在高速滑动接触条件下磁层退磁现象的试验研究

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Experimental Research on Demagnetization of M agnetic Layer underHigh·speed Head/Disk Sliding ContactLIU Yuliang SHI Dequan LOU Jia ZHANG Guangyu(1.School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 1 5000 1；2.Department of Merials Science&Technology，Harbin University of Science&Techn ology，Harbin 1 50040；3.Center for Composite Materials and Structures，Harbin Institute of Technology，Harbin 1 50080)Abstract：The regular data are prewritten on the aluminum-based disks by the magn etic eneoder system to obtain the sample disks。

Taking the sample disks and pico sliders as the investigating objects，the scratch experiments under high-speed sliding contact areperformed by Olympus CETR head-disk interface reliability test system.The disk topography and demagn etization are observed byatomic force microscope(AFM)and magnetic force microscope(MFM)，and the disk demagnetization phenomena and relatedstatistical researches are an alyzed.The results show that the remarkable demagn etization phenomenon cai1 be seen in the serious wearregion，which results from the mechan ical scratches.Th e demagn etization phenomenon in the wide but shallow scratch region ismainly caused by the plastic deform ation.In some regions，there is only a slight scratch or no obvious scratch on the carbon overcoatin the hard disk.And the corresponding demagn etization area can also be foun d.The demagnetization phenomenon is mainlyatributed to the heat generating from the slidng friction under high-speed slidng contact between the slider and the hard disk andtheconductive heat in the layers.The statistic results show that in the absence of severe mechanical dam age，the diskdemagn etization status has no specific functional relationship with the depth an d width of scratches，indicating the heat plays animportant role in demagnetization。

Key words： Demagn etization High·speed sliding Head/disk interface Contact0 前言过去的几十年硬盘驱动器的存储密度成指数·国家留学基金资助项目。20120621收到初稿，20121120收到修改稿形式增长，但是传统的水平记录磁盘的超顺磁性限制了磁盘存储密度的进-步提高。为了克服这-缺陷，垂直记录磁盘得到了发展，实现了现今硬盘驱动器对高存储密度的需求 。目前，磁盘存储密度的目标是达到10/2.54 TB/crn2，这就要求磁头与磁l24 机 械 工 程 学 报 第49卷第 1期盘的间距不高于3 lmL6J。如此低的间距会使得磁头在飞行过程中极易与磁盘发生接触形成刮痕，导致磁层的失效。在通常情况下，磁层的失效是不可恢复的，这会对个人造成不可估量的损失。所以，研究磁层的失效是非常重要的，这-般表现为硬盘驱动器磁层的退磁现象，同时伴随着数据的丢失。

关于磁头与磁盘相互作用引起的磁层退磁现象，科研 工作者已经进行 了-些相关的研究 。

JEONG q利用微磁模拟技术分析了水平记录磁盘由于反磁致伸缩效应引起的退磁现象，发现水平记录磁盘在动态载荷作用下冲击应力对磁盘的退磁影响不大。LIU等 利用激光照射到磁记录介质上，发现较高面密度的记录介质更容易受到温度的影响 ， 导 致 磁 记 录 介 质 的 磁 性 发 生 转 换 。

OVCHARENKO 通过有限元技术研究了在热力耦合作用下采用垂直记录方式的磁头与磁盘瞬时冲击接触引起的磁层退磁现象，并提出了-个简单的退磁准则，即磁层的温度达到居里温度或者磁层有塑性变形的时候，磁盘会发生退磁现象。LEE等l叫在不考虑动态效应和热效应的情况下，通过试验研究得到，垂直记录磁盘的磁层中塑性变形/应变导致了退磁现象的发生，并且这种退磁方式是不可恢复的。XU J把试验和仿真相结合分析了垂直记录磁盘在力的作用下引起的退磁现象，得到了在刮痕区域内磁矫顽力和各向异性会降低到正常区域的-半。LIU等 刮同样利用热力耦合的有限元法，得到了在退磁温升ATd180 K和退磁应力 aa20 GPa的情况下表面纹理磁盘的安全工作条件。然而，上面提到的试验研究都是在低速、不考虑热效应的情况下进行的。所以，为了更准确地研究硬盘工作状态下的退磁现象，考虑高速情况下热效应对磁盘退磁的影响是必要的。

本研究利用 Olympus CETR头盘界面可靠性试验系统对垂直记录磁盘进行了刮痕试验研究。试验后，利用光学显微镜观察皮米磁头磨损的状态，同时应用 原子 力显微镜(Atomic force microscope，AFM)和 磁力显微 镜(Magnetic force microscope，MFM)观察试验中样品盘上刮痕区域的退磁情况，把退磁分析的结果进行统计学分析，为现代磁盘的可靠性设计提供指导。

1 退磁试验研究方法1.1 试验台搭建图 l展示了磁编码样品盘制备系统的实物图。

该系统由读写控制面板、直线电动机、磁头和转台等几部分组成。读写控制面板控制磁头将预定数据写入磁盘，而直线电动机驱动磁头在磁盘径向上移动，实现对不同的磁道写入数据。

图 1 磁编码样品盘制备系统实物图图2所示为 Olympus CETR头盘作用界面可靠性试验系统划痕试验设备图。这-系统为磁盘提供- 个旋转试验平台，同时为试验所用颗粒提供-个密封空间。这样防止了颗粒流至试验台外，污染其他试验过程，进而避免对试验结果产生不良影响。

- .兰-. -(a)控制器 (b)试验箱图 2 头盘界面可靠性试验系统刮痕试验设备图在试验的过程中，Olym pus GX7 1型光学显微镜用来观察皮米磁头的表面形貌，而 DI3100型扫描探针显微镜f包括 AFM和 MFM 模式，Z向分辨率为 0.1 rim)用来观察磁盘的刮痕和磁信息的变化情况。

1.2 试验过程空白数据的3.5x2.54 cm铝基磁盘(面记录密度为 500/2.54 GB/cm )和皮米磁头(1.25 nlTl1.00mmx0.30 mm)用来进行刮痕试验的研究。图3为铝基磁盘的结构示意图，由上到下依次为润滑层、硬碳层、磁记录层、中间介质层、软磁底层、NiP层和 A1-Mg基层。由于 1～2 nm厚的润滑层没有刚性支撑作用而仅起到润滑的作用，所以本试验中可以忽略润滑层的影响。硬碳层用来防止磁层磨损和腐蚀，-般厚度为 24 nln。最重要的磁信息记录在1620 nln厚的磁记录层中，磁层的损坏直接决定着磁盘失效与否。此外，由于其余各层对磁层的退磁影响不大，故本文不作过多的介绍。下面对本试验过程阐述如下。

首先，利用上述铝基磁盘制备试验所需要的样品盘。在频率为40 MHz的正弦写入信号的作用下，利用磁编码系统将 0101”-系列数据从磁盘外径刘育良等：在高速滑动接触条件下磁层退磁现象的试验研究 125图3 铝基磁盘的结构示意图1.5×2.54 cm处的磁道写到中径 1.0×2.54 cm处的磁道。在写数据期间，磁盘的转速是 l 500 r/min，同时磁头以3.75 larn/s匀速沿着磁盘的径向移动。同时，用MFM观察到磁道的间距为 150 nm。

然后，利用 Olympus CETR头盘界面可靠性试验系统进行磁盘刮痕试验的研究。试验前，用棉签把 4 gm 的不锈钢颗粒均匀地涂抹在磁盘表面上(选择该尺寸不锈钢颗粒的目的是使该颗粒不进入头盘界面，进而影响磁头飞行的稳定性，使得磁头与磁盘发生接触造成磁盘上的刮痕，分析退磁现象)。试验过程中，磁头在转速为 5 400 r/min的样品盘的磁道上进行 扫除式”飞行，模拟磁盘读操作时的工作状态，其试验飞行时间为 5 min。然后，用 DI3l00扫描探针显微镜的AFM和 MFM模式进行观察，同时利用 Gwyddion软件对磁盘的刮痕和退磁区域进行数据分析和相关的统计研究。

2 试验结果和讨论2.1 试验后磁头的磨损图4所示为使用 4 gm的不锈钢颗柳行刮痕试验后的磁头表面形貌。从图4中可以看出：磁头的前沿区域 C很完整，没有出现任何刮痕、磨损现象。然而，在磁头的尾端 处能清晰地看到严重的磨损现象。同时，在其上部较深的刻蚀区域 处能看到斑状的黑点，显示出轻微的磨损现象。在磨损区域中，黑色的部分可能是积累在该区域中的不锈钢颗粒和硬碳层的磨屑。出现上述现象的原因是由于磁 头飞行过程 中其前沿 C 与盘面 的间距为500 nlTl，对于 4 pm的不锈钢颗粒来说这个间距如此之小，不锈钢颗粒无法从磁头前沿进入到头盘交界面中，所以磁头的前沿 C没有出现磨损的痕迹。

但是如此大的颗粒在磁头高速飞行的过程中会对磁头产生干扰(不锈钢颗粒高速撞击磁头)，导致磁头的飞行状态不稳定，磁头和磁盘发生滑动接触，所以，试验过程中相应区域发生了磨损。

图4 刮痕试验后磁头的表面形貌2.2 试验后磁盘不同类型的磨损及退磁分析图 5a所示为刮痕试验之前已写入数据的磁盘局部的 AFM 图，可以看出此处磁盘的表面完好，没有看到任何刮痕。对应区域的 MFM 图展示在图5b中，整齐排列的明暗相间的磁性比特图案分别代表着 S极和 N极，也就是 0101”-系列写入的数据，这表明没有退磁现象发生。

(a)AFM 图 (b)MFM 图图 5 试验前磁楹数据区域的相关图形图 6a、6b分别是磁层遭受严重磨损区域的AFM 图和相应的MFM 图。图6c为图6a中所示位置 处刮痕的截面轮廓图，通过此图可知刮痕的深度达到约 80 nm。对比图 3所示的铝基硬盘的结构尺寸可知，此时磁层已被剥落，这意味着在划刮过程中数据已经丢失，上述情况分别对应于图6a和图6b中的右半部分区域。从图 6a可以观察到，其右半部分已经划刮的非常严重了，相应的MFM 图6b的右半部分区域已经没有任何磁性信息的特征了。

这种情况对于硬盘驱动器工作时是-个灾难性的损坏，在对磁头与磁盘进行设计时应尽量避免此类情况的发生。

然而，-个没有刮痕的磁层并不意味着退磁现象不会发生。图 7a和图 7b分别为宽度大深度浅的刮痕情况下磁盘的AFM 图和MFM 图。

根据图7c中的磁盘截面轮廓显示，刮痕的深度为2 nm，宽度为2 pan，可见，磁层并没有刮痕产生。但是，仍然能够从图7b中观察到磁层相对应的126 机 械 工 程 学 报 第49卷第 1期(a)AFM图 (b)MFM 图E《 蔼刮痕A处截面轮廓的坐标x/Iam(c)刮痕A处的轮廓图图6 试验后磨损严重区域的相关图形(a)AFM 图 (b)MFM图越粪蔼刮痕 B处截面轮廓的坐标 x/I.tmc)刮痕 B处的轮廓图图 7 试验后宽度大深度浅刮痕区域的相关图形区域内有明显的退磁现象发生〖虑到这条刮痕的宽度约2 gm，塑性变形相对较大，所以，此种情况下可以认为较大的塑性变形是引起磁层退磁的-个原因。

另外，在有些区域中，磁盘表面的硬碳层上仅有轻微的刮痕，但是还发生了退磁现象。此时，对应的退磁区域比刮痕区域要大得多，这与文献[10观察到的现象-致。图8a和图 8b分别为宽度小深度浅的刮痕区域的 AFM 图和 MFM 图。从图8c中可知，图 8a中的刮痕宽度为 50nm，深度为 0.8nm。

但是，从图 8b中观察到这条刮痕相对位置处的 3条磁道已经退磁(Gwyddion软件读出该区域的磁信号强度为0.17。，小于退磁的判断标准 0.2。，为退磁)，即退磁区域的宽度约为450 nm。导致上述现象的-个主要原因是由于头盘间的滑动接触是在 5 400r/min的高速状态下发生的，滑动摩擦所产生的热传导给磁层，引起磁层的瞬态温升超过了居里温度，致使退磁现象发生。

(a)AFM图 (b)MFM图l O0 8妄 0 6、扛 0- 02刮痕 C处截面轮廓的坐标x/lam(c)刮痕 C处的轮廓图图8 试验后宽度小深度浅的刮痕区域的相关图形更加严重的问题在该研究中观察到了，即在无明显刮痕的区域中发生了退磁现象。图9为试验后无明显刮痕区域的相关图形。从图9a和图9c中可以看到，磁盘相关区域的表面形貌基本没有任何变化。然而，在图9b中观察到退磁现象发生在中间的4个磁道上(Gwyddion软件读出的退磁区域的磁信号强度为 0.18o)，即退磁区域的宽度为 600 nm。这种现象发生的原因与图8所示的情况相同，并且文献[9]中也得到了相似的结果。

图 10是对多条刮痕的退磁状况进行统计学分析，整理相关数据得到下表。该表给出了每条刮痕的退磁状态、刮痕深度及刮痕宽度。退磁状态是利用Gwyddion软件所得到的磁信号强度值来确定的，数值越小，退磁现象越严重。通过该值，可以把退磁状态分为三类：退磁、部分退磁和未退磁，这三128 机 械 工 程 学 报 第49卷第 1期JEONG T G， BOGY D B.Demagnetization due toinverse magnetostriction efects in longitudinal thin filmmedia[J].IEEE Trans.Magn.，1995，31(2)：1007-1012。

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作者简介：刘育良(通信作者)，男，1984年出生，博士研究生。主要研究方向为硬盘驱动器摩擦学。