納米技術(shù)是否會代替常規(guī)磁存儲技術(shù)解析

近日，美國布朗大學(xué)和Sandia國家實驗室的科學(xué)家公布了幾種制造鐵鉑納米棒和納米線的新方法。使用這些方法合成的新型納米粒子，能夠顯著增加未來幾代以磁技術(shù)為基礎(chǔ)的計算機硬盤的數(shù)據(jù)存儲空間。這些材料使制造更密集磁介質(zhì)成為可能，而且，使用這些新材料生產(chǎn)出的設(shè)備將可能不再受到常規(guī)磁存儲技術(shù)所遇到的限制。

磁介質(zhì)將信息存儲在由磁性一致的鈷、鉑和鉻合金制造的粒子組成的細(xì)小扇區(qū)上。要想在更小的空間中存儲更多信息，制造商需要將扇區(qū)做得更小。但問題是，如果進(jìn)一步縮小傳統(tǒng)材料制造的粒子，那么它們就會在室溫下失去磁性方向，進(jìn)而損壞存儲的數(shù)據(jù)。 要繼續(xù)增加存儲容量，以便存儲更多的歌曲、電影和其他多媒體文件，就必須尋找新材料。鐵鉑材料非常重要，因為它在納米級別能保持磁性，即這種材料的納米棒和納米線能夠在受控的情況下保持極性一致，每個粒子都指向同一個方向。如果鐵鉑粒子能夠按照要求的規(guī)格制造，就可以用作磁介質(zhì)，而且能使存儲密度提高到原來的10倍。

納米技術(shù)在以硬盤為代表的磁存儲領(lǐng)域早已得到應(yīng)用。例如，IBM發(fā)明的AFC（Anti Ferromagnetically Coupled，反鐵磁性耦合）技術(shù)就成功克服了超級順磁現(xiàn)象，使硬盤的存儲密度達(dá)到每平方英寸100GB的級別;而希捷公司正在發(fā)展的SOMA（Self-Ordered Magnetic Arrays，自排列磁體陣列）技術(shù)則可以將硬盤的存儲密度提升至驚人的每平方英寸50TB。毫無疑問，未來磁存儲密度要獲得突破性的發(fā)展，還取決于在納米材料方面的研究成果。

IBM:AFC技術(shù)

硬盤是利用磁顆粒的磁性來記錄數(shù)據(jù)，由于物理尺寸限制，硬盤的盤片數(shù)量和盤片大小都已標(biāo)準(zhǔn)化，若要提升硬盤的容量，惟一方法就是努力提高磁區(qū)的存儲密度。然而，考慮到磁穩(wěn)定性，磁顆粒同樣不能無限小。任何磁體都會在受熱溫度提高時產(chǎn)生磁性減弱的現(xiàn)象，當(dāng)溫度提升到某個臨界值時，該磁體的磁性則會完全喪失，這種現(xiàn)象叫做“超順磁”。這一臨界溫度被稱為居里溫度，以紀(jì)念居里夫人的丈夫、物理學(xué)家皮埃爾？居里。要提高密度，磁顆粒就必須變小;而磁顆粒越小，在讀寫過程中受熱升溫現(xiàn)象就越明顯，磁性減弱現(xiàn)象也就越嚴(yán)重。由于超順磁的影響，使得傳統(tǒng)硬盤的存儲密度只能達(dá)到每平方英寸20至40GB左右，相當(dāng)于單碟50GB左右。

IBM的科學(xué)家們最終找到繞過超順磁的辦法―在盤片上建立多個磁層。如果一個磁層可以存儲40GB的數(shù)據(jù)，兩個磁層就可以存儲80GB的數(shù)據(jù)，三個磁層就是120GB。但是要實現(xiàn)這點并不容易。就像把兩塊磁鐵放在一起，會出現(xiàn)互相吸引或者互相排斥的現(xiàn)象。同樣，上下兩個磁層的磁場也會如此互相干擾，而這種干擾將使各自存儲的數(shù)據(jù)發(fā)生嚴(yán)重錯亂。

AFC技術(shù)的關(guān)鍵就是在硬盤盤片的磁層間添加一層大約0.3nm厚的金屬釕（RU）元素層，它可以讓兩個相鄰的磁層工作時互不干擾。因為這個釕金屬層本身是沒有磁性的，可長久保持最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。同時厚度精確的釕金屬層又會讓每一個磁體層的磁性以相反方向成對出現(xiàn)，兩兩組成相反陣列，最后形成了獨特的AFC硬盤結(jié)構(gòu)。最終，IBM以AFC技術(shù)巧妙解決了磁層干擾的問題，實現(xiàn)了更高的存儲密度。

希捷：SOMA技術(shù)

雖然AFC技術(shù)提高了存儲密度，但它只能達(dá)到每平方英寸100GB。如果要實現(xiàn)每平方英寸TB級別的高密度存儲，AFC技術(shù)也無能為力。而希捷公司最新的SOMA技術(shù)可以使磁顆粒的直徑縮小到3nm，實現(xiàn)未來高達(dá)每平方英寸50TB的驚人存儲密度。

磁顆粒在制造過程中可自主整齊排列，不會雜亂無章。鐵鉑就是新一代的磁存儲材料，是鐵元素和鉑元素的結(jié)合體。它的特點是在高溫條件下可以保持很好的磁性，并且表面均勻、排列整齊，制造上比較容易實現(xiàn)。由于不需要再考慮超級順磁的影響，理論上鐵鉑顆粒的尺寸可以進(jìn)一步縮小。如果鐵鉑顆粒的直徑縮小到6nm，那么硬盤的存儲密度就可以達(dá)到每平方英寸20TB，達(dá)到現(xiàn)有硬盤存儲密度的200倍;而如果該直徑縮小到3nm，那么硬盤的存儲密度將達(dá)到驚人的每平方英寸50TB，相當(dāng)于單碟60TB的超級容量。

但是，SOMA技術(shù)要變成現(xiàn)實還需要克服許多困難。第一是如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入。由于鐵鉑材料的熱穩(wěn)定性極好，在常溫狀態(tài)下它的磁性極其頑固，使用傳統(tǒng)的磁頭寫入技術(shù)根本無法改變鐵鉑磁顆粒的磁性。希捷公司提出了一種稱為HAMR（Heat Assisted Magnetic Recording，熱輔助磁記錄）的磁寫入技術(shù)，這項技術(shù)實際結(jié)合了磁技術(shù)與激光技術(shù)。將一個用于加熱的激光頭放入磁頭部件內(nèi)部，利用激光頭射出的激光來加熱待寫入的區(qū)域，等溫度升高后，再以傳統(tǒng)方式改變磁性，寫入數(shù)據(jù)。

第二個困難是如何得到環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于開啟硬盤的讀寫模式要求磁道必須為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，但是鐵鉑顆粒在制造過程中只能自主排列成矩陣形式，不是環(huán)狀結(jié)構(gòu)。希捷公司正在積極努力研究此項技術(shù)，預(yù)計至少10年后才能廣泛應(yīng)用這種高密度存儲方式，因此現(xiàn)在還有充裕的時間來解決這些問題。

中國納米信息存儲發(fā)展

最近，中國科學(xué)院物理研究所和化學(xué)研究所在納米信息存儲材料領(lǐng)域再獲突破。在原來工作的基礎(chǔ)上，他們成功地在H2 Rotaxane分子薄膜中實現(xiàn)了可逆的電導(dǎo)變化和可擦除、穩(wěn)定的、可重復(fù)使用的接近單分子尺度的納米級存儲。具有以上功能的材料及其在信息存儲中的應(yīng)用是超高密度信息存儲研究的重要方向之一。在過去的10多年里，物理研究所與化學(xué)研究所通過對有機分子功能基團(tuán)的修飾，控制分子的結(jié)構(gòu)與物性，成功地實現(xiàn)了這一目標(biāo)，其最新研究成果已經(jīng)刊登在《美國化學(xué)學(xué)會會志》上了。

納米線簡介

納米線為一種具有在橫向上被限制在100nm以下（縱向沒有限制）的一維結(jié)構(gòu)。這種尺度上，量子力學(xué)效應(yīng)很明顯，因此也被稱作“量子線”。根據(jù)組成材料的不同，納米線可分為不同的類型，包括金屬納米線，半導(dǎo)體納米線和絕緣體納米線。

納米線具有許多在大尺度或三維物體中沒有的有趣性質(zhì)。這是因為電子在納米線中橫向受到量子束縛，能級不連續(xù)。這種量子束縛的特性在一些納米線中（比如碳納米管）表現(xiàn)為非連續(xù)的電阻值。這種分立值是由納米尺度下量子效應(yīng)對通過納米線電子數(shù)的限制引起的，這些孤立值通常被稱為電阻的量子化。另外，納米線還會體現(xiàn)出大尺度材料更好的機械性能，在強度和韌度方面都有所加強。

目前，納米線均在實驗室中生產(chǎn)，尚未在自然界中發(fā)現(xiàn)。納米線可以由懸置法、沉積法或者元素合成法制得。

盡管納米線目前仍處于實驗階段，但是一些早期實驗已經(jīng)證明它們可以被用來制造下一代計算機裝置。納米管正在被研究用做彈道波導(dǎo)，運用于量子點、量子阱效應(yīng)光子邏輯陣列的連線。