原创如何征服超顺磁效应？

 2006-12-26 18:04  8149 10 11 分类: 工程师职场

作者：陈忠民

自1956年IBM推出RAMAC以来，硬盘的存储密度从当初200bits/in²提升到现在的100Gbits／in²，整整提高了5千万倍！但是，由于存储位变得越来越小，会出现超顺磁性效应，热扰动会降低信号强度，甚至导致存储失效。

1 什么是超顺磁效应？

磁性材料的磁性随温度的变化而变化，当温度低于居里点时，材料的磁性很难被改变；而当温度高于居里点时，材料将变成“顺磁体”（paramagnetic），其磁性很容易随周围的磁场改变而改变。如果温度进一步提高，或者磁性颗粒的粒度很小时，即便在常温下，磁体的极性也呈现出随意性，难以保持稳定的磁性能，这种现象被就是所谓超顺磁效应（SuperparaMagnetic Effect）。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

2 硬盘发展无法避开超顺磁效应

硬盘盘片是通过在盘基上涂覆一层磁性材料制成的，常用的磁性材料为钴铂铬硼（CoPtCrB）合金。磁性材料的颗粒大小直接影响盘片的磁记录密度，因为磁盘上表示信息的小磁极是由数百个磁性颗粒组成，磁记录密度越高，要求磁性材料的粒度越细。硬盘的磁记录密度为

20Gbpsi（每个盘片约为30GB）时，磁性颗粒的直径为13nm，磁性涂层的厚度为17nm左右。要实现100Gbpsi的磁记录密度，就必须把粒径和涂层厚度分别缩小到9.5nm和10nm。

随着磁性颗粒的缩小，表示数据的小磁极会变得越来越不稳定。引起不稳定的原因在于热能，磁性颗粒必须拥有足够的磁能才能抗拒颗粒所具有的热能的干扰。热能为玻耳兹曼常数与温度的乘积，热能随温度升高而增强；而磁能的大小取决于磁力大小和粒子体积，由于已经使用磁性最强的材料，没有进一步增强磁力的空间了，因此磁性颗粒的磁能将随粒度的缩小而降低。如果继续降低磁性颗粒的体积，以至于磁能低于热能，硬盘本身的温度甚至室温就可以让磁性颗粒的极性从有序变成无序，导致小磁极的整体极性消失，如图1（a）。这种现象被称为“热搅动（Thermal Fluctuation）”，热搅动现象将导致数据的永久性丢失。所以说，为提高硬盘存储密度而缩小磁性颗粒的粒度做法是有限度的。

图1 超顺磁效应的表现

另一方面，磁盘表面用于表示数据的每个小磁极是由许多磁性颗粒构成的，相邻的两个磁磁极之间在盘面上呈现犬牙交错的形态，如图1（b），从而造成小磁极边缘的磁通相互抵消，这就是所谓的“磁转变噪音（Magnetic Transition Noise）”。磁转变噪音减小了磁极的磁场强度，这对读取信息构成一定的负面影响。如果磁极没有足够的长度，磁头将很难读取磁盘信息。为了缩短小磁极的长度，同时又要避免这种噪音的影响，只有通过缩小磁性颗粒的直径，以使磁极的边缘看上去相当“平齐”而非“犬牙交错”。为了实现100Gbpsi的记录密度就必须制作出10nm以下的结晶。

综合以上两种情况，磁盘上的磁性颗粒既不能太大，也不能太小。太大会因为磁转变噪音而降低磁通量，给读盘带来困难；而太小又容易发生热搅动，导致记录信息的彻底消失。提高存储密度的工作陷入了两难困境，如果没有相应对策，硬盘容量增长的旅程将就此止步。

3 反铁磁耦合，锁定存储位

为克服超顺磁效应的障碍，研究人员找到了一些办法，其中最具代表性的技术是IBM的AFC（Anti Ferro_ magnetically Coupled，反铁磁耦合）和富士通的SFM（Synthetic Ferro Media，合成铁介质），它们虽然名称不同，原理则基本相同，都是通过使用多层磁体结构来稳定磁记录信息的技术。下面简单介绍一下AFC技术的实现原理。

普通磁盘的磁性涂层只有一层，而使用AFC技术，将磁性材料制成多层结构，除记录层以外，再使用稳定层，并且在记录层和稳定层之间增加一个钌层（Ru layer），如图2。钌(Ru)元素属铂族金属，为稀有金属，价格十分昂贵，正因为如此，IBM才称它为“仙尘”（Pixie Dust），AFC也因此成为一个价格高昂的技术。

图 2 AFC技术磁盘具有与普通磁盘的结构差异

钌元素具有反铁磁性，它能使相邻两层之间的磁场方向相反。当写磁盘时，磁头所产生的磁场不仅可以在最上层产生小磁极，由于钌层的存在，写电流所产生的磁场还穿过钌层使稳定层磁化，并使稳定层与记录层磁体极性相反。稳定层与记录层之间因磁场反向，异性相吸而相互锁定，从而实现记录层磁场的稳定。

图2所示的三层结构是IBM于2001年首次推出AFC时的情形，目前的磁盘大多采用具有

2层稳定层的3层结构，如图3所示。

图3 两个稳定层锁定一个记录层

传统介质出现超磁现象的线密度为200Gbpsi，而使用AFC介质后出现超磁现象的线可以提高到达800Gbpsi。因此，AFC介质的出现再次将磁存储密度的极限向后推移。

4 垂直记录技术,以厚度对抗超顺磁效应

AFC技术实际上是一种变相增加磁层厚度的办法——每一个磁层的厚度虽然比较小，但总的磁层厚度却增加了。垂直记录技术从本质上来说与AFC相似，它在提高磁记录密度的同时，通过增加磁性材料的厚度来维持磁记录单元的体积。第一款垂直记录硬盘——东芝MK4007GAL/MK8007GAH的磁录密度为133Gbits/sq.in，业界保守估计，预计记录密度提高到600Gb/sq.in左右时，垂直记录技术将遭遇存储密度的极限。根据过去的经验，未来几年内材料科学的发展，超越1Tb/sq.in也是完全有可能的。

图4 垂直记录技术原理

5 未来之路在哪儿？

如果按现在的的存储密度增长速度，未来的5到10年内数据位将变得非常小，以至于现有的技术对超顺磁效应失去作用。所以，包括Seagate、HItachi-IBM和Fujits在内的主要硬盘制造商都在围绕这个问题开展研究，有些技术在实验室里已经取得成功，进入到装备研制阶段。其中热辅助磁头记录技术被Seagate和Hitachi共同看好，也有另外一些技术为个别厂家多独有。下面按照思路的不同逐一进行简要介绍。

(1) 高温读写，常温保持

从磁性材料的特性方面着手，寻找更为稳定的磁介质（如铁铂粒子），可以在一定程度上解决超顺磁效应的问题。不过，随之而来的问题是：现有的磁头无法将数据写到这类介质上，于是希捷公司正在研究一种热辅助磁记录技术 (Heat Assisted Magnetic Recording，HAMR)，使用激光热辅助手段将数据记录到高稳定性介质上，而且随后的快速冷却又可以使已写入的数据变得稳定。

图5 利用激光给写入区加热，帮助感应磁头写入数据

我猜想，HAMR技术的原始思想，也许来源于光盘刻录技术的启迪。不管怎样，目前激光技术完全可以为这一思路提供支援，是一条可行的技术路线。Hitachi-IBM也十分看好这条路线，他们给这项技术的名称是“热辅助记录”（Thermal Assisted Recording，TAR）。

(2) 纳米磁岛工艺，增加磁颗粒尺寸

为了提高存储密度，惯常的思路是不断缩小磁颗粒的尺寸，这也是造成超顺磁效应的主要原因。既然如此，如果反其道而行之，岂不是很好？你也许会问：磁颗粒增大对存储密度是否有影响呢？答案是否定的。过去，每个存储单元都是由许许多多的小颗粒组成，如果用一个大颗粒替代成千上万的小颗粒，既不会有热搅动，也不会有磁转变噪音，非常有利于提高磁记录信息的稳定性，也不会对存储密度构成影响。工程师们把这个大颗粒称作“单域磁岛”（single domain magnetic island），或者可以简称“磁岛”，而将这种利用纳米工艺制作的磁记录层称作晶格化磁介质（patterned magnetic media）。

图6 有序排列的独立磁岛

希捷也向外公布一项名为“自组织磁性颗粒阵列”（self-organized magnetic array，简称SOMA）的磁层制造工艺。这种工艺可以让3-4纳米直径的铁铂合金颗粒在记录层表面形成规则的密排分布；如果一个晶粒代表1bit的二进制信号，那么硬盘的存储密度突破每平方英寸50Tbit就成为可能。

图7 独立磁岛与传统小颗粒磁粉技术的比较

过去的硬盘磁层是采用溅射工艺制作的，而独立磁岛的制作有可能需要借助于纳米压印法制作出一个纳米尺度的框架模型，然后往模型中浇注磁粉。这种工艺相对复杂，制作成本也会提高。不过，基于独域磁岛的思想，希捷还公布了一项名为“自组织磁阵列”（Self-Organized Magnetic Array，简称SOMA）的磁层制造工艺。据说这种工艺可以让3～4纳米直径的铁铂合金颗粒在记录层表面形成规则的密排分布。果真如此，未来前景便一片光明了。