CN111681691A - 相变辅助磁盘介质、磁盘、装置及方法 - Google Patents

相变辅助磁盘介质、磁盘、装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种相变辅助磁盘介质、磁盘、装置及方法，所述相变辅助磁盘介质包括：衬底；形成在所述衬底上的相变材料层，所述相变材料层在预设条件下发生相变；形成在所述相变材料层上的磁性材料层，其中，所述磁性材料层在所述相变材料层发生相变时处于未磁化状态，在所述相变材料层未发生相变时在第一方向和第二方向的磁场条件下分别具有第一磁化方向和第二磁化方向，以及形成在所述磁性材料层上的包覆层，本发明可有效提升存储密度同时保持存储稳定性。

Description

相变辅助磁盘介质、磁盘、装置及方法
技术领域
本发明涉及自旋电子器件技术领域，尤其涉及一种相变辅助磁盘介质、磁盘及装置。
背景技术
磁盘介质包括设置在磁盘盘面上的多个磁体，其中，每个磁体为一个bit位，磁体的磁化方向对应着计算机中的“0”和“1”，采用硬盘读写磁头改变和确定磁体的磁化方向，即可实现数据的写入和读取。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种相变辅助磁盘介质，有效提升存储密度同时保持存储稳定性。本发明的另一个目的在于提供一种磁盘。本发明的还一个目的在于提供一种磁盘装置。本发明的还一个目的在于提供一种相变辅助磁盘介质形成方法。本发明的还一个目的在于提供一种磁盘装置数据读写方法。
为了达到以上目的，本发明一方面公开了一种相变辅助磁盘介质，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的相变材料层，所述相变材料层在预设条件下发生相变；
形成在所述相变材料层上的磁性材料层，其中，所述磁性材料层在所述相变材料层发生相变时处于未磁化状态，在所述相变材料层未发生相变时在第一方向和第二方向的磁场条件下分别具有第一磁化方向和第二磁化方向；以及
形成在所述磁性材料层上的包覆层。
优选的，所述衬底层的材料包括二氧化钛、硅和三氧化二铝中的一种或多种。
优选的，所述相变材料层的材料包括二氧化钒和硫化镉中的至少一种。
优选的，所述磁性材料层的材料包括钴/铂、钴铁硼/氧化镁、钴/钯中的一种或多种。
优选的，所述包覆层的材料包括钽和钌中的至少一种。
本发明还公开了一种磁盘，包括磁盘盘面以及设置在所述磁盘盘面上的多个如上所述的相变辅助磁盘介质。
优选的，所述相变辅助磁盘介质涂布设置在所述磁盘盘面上。
本发明还公开了一种磁盘装置，包括如上所述的磁盘、条件控制模块和读写模块；
其中，所述读写模块用于基于接收的写入指令确定待写入数据，若待写入数据为第一数据，形成条件控制信号并传输至待写入第一数据的相变辅助磁盘介质对应的条件控制模块，若待写入数据为第二数据或第三数据，形成对应的磁场以使磁性材料层的磁化方向与待写入数据对应，并基于接收的读取指令通过电磁感应原理确定待读取的相变辅助磁盘介质的磁化方向；
所述条件控制模块用于基于条件控制信号形成对应的预设条件并施加至所述待写入第一数据的相变辅助磁盘介质的相变材料层。
本发明还公开了一种相变辅助磁盘介质形成方法，包括：
在衬底上形成相变材料层，所述相变材料层在预设条件下发生相变；
在所述相变材料层上形成磁性材料层，其中，所述磁性材料层在所述相变材料层发生相变时处于未磁化状态；
在所述磁性材料层上形成包覆层。
本发明还公开了一种磁盘装置数据读写方法，包括：
基于接收的写入指令确定待写入数据；
若待写入数据为第一数据，形成条件控制信号并传输至待写入第一数据的相变辅助磁盘介质对应的条件控制模块，以使所述条件控制模块用于基于条件控制信号形成对应的预设条件并施加至所述待写入第一数据的相变辅助磁盘介质的相变材料层；
若待写入数据为第二数据或第三数据，形成对应的磁场以使磁性材料层的磁化方向与待写入数据对应；
基于接收的读取指令通过电磁感应原理确定待读取的相变辅助磁盘介质的磁化方向。
本发明的相变辅助磁盘介质包括衬底及依次形成在衬底上的相变材料层和磁性材料层。本发明利用相变材料层在外界预设条件下会发生相变，进而改变磁性材料层的磁化状态的特性。从而，在相变材料层未发生相变时，可通过外加第一方向和第二方向的磁场，在不同方向的磁场作用下，使磁性材料层在磁场的作用下发生磁化方向的改变，分别使磁性材料层具有第一磁化方向和第二磁化方向。相变材料层在预设条件下会发生相变，相变后的相变材料层产生界面应力使磁性材料层的各向异性特性降低，从而使磁性材料层在未加外磁场的情况下保持未磁化状态。由此，本发明通过设置相变材料层并使相变材料层的相变状态改变以改变磁性材料层的磁化特性，使磁性材料层在相变材料层和外界磁场的作用下实现未磁化状态、具有第一磁化方向和具有第二磁化方向的三种磁化状态，从而可实现三种磁存储状态，该三种磁存储状态可分别用于表示三种不同的信息状态。相对于现有的两种信息状态的磁盘介质，本发明极大地提升了存储容量和存储密度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本发明相变辅助磁盘介质一个具体实施例的结构图；
图2示出本发明相变材料层的电阻与温度的关系示意图；
图3示出本发明相变材料层相变前磁性材料层垂直各向异性的磁滞回线示意图；
图4示出本发明相变材料层相变后磁性材料层垂直各向异性的磁滞回线示意图；
图5示出本发明相变辅助磁盘介质一个具体实施例设置温度控制模块的结构图；
图6示出本发明相变辅助磁盘介质形成方法一个具体实施例的流程图；
图7示出本发明磁盘装置数据读写方法一个具体实施例的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在此公开的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是表示描述特定实施例的目的，因此，可以有许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。在实际制造过程中，各个步骤的工艺选择、顺序排列等视具体情况确定，且均包含于本发明公开的范围之内。
目前，磁盘装置作为一种常见的存储装置，其磁盘上设置大量的小磁体，每个小磁体作为一个bit位，通过写入操作可使每个小磁体改变至两种磁化状态的其中一种，通过小磁体的两种磁化状态可以分别表示两种信息状态，例如可以用于分别表示逻辑数字“0”和“1”。但是，由于写入操作仅可以使磁体的磁化状态在两种磁化状态之中切换，因此，一个小磁体仅能够表示两个信息状态，从而导致现有的磁盘存储密度低，磁盘体积大，存储操作需要对大量磁体进行操作，磁体功耗大。
此外，传统的磁盘介质为颗粒介质，如γ-Fe2O3，它具有成本低、易于大量生产等优势。但受到颗粒大小的限制，其膜层厚度很难降到0.5μm以下，难以满足高密度磁存储的要求；同时，磁层中的非磁性粘合剂使得介质的剩磁比较低，输出电压信号小，信噪比差。
为了克服上述缺点，人们进一步开发了薄膜磁盘介质层。根据薄膜的各向异性特点可以分为纵向(平行)磁记录薄膜与垂直磁记录薄膜。目前市场上大部分的磁盘介质采用的是纵向磁记录薄膜，其易磁化方向平行于磁盘表面，磁层可以做到很薄(0.02-0.1μm)，且薄膜沿膜面方向表现出很强的剩磁，从而使得输出的电压信号增强，增大了记录密度。但随着存储面密度的提高，受到超顺磁效应的影响，磁记录的稳定性会不断降低。
为了在增加存储密度的同时保证磁记录稳定性，目前基于垂直磁各向异性的磁记录介质引起了广泛关注。垂直磁记录是指磁性薄膜的易磁化方向垂直于盘面，随着面密度的提高，磁性晶粒的长径会变大，退磁场减小，从而使得记录稳定性大大提高。但是，垂直磁化薄膜只能缓解、却无法解决超顺磁效应的影响，而且由于需要较大的矫顽力来保证薄膜在外磁场和热扰动等情况下保持稳定，磁化翻转的功耗也相应增大。
为了解决以上问题的至少之一，根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种相变辅助磁盘介质。如图1所示，本实施例中，所述相变辅助磁盘介质包括衬底41、形成在所述衬底41上的相变材料层42、形成在所述相变材料层42上的磁性材料层43以及形成在所述磁性材料层43上的包覆层44。其中，所述相变材料层42在预设条件下发生相变，所述磁性材料层43在所述相变材料层42发生相变时处于未磁化状态，在所述相变材料层42未发生相变时在第一方向和第二方向的磁场条件下分别具有第一磁化方向和第二磁化方向。包覆层44可以将磁性材料层43与外部环境隔绝，使磁性材料层43不易受外部环境的不利影响。更优选的，所述包覆层44的材料包括钽(Ta)和钌(Ru)中的至少一种。包覆层44的下表面紧贴垂直各向异性磁性材料层43。当然，在其他实施方式中，包覆层44也可以采用其他类似的材料形成，本发明对此并不作限定。
本发明的相变辅助磁盘介质包括衬底41及依次形成在衬底41上的相变材料层42和磁性材料层43。本发明利用相变材料层42在外界预设条件下会发生相变变化，进而改变磁性材料层43的磁化状态的特性。从而，在相变材料层42未发生相变时，可通过外加第一方向和第二方向的磁场，在不同方向的磁场作用下，使磁性材料层43在磁场的作用下发生磁化方向的改变，分别使磁性材料层43具有第一磁化方向和第二磁化方向。相变材料层在预设条件下会发生相变，相变后的相变材料层产生界面应力使磁性材料层43的各向异性特性降低，从而使磁性材料层43在未加外磁场的情况下保持未磁化状态。由此，本发明通过设置相变材料层并使相变材料层的相变状态改变以改变磁性材料层43的磁化特性，使磁性材料层43在相变材料层和外界磁场的作用下实现未磁化状态、具有第一磁化方向和具有第二磁化方向的三种磁化状态，从而可实现三种磁存储状态，该三种磁存储状态可分别用于表示三种不同的信息状态(例如，表示逻辑数字“1”，“-1”和“0”)。相对于现有的两种信息状态的磁盘介质，本发明极大地提升了存储容量和存储密度。
在优选的实施方式中，第一方向和第二方向的磁场为磁场方向向上和向下的磁场。磁场方向向上和向下的磁场可使磁性材料层43分别具有向上的第一磁化方向和向下的第二磁化方向。可预先设定第一磁化方向表示信息“1”，第二磁化方向表示信息“-1”，磁性材料层43未磁化状态表示信息“0”，从而磁性材料层43在相变材料层和外加磁场的作用下能够存储“1”、“-1”和“0”的三种信息状态。当然，在本发明的一个或多个实施例中，可根据实际需求灵活确定存储的信息和磁性材料层43的不同磁化方向与存储信息的对应关系等信息，在此仅作示例性说明，本发明对此并不作限定。
所述衬底41用于保证磁性材料层43的磁性粒子的易磁化方向保持一致。在优选的实施方式中，所述衬底41的材料包括二氧化钛(TiO2)、硅(Si)和三氧化二铝(Al2O3)中的一种或多种。可以理解的是，相变材料层42的底面与衬底41的表面贴合，当然，在其他实施方式中，衬底41也可以采用其他类似的材料形成，本发明对此并不作限定。
所述相变材料层42用于在外部的温度、光照、电压或施加应力等预设条件下产生相变，以实现对磁性材料层43的磁特性进行调控。在优选的实施方式中，所述相变材料层42的材料包括二氧化钒(VO2)和硫化镉(CrS)中的至少一种。当然，在其他实施方式中，相变材料层42也可以采用其他类似的材料形成，本发明对此并不作限定。
所述磁性材料层43作为核心的磁记录层，在外部磁场和相变材料层的作用下分别保持在三种磁化状态，可用于存储三种信息。在优选的实施方式中，所述磁性材料层43具有垂直各向异性，所述磁性材料层43的材料可包括钴/铂(Co/Pt)、钴铁硼/氧化镁(CoFeB/MgO)、钴/钯(Co/Pd)中的一种或多种。当然，在其他实施方式中，磁性材料层43也可以采用其他类似的材料形成，本发明对此并不作限定。
在一个具体例子中，当预设条件为温度时，所述相变材料层42的相变随温度变化如图2所示，以该温度诱导相变为例，通过调节温度的大小，控制相变材料的相变程度。为保证介质层可以在室温下正常工作，可以通过掺杂等方式将相变材料层42的相变材料的相变温度调控至室温附近。在未相变前，如图3所示，磁性材料层43的易磁化方向在垂直方向，通过外加磁场方向的不同，磁性材料层43的磁化状态可以在向上和向下之间切换。发生相变之后，由于相变材料层42与磁性材料层43间存在界面耦合作用，通过相变材料层的相变产生的界面应力作用于磁性材料层43可以使其各向异性场降低，如图4所示。磁性材料层43的垂直各向异性减弱，此时不加外磁场时磁性材料层43将处于未磁化状态。此时磁性材料层43的未磁化状态加上相变材料层相变前磁性材料层43在外加磁场作用下的向上和向下两种磁化状态，便可在原先磁盘稳定性的基础上，低功耗的实现三种磁盘写入状态，从而极大地提升存储密度。
需要说明的是，可通过沉积、溅射或生长等方法在衬底41上依次形成相变材料层42、磁性材料层43和包覆层44。在可选的实施方式中，可首先在衬底41上用脉冲激光沉积(PLD)、磁控溅射(magnetron-sputtering)、分子束外延(MBE)或化学气相沉积(CVD)的方式沉积一层相变材料层42，经测试相变情况无误后，再用磁控溅射或分子束外延的方式在相变材料层42上沉积一层或多层垂直各向异性磁性材料层43，最后再用磁控溅射或分子束外延的方式在磁性材料层43上沉积一层包覆层44。在其他实施方式中，也可通过其他方法形成介质的各层结构，本发明对此并不作限定。
下面通过一个具体例子来对本发明作进一步的说明。首先在衬底41上通过沉积或生长形成相变材料层42、磁性材料层43和包覆层44的多层膜结构。然后在包覆层44上设置温度控制模块45，如图5所示，通过向温度控制模块45输入电压或电流等电能使温度控制模块45产生温度变化，从而诱导相变材料层发生相变，引起磁性材料层43的垂直磁各向异性的变化，再配合硬盘读写磁头，即可实现不同的存储状态。其中，本领域技术人员可根据实际需求设定温度控制模块45的具体结构，在其他实施例中，还可通过施加压力、电压或光照的方式使相变材料层发生相变，在此不再赘述。
在写入数据时，首先，温度控制模块45关闭，温度处于室温状态，相变材料未发生相变，如图2中的状态1。可预设第一数据与磁性材料层43的未磁化状态对应，预设第二数据和第三数据分别与磁性材料层43的向上和向下磁化方向的磁化状态对应。其中，第一数据可为“0”，第二数据和第三数据可为“+1和-1”。
当写入待写入数据时，当写入数据为第一数据时，可形成条件控制信号并传输至条件控制模块。该具体例子中，条件控制模块为温度控制模块45时，将温度控制模块45打开，先升温使相变材料层42发生相变，再降回到室温，此时相变层依然处于相变后状态，如图2中的状态2所示。此时，磁头的写入线圈不通电流，相变材料层42因受到温度的作用发生相变，由此产生的界面应力作用于磁性材料层43使其各向异性场降低，在无外磁场的作用下，磁性材料层43便会回到未磁化状态，即“0”状态。
当写入数据为第二数据时，在磁头的写线圈中通过一定方向的脉冲电流，磁头便会产生在垂直方向上的定向磁场，磁头下方的一个很小的区域磁化形成一个磁单元，可以设定此时的写入状态为磁化向上，即“+1”。同理，在写入数据为第三数据时，在磁头的写入线圈中通过相反方向的脉冲电流，磁单元便会受到垂直向下的磁场的作用，此时写入状态为磁化向下，即“-1”。接下来通过降温再升温的方式，可以使相变层再回到图2所示的状态1，此时对写入线圈施加相应的脉冲电流又可以转变到“1”或“-1”状态。
磁性材料层43磁化方向的读取操作也是由磁头来完成的。当磁头经过载磁体的磁性材料层43时，磁头中的磁通会发生较大变化，由此产生感应电动势进而形成脉冲电流，完成磁盘的读取操作。当磁头经过磁化向上的磁单元时产生一个方向的感应电流，判断其状态为“+1”；磁头经过磁化向下的磁性材料层43时产生另一个方向的感应电流，判断其状态为“-1”；当磁头经过未磁化的磁单元时，磁通不会发生变化，因此不会产生感应电流，此时可以判断其状态为“0”。综上，通过控制磁场的方向和大小及温度升降，可以使磁性层产生磁化向上(“+1”)，磁化向下(“-1”)和未磁化(“0”)三种存储状态，进而可以低功耗、快速地实现存储状态的转变，有效提高存储密度。
基于相同原理，本实施例还公开了一种磁盘。本实施例中，所述磁盘包括磁盘盘面以及设置在所述磁盘盘面上的多个如本实施例所述的相变辅助磁盘介质。
在优选的实施方式中，所述相变辅助磁盘介质涂布设置在所述磁盘盘面上。其中，相变辅助磁盘介质的各层可在衬底41上成型后再设置在磁盘盘面上，也可以直接在磁盘盘面上成型，例如通过涂布的方式成型在磁盘盘面，本发明对此并不作限定。
由于该磁盘解决问题的原理与以上磁盘介质类似，因此本磁盘的实施可以参见磁盘介质的实施，在此不再赘述。
基于相同原理，本实施例还公开了一种磁盘装置。本实施例中，所述磁盘装置包括如本实施例所述的磁盘、条件控制模块和读写模块。
其中，所述读写模块用于基于接收的写入指令确定待写入数据，若待写入数据为第一数据，形成条件控制信号并传输至待写入第一数据的相变辅助磁盘介质对应的条件控制模块，若待写入数据为第二数据或第三数据，形成对应的磁场以使磁性材料层43的磁化方向与待写入数据对应，并基于接收的读取指令通过电磁感应原理确定待读取的相变辅助磁盘介质的磁化方向。
所述条件控制模块用于基于条件控制信号形成对应的预设条件并施加至所述待写入第一数据的相变辅助磁盘介质的相变材料层42。
其中，当采用温度控制相变材料层的相变时，条件控制模块为温度控制模块45，温度控制模块45可根据条件控制信号对相变材料层进行加温使相变材料层发生相变。
由于该磁盘装置解决问题的原理与以上磁盘介质类似，因此本磁盘装置的实施可以参见磁盘介质的实施，在此不再赘述。
基于相同原理，本实施例还公开了一种相变辅助磁盘介质形成方法。如图6所示，本实施例中，所述方法包括：
S110：在衬底41上形成相变材料层42，所述相变材料层42在预设条件下发生相变。
S120：在所述相变材料层42上形成磁性材料层43，其中，所述磁性材料层43在所述相变材料层42发生相变时处于未磁化状态。
S130：在所述磁性材料层43上形成包覆层44。
由于该方法解决问题的原理与以上磁盘介质类似，因此本方法的实施可以参见磁盘介质的实施，在此不再赘述。
基于相同原理，本实施例还公开了一种磁盘装置数据读写方法。如图7所示，本实施例中，所述方法包括：
S210：基于接收的写入指令确定待写入数据。
S220：若待写入数据为第一数据，形成条件控制信号并传输至待写入第一数据的相变辅助磁盘介质对应的条件控制模块，以使所述条件控制模块用于基于条件控制信号形成对应的预设条件并施加至所述待写入第一数据的相变辅助磁盘介质的相变材料层42。
S230：若待写入数据为第二数据或第三数据，形成对应的磁场以使磁性材料层43的磁化方向与待写入数据对应。
S240：基于接收的读取指令通过电磁感应原理确定待读取的相变辅助磁盘介质的磁化方向。
由于该方法解决问题的原理与以上磁盘介质类似，因此本方法的实施可以参见磁盘介质的实施，在此不再赘述。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种相变辅助磁盘介质，其特征在于，包括：
衬底；
形成在所述衬底上的相变材料层，所述相变材料层在预设条件下发生相变；
形成在所述相变材料层上的磁性材料层，其中，所述磁性材料层在所述相变材料层发生相变时处于未磁化状态，在所述相变材料层未发生相变时在第一方向和第二方向的磁场条件下分别具有第一磁化方向和第二磁化方向；以及
形成在所述磁性材料层上的包覆层。
2.根据权利要求1所述的相变辅助磁盘介质，其特征在于，所述衬底层的材料包括二氧化钛、硅和三氧化二铝中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的相变辅助磁盘介质，其特征在于，所述相变材料层的材料包括二氧化钒和硫化镉中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的相变辅助磁盘介质，其特征在于，所述磁性材料层的材料包括钴/铂、钴铁硼/氧化镁、钴/钯中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的相变辅助磁盘介质，其特征在于，所述包覆层的材料包括钽和钌中的至少一种。
6.一种磁盘，其特征在于，包括磁盘盘面以及设置在所述磁盘盘面上的多个如权利要求1-5任一项所述的相变辅助磁盘介质。
7.根据权利要求6所述的磁盘，其特征在于，所述相变辅助磁盘介质涂布设置在所述磁盘盘面上。
8.一种磁盘装置，其特征在于，包括如权利要求6或7所述的磁盘、条件控制模块和读写模块；
其中，所述读写模块用于基于接收的写入指令确定待写入数据，若待写入数据为第一数据，形成条件控制信号并传输至待写入第一数据的相变辅助磁盘介质对应的条件控制模块，若待写入数据为第二数据或第三数据，形成对应的磁场以使磁性材料层的磁化方向与待写入数据对应，并基于接收的读取指令通过电磁感应原理确定待读取的相变辅助磁盘介质的磁化方向；
所述条件控制模块用于基于条件控制信号形成对应的预设条件并施加至所述待写入第一数据的相变辅助磁盘介质的相变材料层。
9.一种相变辅助磁盘介质形成方法，其特征在于，包括：
在衬底上形成相变材料层，所述相变材料层在预设条件下发生相变；
在所述相变材料层上形成磁性材料层，其中，所述磁性材料层在所述相变材料层发生相变时处于未磁化状态；
在所述磁性材料层上形成包覆层。
10.一种磁盘装置数据读写方法，其特征在于，包括：
基于接收的写入指令确定待写入数据；
若待写入数据为第一数据，形成条件控制信号并传输至待写入第一数据的相变辅助磁盘介质对应的条件控制模块，以使所述条件控制模块用于基于条件控制信号形成对应的预设条件并施加至所述待写入第一数据的相变辅助磁盘介质的相变材料层；
若待写入数据为第二数据或第三数据，形成对应的磁场以使磁性材料层的磁化方向与待写入数据对应；
基于接收的读取指令通过电磁感应原理确定待读取的相变辅助磁盘介质的磁化方向。
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