纳米技术助力高密度存储

铁铂材料纳米棒(上)和纳米线(下)



希捷硬盘将利用HAMR技术提高存储密度



使用AFC技术的硬盘盘片可以实现多个磁层，两个磁层之间夹着三个原子厚的钌元素隔离层
专家认为，常规磁存储技术在2010年左右会达到极限，未来磁存储密度能否获得突破性的发展，几乎完全取决于相关领域纳米材料的研究成果。

近日，美国布朗大学和Sandia国家实验室的科学家公布了几种制造铁铂纳米棒和纳米线的新方法。使用这些方法合成的新型纳米粒子，能够显著增加未来几代以磁技术为基础的计算机硬盘的数据存储空间。这些材料使制造更密集磁介质成为可能，而且，使用这些新材料生产出的设备将可能不再受到常规磁存储技术所遇到的限制。

磁介质将信息存储在由磁性一致的钴、铂和铬合金制造的粒子组成的细小扇区上。要想在更小的空间中存储更多信息，制造商需要将扇区做得更小。但问题是，如果进一步缩小传统材料制造的粒子，那么它们就会在室温下失去磁性方向，进而损坏存储的数据。 要继续增加存储容量，以便存储更多的歌曲、电影和其他多媒体文件，就必须寻找新材料。铁铂材料非常重要，因为它在纳米级别能保持磁性，即这种材料的纳米棒和纳米线能够在受控的情况下保持极性一致，每个粒子都指向同一个方向。如果铁铂粒子能够按照要求的规格制造，就可以用作磁介质，而且能使存储密度提高到原来的10倍。

纳米技术在以硬盘为代表的磁存储领域早已得到应用。例如，IBM发明的AFC(Anti Ferromagnetically Coupled，反铁磁性耦合)技术就成功克服了超级顺磁现象，使硬盘的存储密度达到每平方英寸100GB的级别；而希捷公司正在发展的SOMA(Self-Ordered Magnetic Arrays，自排列磁体阵列)技术则可以将硬盘的存储密度提升至惊人的每平方英寸50TB。毫无疑问，未来磁存储密度要获得突破性的发展，还取决于在纳米材料方面的研究成果。

IBM:AFC技术

硬盘是利用磁颗粒的磁性来记录数据，由于物理尺寸限制，硬盘的盘片数量和盘片大小都已标准化，若要提升硬盘的容量，惟一方法就是努力提高磁区的存储密度。然而，考虑到磁稳定性，磁颗粒同样不能无限小。任何磁体都会在受热温度提高时产生磁性减弱的现象，当温度提升到某个临界值时，该磁体的磁性则会完全丧失，这种现象叫做“超顺磁”。这一临界温度被称为居里温度，以纪念居里夫人的丈夫、物理学家皮埃尔?居里。要提高密度，磁颗粒就必须变小；而磁颗粒越小，在读写过程中受热升温现象就越明显，磁性减弱现象也就越严重。由于超顺磁的影响，使得传统硬盘的存储密度只能达到每平方英寸20至40GB左右，相当于单碟50GB左右。

IBM的科学家们最终找到绕过超顺磁的办法―在盘片上建立多个磁层。如果一个磁层可以存储40GB的数据，两个磁层就可以存储80GB的数据，三个磁层就是120GB。但是要实现这点并不容易。就像把两块磁铁放在一起，会出现互相吸引或者互相排斥的现象。同样，上下两个磁层的磁场也会如此互相干扰，而这种干扰将使各自存储的数据发生严重错乱。

AFC技术的关键就是在硬盘盘片的磁层间添加一层大约0.3nm厚的金属钌(RU)元素层，它可以让两个相邻的磁层工作时互不干扰。因为这个钌金属层本身是没有磁性的，可长久保持最佳的稳定状态。同时厚度精确的钌金属层又会让每一个磁体层的磁性以相反方向成对出现，两两组成相反阵列，最后形成了独特的AFC硬盘结构。最终，IBM以AFC技术巧妙解决了磁层干扰的问题，实现了更高的存储密度。

希捷:SOMA技术

虽然AFC技术提高了存储密度，但它只能达到每平方英寸100GB。如果要实现每平方英寸TB级别的高密度存储，AFC技术也无能为力。而希捷公司最新的SOMA技术可以使磁颗粒的直径缩小到3nm，实现未来高达每平方英寸50TB的惊人存储密度。

磁颗粒在制造过程中可自主整齐排列，不会杂乱无章。铁铂就是新一代的磁存储材料，是铁元素和铂元素的结合体。它的特点是在高温条件下可以保持很好的磁性，并且表面均匀、排列整齐，制造上比较容易实现。由于不需要再考虑超级顺磁的影响，理论上铁铂颗粒的尺寸可以进一步缩小。如果铁铂颗粒的直径缩小到6nm，那么硬盘的存储密度就可以达到每平方英寸20TB，达到现有硬盘存储密度的200倍；而如果该直径缩小到3nm，那么硬盘的存储密度将达到惊人的每平方英寸50TB，相当于单碟60TB的超级容量。

但是，SOMA技术要变成现实还需要克服许多困难。第一是如何实现数据写入。由于铁铂材料的热稳定性极好，在常温状态下它的磁性极其顽固，使用传统的磁头写入技术根本无法改变铁铂磁颗粒的磁性。希捷公司提出了一种称为HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording，热辅助磁记录)的磁写入技术，这项技术实际结合了磁技术与激光技术。将一个用于加热的激光头放入磁头部件内部，利用激光头射出的激光来加热待写入的区域，等温度升高后，再以传统方式改变磁性，写入数据。

第二个困难是如何得到环状结构。由于开启硬盘的读写模式要求磁道必须为环状结构，但是铁铂颗粒在制造过程中只能自主排列成矩阵形式，不是环状结构。希捷公司正在积极努力研究此项技术，预计至少10年后才能广泛应用这种高密度存储方式，因此现在还有充裕的时间来解决这些问题。

中国纳米信息存储发展

最近，中国科学院物理研究所和化学研究所在纳米信息存储材料领域再获突破。在原来工作的基础上，他们成功地在H2 Rotaxane分子薄膜中实现了可逆的电导变化和可擦除、稳定的、可重复使用的接近单分子尺度的纳米级存储。具有以上功能的材料及其在信息存储中的应用是超高密度信息存储研究的重要方向之一。在过去的10多年里，物理研究所与化学研究所通过对有机分子功能基团的修饰，控制分子的结构与物性，成功地实现了这一目标，其最新研究成果已经刊登在《美国化学学会会志》上了。

链 接:纳米线简介

纳米线为一种具有在横向上被限制在100nm以下(纵向没有限制)的一维结构。这种尺度上，量子力学效应很明显,因此也被称作“量子线”。根据组成材料的不同，纳米线可分为不同的类型，包括金属纳米线，半导体纳米线和绝缘体纳米线。

纳米线具有许多在大尺度或三维物体中没有的有趣性质。这是因为电子在纳米线中横向受到量子束缚，能级不连续。这种量子束缚的特性在一些纳米线中(比如碳纳米管)表现为非连续的电阻值。这种分立值是由纳米尺度下量子效应对通过纳米线电子数的限制引起的，这些孤立值通常被称为电阻的量子化。另外，纳米线还会体现出大尺度材料更好的机械性能，在强度和韧度方面都有所加强。

目前，纳米线均在实验室中生产，尚未在自然界中发现。纳米线可以由悬置法、沉积法或者元素合成法制得。

尽管纳米线目前仍处于实验阶段，但是一些早期实验已经证明它们可以被用来制造下一代计算机装置。纳米管正在被研究用做弹道波导，运用于量子点、量子阱效应光子逻辑阵列的连线。