超高密度磁記錄用硬盤核心磁性器件的微磁學分析.pdf

1、硬盤核心系統包括存儲信息的磁介質、讀寫信息的磁頭和實現快速讀寫的機械轉動系統，其中涉及的學科非常廣泛，包括材料、機械、電子、自動化、計算機等工科的研究，也與物理、化學這些理科的基礎研究密切相關。本文的研究主要集中在對硬盤工業(yè)最關鍵的核心磁性器件的研究領域。微磁學(micromagnetics)可以計算磁滯回線、磁導率、磁疇和信息的讀寫過程，通過計算和設計，可以大幅度地減少器件制備、材料制備過程中的盲目性，并可以設計硬盤系統的重要參數。本

2、論文的研究內容從超高密度磁記錄介質到CPP-GMR器件，再到熱輔助磁記錄系統(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)。根據具體的研究步驟，論文主要分為以下三個部分： 第一部分超高密度磁記錄用記錄介質的微磁學模擬分析 這一部分主要以磁晶各項異性能和磁彈性能為核心對實驗室制備出來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合金單層膜進行微磁學分析，主要得到以下一些

3、結論： 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合金的晶格常數變大，Cr(200)面和FePt(001)面之間的錯配度也相應增大，從5.4％增加到7.2％，這也就表明，在FePt合金薄膜的面內，存在著伸張內應力σi。通過應力定性分析，我們得到了FePt單層膜面內總的應力大小為1.079 GPa(包括內應力和外應力)，其中沿a軸方向的總應力大小約為763MPa。 2)在Fe

4、Pt/Pt/CrW單層膜中，我們通過微磁學分析的方法，研究了四角磁晶各項異性，晶粒內部的交換相互作用以及面內應力對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L10相FePt合金多層磁性薄膜的磁致回線進行了模擬。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，略小于面內的矯頑力，這主要是因為四角磁晶各項異性在面

5、內導致了較大的立方各向異性的緣故。 4)在Fe/Pt多層膜中，我們通過計算矯頑力與外場和取向間央角的關系，對Fe/Pt多層膜的反磁化過程進行了簡單的研究。研究表明，多層膜表現出與疇壁移動模型相近的變化趨勢，這說明它的反磁化過程主要是以疇壁位移的方式進行的。 5)此外，我們以六角網格為基本單元，以單軸磁晶各項異性能和磁彈性能為核心，對實驗室制備出來的水平取向的CoCrPt合金單層磁性薄膜進行了微磁學分析。微磁學研究表明，當

6、Pt含量超過15 at％時，由應力導致的矯頑力將起主導作用。 第二部分超高密度磁記錄用CPP-GMR讀磁頭的微磁學分析 這一部分主要致力于對納米尺度的CPP-GMR器件進行微磁學模擬，主要得到了以下結論： 1)為了提供最佳的永磁偏置場，抑制多層膜自由層中磁疇結構的產生，使得自由層的磁矩只隨外場轉動，水平永磁體頂角θ的最優(yōu)化值為70°。 2)當CPP-GMR磁頭的磁跡寬度(track-width)減小到40

7、nm時，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場的作用下發(fā)生了一致轉動，然而，當h/w比大于1時，形狀各向異性在磁矩的翻轉過程中起到了非常重要的作用，導致了磁阻曲線中磁滯現象和不可逆跳躍的發(fā)生，并且惡化了磁頭的輸出信號。 3)研究了CPP-GMR磁頭的h/w比值(形狀各項異性)和永磁體的Mrd值對MR響應曲線的影響。 4)研究了CPP-GMR磁頭的磁屏蔽層鏡像效應。當軟磁屏蔽層間隙G減小到20nm時

8、，要獲得良好的讀出特性，需要Hpinned≥7000e和HsyAF≥10000e。 這一部分主要通過建立三維的熱傳導模型和微磁學模型，對記錄密度超過1Tb/in2的熱輔助磁記錄系統進行分析研究，主要得到了以下結論： 1)研究發(fā)現，記錄介質的加熱和冷卻過程是由磁性層和軟磁襯底層之間的熱傳導(-V2T)過程決定的，而且和軟磁襯底層的熱傳導系數K有著非常密切的關系。K值的增加，加速了HAMR介質內部熱量傳導的過程，導致了冷卻時

9、間的迅速減小，同時，也使得HAMR介質局域溫度的最大值(Tmax)有所降低。 2)研究表明，在記錄層上數據位的分布圖樣不僅與SFT寫磁頭的形狀和寫入場的大小有關，而且還與記錄介質層對溫度的響應有關。對于FePt合金來說，最優(yōu)化的寫入溫度為722K，這個溫度稍低于FePt合金的居里溫度(770K)。值得注意的是，在局域溫度高于722K時，HARM介質不能進行數據的寫入，因為此時介質中心的飽和磁化強度大小幾乎為0。 3)在對

10、HARM系統單磁道寫入過程的模擬中，SPT磁頭和介質之間的相對速度為35m/s，記錄位的道寬比(the bit-aspect radio)是2.7，記錄密度超過了1Tb/in2.為了進行最佳的數據寫入操作，激光加熱斑點的中心與SPT磁頭主極前后邊緣的距離應該小于1.4/41.4nm，這對于熱輔助磁記錄系統的設計有很重要的指導意義。 本論文在對L10相FePt合金單層膜和多層膜微磁學分析中取得了一定的進展，首先在傳統微磁學模型的基