超高密度图案化磁记录介质中偶极作用与热辅助磁化研究

摘要

由于记录介质的超顺磁效应，传统的水平磁记录方式已经达到理论极限。为了实现特比(Tb1Terabit=240bit)级的超高密度存储，各种记录方案正在探索之中，其中图案化介质和热辅助磁记录技术被认为是最有发展潜力的方向，如果将两者结合则记录密度会更高。本论文结合已有的实验数据与前人的理论工作，通过有限差分法求解动力学方程和MonteCarlo随机方法重点研究了以下几个与图案化介质及热辅助磁化技术有关的问题： (1)针对数值微磁学中矩形网格处理复杂边界时计算精度较低的问题，利用磁体本身的几何对称性和退磁张量的性质，通过在实空间求积分的方法解析地推导了等边三棱柱的退磁张量。根据这一张量表达式，可以得到任意精度的退磁因子，把这一结果应用在微磁学的网格划分当中，可以提高对复杂边界的处理能力。 (2)为了能够在数值计算中高效地求出系统中的偶极作用能，解决由于偶极作用长程性带来求和速度收敛缓慢的问题，我们通过重新定义网格求和方程，并采取分段处理的方法，解决了Lekner求和法中由于对称性降低而导致的奇异性问题，成功地把Lekner求和法从三维周期性边界条件下的库仑作用系统推广到了二维周期性结构的磁偶极作用系统。应用Lekner求和法可以高效地处理图案化介质这类规则排列的磁偶极子系统中偶极作用能的计算问题。 (3)为了深入理解偶极作用能对信息位稳定性与信息写入过程的具体影响，为实际设计图案化记录系统时选择合适的图案化介质提供理论指导，我们通过求解二维系统的动力学方程，研究了有限阵列和周期性边界条件阵列磁性颗粒间偶极作用能对系统静态与动态性质的影响。发现有限阵列的静态磁学性质诸如剩磁状态、矫顽力等与系统的大小密切相关，而磁化动力学过程则不受系统大小的影响。发现偶极作用能对系统的磁化强度翻转模式有决定性的作用。对于有限阵列来说，在平面各向异性的水平磁化翻转过程中，由偶极作用强度决定了三种翻转模式，即一致转动、成核模式及这两种模式的过渡区域；在垂直各向异性的垂直磁化翻转过程中，由偶极作用强度决定了四种翻转模式，即成核模式、非线性激发、旋卷模式以及成核与旋卷的过渡区域。对于周期性边界条件下的阵列，由磁场脉冲持续时间和偶极作用强度共同决定了中心磁矩翻转类型相图，相图中可以分为五种翻转类型，即关联翻转、过冲翻转、下冲翻转、弹道翻转以及未发生翻转区。 (4)为了理解偶极作用能对系统热稳定性的影响以及温度不均匀性对热辅助写入过程的具体影响，我们运用MonteCarlo方法研究了这两个问题。发现偶极作用能的增加会导致系统闭锁温度的升高，从而提高系统的热稳定性。在高斯分布型的稳定温度场中，发现根据温度场的半高宽可以把翻转过程分为三类不同的成核模式，即边缘成核而后中心扩展模式、边缘成核而后边缘扩展模式以及两种模式的混合模式，并且翻转弛豫时间的对数与半高宽导数之间成分段的线性关系，其分段点受外场和中心温度的影响。而对于给定半高宽的温度场来说，弛豫时间与温度的关系与经典成核理论描述均匀温度场中弛豫时间与温度的关系相似，只是此时的能量势垒和比例系数都与温度场的半高宽有关。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1磁记录的历史及面临的问题

1.2高密度磁记录问题的解决办法

1.3图案化记录介质的要求

1.4图案化介质的制备

1.4.1刻蚀印刷技术

1.4.2模板合成技术

1.4.3自组装制备技术

1.5图案化记录系统

1.6论文选题的动机

1.7论文结构

第二章微磁学基本理论

2.1连续性假设

2.2基本能量项

2.2.1交换作用能

2.2.2磁晶各向异性能

2.2.3静磁能

2.2.4塞曼(Zeeman)能

2.3微磁学静态方程

2.3.1能量的一阶变分

2.3.2有效场和Brown方程

2.4动力学方程

2.5数值微磁学

2.5.1离散方法

2.5.2离散结构中的能量

2.5.3能量极小化方法

2.6本章小结

第三章静磁能计算

3.1磁体内部静磁能的计算

3.1.1退磁场与退磁张量的概念

3.1.2等边三棱柱的退磁张量

3.2二维阵列偶极作用能的计算

3.2.1Lekner求和法

3.2.2改进的Ewald求和法

3.3本章小结

第四章磁性阵列中偶极作用研究

4.1有限阵列中的偶极作用

4.1.1模型

4.1.2准静态磁化

4.1.3阵列几何形状的影响

4.1.4磁化强度翻转动力学

4.2周期性边界条件的偶极作用

4.2.1模型

4.2.2翻转相图

4.2.3翻转速度与临界翻转翻转场Hcsw

4.3本章小结

第五章非均匀温度场热辅助磁化研究

5.1偶极作用能对热稳定的影响

5.1.1超顺磁性理论

5.1.2模型与算法

5.1.3结果与讨论

5.2非均匀温度场中的热辅助磁化

5.2.1模型与算法

5.2.2σ对热辅助磁化强度翻转的影响

5.3本章小结

第六章总结与展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果