{2кМ){Ъ/1). Стремление системы уменьшить эту энергию приводит к увеличению /, т. е. к увеличению расстояния между соседними доменными границами. Однако идя такого самопроизвольного перемагничивания необходимо совершить работу ykiHiiM.

Приравнивая эти величины, получим оценку для продольной плотности записи Р = jjH /(4 кМр), из которой видны пути повышения Р. Из этой оценки виден основной недостаток продольной системы записи - противоречие между плотностью записи и величиной сигнала воспроизведения, определяемого остаточным магнитным потоком. От так называемой магнитной толщины они зависят по-разному: плотность записи обратно пропорционально, Р~ (М)~\ а остаточный магнитный поток прямо пропорционально, ~ М. Это означает, что чем выше плотность записи, тем слабее сигнал воспроизведения.

Материалы для перпендикулярной магнитной записи

В 1984 г. впервые промышленностью выпущены в качестве носителей магнитные диски для перпендикулярной магнитной записи, для которой требования легкости и высокой плотности записи друг другу не противоречат. При перпендикулярной магнитной записи намагниченность направлена преимущественно перпендикулярно к поверхности рабочего слоя, а разноименные полюсы намагниченных участков расположены на его противоположных сторонах. Поэтому поля от соседних участков с противоположной ориентацией намагниченности стабилизируют состояние перемагниченного участка (в отличие от продольной записи), что позволяет уменьшить минимальные размеры стабильных доменов. Оценка плотности записи имеет вид: Р~ М/(АКЬ)/, где Л-константа обмена, - константа одноосной магнитной анизотропии. Существенно, что в отличие от продольной записи, минимальный размер однородно намагниченной области (размер бита информации) не ограничен снизу требованиями к сигналу воспроизведения.

Перпендикулярная запись позволила обеспечить в 80-е годы в несколько раз более высокую плотность накопления информации по сравнению с продольной записью. Один из использованных для перпендикулярной записи материалов - феррит бария (табл. 8.12). Теоретический предел плотности перпендикулярной записи достигает рекордного значения - около 20000 бит на 1 мм дорожки записи. Практически полученная плотность перпендикулярной записи на феррите бария составила примерно 6700 бит/мм.

К материалам с перпендикулярной магнитной анизотропией можно отнести материалы с цилиндрическими магнитными доменами (ЦМД). Работы по использованию ЦМД в запоминающих и логических устройствах бьши начаты еще в 1967 г. фирмой Белл (США). Со значением 1 можно сопоставить наличие домена в определенной точке среды, а со значением О - его отсутствие. Разработаны способы, позволяющие генерировать и разрушать ЦМД, перемещать их в двух направлениях, фиксировать их присутствие или отсутствие (считывать информацию). Емкость отдельного устройства (чипа) на ЦМД может составлять 10 бит. Поверхностная плотность записи определяется минимальным диаметром ЦМД. Чем меньще коэрцитивная сила, тем выше быстродействие ЦМД-устройства. Обычно jH должна быть не больше 10 А/м. Основные материалы для ЦМД-устройств приведены в табл. 8.13.

Наиболее типичным представителем металлических носителей перпендикулярной магнитной записи являются микрокристаллические пленки CogpCrjQ, хотя интенсивно изучаются и множество других сплавов (CoCrPt, CoggPtjo, FcjoPtjo и др.).

Для характеристики перпендикулярной магнитной анизотропии используют константу одноосной магнитной анизотропии К], которая характеризует энергию магнитной анизотропии Е= Ksin, где ф - угол отклонения вектора спонтанной намагниченности от нормали. Энергия Е минимальна при ф = 0. Пленки для перпендикулярной магнитной за-

Таблица 8.13. Материалы с цилиндрическими магнитными доменами

Материал

Ортоферриты RFeOj, где R - редкоземельный элемент (Y, Sm, Eu, Ег, Yb)

Ферриты-гранаты RjFejOij

Аморфные магнитные пленки сплавов Gd-Со и Gd-Fe

Гексагональные ферриты BaFcijO), и др.

Свойства, особенности технологии или применения

Высокая подвижность доменных границ, прозрачность в красном свете (X, = 0,6 мкм). Плотность информации невелика; 10... 10 * бит/см

Плотность информации выше: 10...10* бит/см, но подвижность доменных фаниц ниже, чем у ортоферритов. Применяются в виде монокристаллических пленок

Плотность информации до бит/см. Относительно низкая стоимость. Недостатки - низкая термостабильность и низкое электрическое сопротивление

Высокая намагниченность насыщения. Субмикронное ЦМД, однако низкая подвижность, что Офаничивает применение

писи примерного состава CoggCrjQ имеют микрокристаллическую структуру, состоящую из столбцов диаметром в несколько десятков нанометров, расположенных перпендикулярно плоскости пленки. Требуемые магнитные свойства достигаются, если пленки обладают аксиальной кристаллической текстурой с осью с гексагональной решетки (осью легкого намагничивания), расположенной вдоль нормали к пленке. Такая текстура формируется в процессе роста. Однако этого еще недостаточно для расположения вектора намагниченности перпендикулярно плоскости пленки. Константа магнитной анизотропии Aj должна быть больше маг-нитостатической энергии, связанной с размагничивающим фактором в направлении к плоскости пленки: Aj > (1/2) iiqNjM. Поскольку для плоской пленки N = I, то используя фактор качества Q = 2Ац[ / 1q Л/Д это условие записывают в виде Q> I, а используя константу перпендикулярной анизотропии К = К - (1/2) Цд-Л ~ в йде Aj > 0.

Изучая концентрационные зависимости намагниченности насыщения и константы магнитной анизотропии сплавов системы Со-Сг (рис. 8.10), становится понятно, почему оптимальный состав материала для перпендикулярной записи близок к CoggCr2Q. Сплавы с малым содержанием хрома из-за высокой намагниченности имеют отрицательную константу перпендикулярной анизотропии (фактор качества меньше 1) и намагниченность неперпендикулярна плоскости пленки. В сплавах с повышенным содержанием хрома мала намагниченность (при содержании хрома больше 25...28 % (ат.) Сг сплавы при комнатной температуре парамагнитны). В сплаве Cog jCrjj 5 получена плотность записи 8000 бит/мм при уровне падения сигнала на 50 %. Важно отметить, что указанное значение плотности записи ограничено сверху не природой материала (минимальным размером домена), а разрешением использованной магнитной головки воспроизведения, которое определяется шириной ее главного магнитного полюса (в данном случае 0,25 мкм). Головка не способна считывать информацию с носителя, который имеет размеры доменов намного меньше размера полюса головки. Поэтому совершенствование магнитных материалов для перпендикулярной магнитной записи шло вместе с развитием устройств и созданием новьгх методов записи и воспроизведения. Был разработан метод термомагнитной записи. Этот метод применяется на пленках, обладающих перпендикулярной анизотропией. Запись информации осуществляется путем кратковременного нагрева под воздействием лазерного участка пленки, находящегося в магнитном поле. Поле при этом подбирается с таким расчетом, чтобы при отсутствии нагрева пленки его величина была недостаточной для перемагничивания

Сг, % (ат.)

пленки. Только при достаточно высокой температуре - такой, что коэрцитивная сила уменьшается в 3-4 раза, пленка перемагничивается. Поэтому случайное воздействие магнитного поля не может исказить записанную информацию - для этого нужно одновременное воздействие магнитного поля и лазерного луча.

Минимальные размеры, соответствующие одному биту информации, определяются диаметром сфокусированного лазерного луча. В силу дифракционных ограничений на степень фокусировки сложно рассчитывать на размер бита, существенно меньшего длины волны записывающего лазера (обычно 0,78...0,82 мкм). Это ограничивает предельную плотность записи. В настоящее время ведутся работы по увеличению плотности термомагнитной записи на магнитооптических дисках путем создания искусственного потенциального рельефа, задающего размер записанного лазером домена.

Считывание информации может осуществляться индукционным методом с помощью магнитнЬ1Х головок. Однако для описанных выше материалов с перпендикулярной анизотропией получил распространение магнитооптический метод. В этом методе воспроизведения информации поляризованный лазерный луч направляется на поверхность пленки. После отражения луч регистрируется фотоприемником. Благодаря эффекту Керра, угол поляризации светового луча при отражении изменяется в зависимости от направления намагниченности пленки. Это позволяет различить области пленки с различной ориентацией намагниченности. В качестве рабочего слоя таких носителей (они называются магнитооптическими) должны применяться материалы с перпендикулярной анизотропией, характеризующиеся высоким значением угла магнитооптического вращения Керра (максимального угла вращения плоскости поляризации). Кроме того, не- ,.

Рис. 8.10. Зависимости намагниченности

обходимо исключить использование насыщения {а) и константы анизотро-при записи слишком мощньгх лазе- пии (о) от содержания хрома

ров. Различают два класса материалов для магнитооптических носителей с использованием термомагнитной записи - с записью в точке Кюри (Т) и с записью в точке компенсации (Г). Материалы первой группы должны иметь невысокую Т, чтобы лазерный луч вызвал необходимое снижение коэрцитивной силы под влиянием повышения температуры до критической для магнитного упорядочения. Материалы второй группы имеют высокую Т, и термомагнитная запись осуществляется, когда температура в пятне, нагретом лучом лазера, поднимется настолько выше Г, что коэрцитивная сила становится достаточно низкой для перемагничивания.

Материалами, в наибольшей степени удовлетворяющими всем перечисленным требованиям, являются аморфные пленки, полученные из сплавов редкоземельных элементов (тербия, гадолиния, диспрозия) с переходными металлами (железом, кобальтом), например Tb2§Fe5QCo22. Конкретное содержание компонентов подбирают, исходя из условия близости температуры компенсации к 20 °С (при этом коэрцитивная сила максимальна и сильно уменьшается при нагреве), максимального угла вращения плоскости поляризации (максимальный сигнал воспроизведения) и наибольшего фактора качества Q.

В 1990-е годы два открытия совершили революцию в области сверхплотной записи информации - создание принципиально новых головок воспроизведения на основе гигантского магниторезистивного эффекта (ГМР-эффекта) и создание многослойных нанокристаллических пленоч-ньгх структур с антиферромагнитной связью и обменным закреплением.

Высокочувствительные головки на гигантском магниторезистивном эффекте (ГМР)

В 1988 г. А. Фертом (А. Pert) с сотрудниками во Франции и П. Грюнбергом (Р. Gruenberg) в ФРГ бьш открыт гигантский магниторе-зистивный эффект в многослойньгх тонкопленочньгх структурах. Они наблюдали большие (50 и 6 % соответственно) изменения электрического сопротивления при изменении магнитного поля. Эксперименты проводились при низких температурах в очень больших магнитных полях. Для получения пленочных многослойных структур использовался малопроизводительный метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Однако довольно скоро после открытия ГМР-эффекта усилиями исследователей из фирмы 1ВМ (США) в результате опробования свыше 50 тысяч комбинаций слоев разного состава и толщин были найдены материалы,

получаемые промьшшенным способом магнетронного распыления, которые позволили наблюдать ГМР-эффект при комнатной температуре и в небольших магнитных полях. Уже в 1997 г. фирма 1ВМ осуществила промышленный выпуск жестких магнитных дисков ЭВМ с головками считывания, работающими на ГМР-эффекте. В жестких дисках головки чтения на основе ГМР-эффекта способны обнаружить в несколько раз более слабые магнитные поля, чем позволяет использование предшествующих технологий, и поэтому размер микроскопических магнитных областей, хранящих на диске биты информации, может быть еще более уменьшен, а скорость считывания значительно повышена. С 1997 г., после создания компанией IBM первого жесткого диска со считывающими головками на основе ГМР-эффекта, плотность хранения информации ежегодно удваивается.

ГМР-устройства используют чередующиеся сверхтонкие слои магнитного и немагнитного материалов (в IBM такую структуру называют спиновым клапаном). Самый простой вариант включает в себя три слоя: два ферромагнитных слоя, разделенных немагнитным проводником. Роль немагнитного проводника выполняет рутений. Этот металл является парамагнетиком, но когда толщина Ru-слоя составляет всего несколько атомных слоев, через него осуществляется обменная связь между ферромагнетиками. Эта обменная связь в зависимости от толщины Ru-слоя может быть как ферромагнитной, так и антиферромагнитной. В последнем случае, который и используют на практике, намагниченности ферромагнитных слоев ориентированы противоположно.

Главный источник ГМР-эффекта - так называемое спин-зависимое рассеяние. Как известно, причина существования электрического сопротивления металлов - рассеяние электронов проводимости. При протекании электрического тока электроны проводимости рассеиваются по-разному в зависимости от ориентации их спина по отношению к намагниченности слоя. Об этом явлении и говорят как о спин-зависимом рассеянии. Природу его можно объяснить следующим образом. В ферромагнитных й?-металлах из-за наличия ферромагнитного обменного взаимодействия энергия электронов с разной ориентацией спинов различна - энергия электронов со спином вверх (ориентированным вдоль намагниченности ферромагнетика) более низкая, чем у электронов со спином вниз . В результате плотность состояний вблизи уровня Ферми для электронов с разными направлениями спинов также различается. Но плотность состояний вблизи энергии Ферми определяет вероятность рассеяния. Поэтому средняя длина свободного пробега у электро-