約為7.8 kOe，略小于面內(nèi)的矯頑力，這主要是因?yàn)樗慕谴啪Ц黜?xiàng)異性在面

5、內(nèi)導(dǎo)致了較大的立方各向異性的緣故。 4)在Fe/Pt多層膜中，我們通過(guò)計(jì)算矯頑力與外場(chǎng)和取向間央角的關(guān)系，對(duì)Fe/Pt多層膜的反磁化過(guò)程進(jìn)行了簡(jiǎn)單的研究。研究表明，多層膜表現(xiàn)出與疇壁移動(dòng)模型相近的變化趨勢(shì)，這說(shuō)明它的反磁化過(guò)程主要是以疇壁位移的方式進(jìn)行的。 5)此外，我們以六角網(wǎng)格為基本單元，以單軸磁晶各項(xiàng)異性能和磁彈性能為核心，對(duì)實(shí)驗(yàn)室制備出來(lái)的水平取向的CoCrPt合金單層磁性薄膜進(jìn)行了微磁學(xué)分析。微磁學(xué)研究表明，當(dāng)

6、Pt含量超過(guò)15 at％時(shí)，由應(yīng)力導(dǎo)致的矯頑力將起主導(dǎo)作用。 第二部分超高密度磁記錄用CPP-GMR讀磁頭的微磁學(xué)分析 這一部分主要致力于對(duì)納米尺度的CPP-GMR器件進(jìn)行微磁學(xué)模擬，主要得到了以下結(jié)論： 1)為了提供最佳的永磁偏置場(chǎng)，抑制多層膜自由層中磁疇結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生，使得自由層的磁矩只隨外場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)，水平永磁體頂角θ的最優(yōu)化值為70°。 2)當(dāng)CPP-GMR磁頭的磁跡寬度(track-width)減小到40

7、nm時(shí)，在不同的h/w(自由層高度與寬度比)比下，自由層的磁矩在信號(hào)場(chǎng)的作用下發(fā)生了一致轉(zhuǎn)動(dòng)，然而，當(dāng)h/w比大于1時(shí)，形狀各向異性在磁矩的翻轉(zhuǎn)過(guò)程中起到了非常重要的作用，導(dǎo)致了磁阻曲線中磁滯現(xiàn)象和不可逆跳躍的發(fā)生，并且惡化了磁頭的輸出信號(hào)。 3)研究了CPP-GMR磁頭的h/w比值(形狀各項(xiàng)異性)和永磁體的Mrd值對(duì)MR響應(yīng)曲線的影響。 4)研究了CPP-GMR磁頭的磁屏蔽層鏡像效應(yīng)。當(dāng)軟磁屏蔽層間隙G減小到20nm時(shí)

8、，要獲得良好的讀出特性，需要Hpinned≥7000e和HsyAF≥10000e。 這一部分主要通過(guò)建立三維的熱傳導(dǎo)模型和微磁學(xué)模型，對(duì)記錄密度超過(guò)1Tb/in2的熱輔助磁記錄系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，主要得到了以下結(jié)論： 1)研究發(fā)現(xiàn)，記錄介質(zhì)的加熱和冷卻過(guò)程是由磁性層和軟磁襯底層之間的熱傳導(dǎo)(-V2T)過(guò)程決定的，而且和軟磁襯底層的熱傳導(dǎo)系數(shù)K有著非常密切的關(guān)系。K值的增加，加速了HAMR介質(zhì)內(nèi)部熱量傳導(dǎo)的過(guò)程，導(dǎo)致了冷卻時(shí)

9、間的迅速減小，同時(shí)，也使得HAMR介質(zhì)局域溫度的最大值(Tmax)有所降低。 2)研究表明，在記錄層上數(shù)據(jù)位的分布圖樣不僅與SFT寫磁頭的形狀和寫入場(chǎng)的大小有關(guān)，而且還與記錄介質(zhì)層對(duì)溫度的響應(yīng)有關(guān)。對(duì)于FePt合金來(lái)說(shuō)，最優(yōu)化的寫入溫度為722K，這個(gè)溫度稍低于FePt合金的居里溫度(770K)。值得注意的是，在局域溫度高于722K時(shí)，HARM介質(zhì)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入，因?yàn)榇藭r(shí)介質(zhì)中心的飽和磁化強(qiáng)度大小幾乎為0。 3)在對(duì)

10、HARM系統(tǒng)單磁道寫入過(guò)程的模擬中，SPT磁頭和介質(zhì)之間的相對(duì)速度為35m/s，記錄位的道寬比(the bit-aspect radio)是2.7，記錄密度超過(guò)了1Tb/in2.為了進(jìn)行最佳的數(shù)據(jù)寫入操作，激光加熱斑點(diǎn)的中心與SPT磁頭主極前后邊緣的距離應(yīng)該小于1.4/41.4nm，這對(duì)于熱輔助磁記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有很重要的指導(dǎo)意義。 本論文在對(duì)L10相FePt合金單層膜和多層膜微磁學(xué)分析中取得了一定的進(jìn)展，首先在傳統(tǒng)微磁學(xué)模型的基