近日，美國(guó)布朗大學(xué)和Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(lái)幾代以磁技術(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)硬盤(pán)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)技術(shù)所遇到的限制。
磁介質(zhì)將信息存儲(chǔ)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(chǔ)更多信息，制造商需要將扇區(qū)做得更小。但問(wèn)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(huì)在室溫下失去
磁性方向，進(jìn)而損壞存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。 要繼續(xù)增加存儲(chǔ)容量，以便存儲(chǔ)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?yàn)樗诩{米級(jí)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(gè)粒子都指向同一個(gè)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(chǔ)密度提高到原來(lái)的10倍。
納米技術(shù)在以硬盤(pán)為代表的磁存儲(chǔ)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(jí)順磁現(xiàn)象，使硬盤(pán)的存儲(chǔ)密度達(dá)到每平方英寸100GB的級(jí)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(pán)的存儲(chǔ)密度提升至驚人的每平方英寸50TB。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)磁存儲(chǔ)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(pán)是利用磁顆粒的磁性來(lái)記錄數(shù)據(jù)，由于物理尺寸限制，硬盤(pán)的盤(pán)片數(shù)量和盤(pán)片大小都已標(biāo)準(zhǔn)化，若要提升硬盤(pán)的容量，惟一方法就是努力提高磁區(qū)的存儲(chǔ)密度。然而，考慮到磁穩(wěn)定性，磁顆粒同樣不能無(wú)限小。任何磁體都會(huì)在受熱溫度提高時(shí)產(chǎn)生磁性減弱的現(xiàn)象，當(dāng)溫度提升到某個(gè)臨界值時(shí)，該磁體的磁性則會(huì)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(xiě)過(guò)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(pán)的存儲(chǔ)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(guò)超順磁的辦法―在盤(pán)片上建立多個(gè)磁層。如果一個(gè)磁層可以存儲(chǔ)40GB的數(shù)據(jù)，兩個(gè)磁層就可以存儲(chǔ)80GB的數(shù)據(jù)，三個(gè)磁層就是120GB。但是要實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)并不容易。就像把兩塊磁鐵放在一起，會(huì)出現(xiàn)互相吸引或者互相排斥的現(xiàn)象。同樣，上下兩個(gè)磁層的磁場(chǎng)也會(huì)如此互相干擾，而這種干擾將使各自存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)發(fā)生嚴(yán)重錯(cuò)亂。
AFC技術(shù)的關(guān)鍵就是在硬盤(pán)盤(pán)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(gè)相鄰的磁層工作時(shí)互不干擾。因?yàn)檫@個(gè)釕金屬層本身是沒(méi)有磁性的，可長(zhǎng)久保持最佳的穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)厚度精確的釕金屬層又會(huì)讓每一個(gè)磁體層的磁性以相反方向成對(duì)出現(xiàn)，兩兩組成相反陣列，最后形成了獨(dú)特的AFC硬盤(pán)結(jié)構(gòu)。最終，IBM以AFC技術(shù)巧妙解決了磁層干擾的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了更高的存儲(chǔ)密度。
希捷:SOMA技術(shù)
雖然AFC技術(shù)提高了存儲(chǔ)密度，但它只能達(dá)到每平方英寸100GB。如果要實(shí)現(xiàn)每平方英寸TB級(jí)別的高密度存儲(chǔ)，AFC技術(shù)也無(wú)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(shí)現(xiàn)未來(lái)高達(dá)每平方英寸50TB的驚人存儲(chǔ)密度。
磁顆粒在制造過(guò)程中可自主整齊排列，不會(huì)雜亂無(wú)章。鐵鉑就是新一代的磁存儲(chǔ)材料，是鐵元素和鉑元素的結(jié)合體。它的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)。由于不需要再考慮超級(jí)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(pán)的存儲(chǔ)密度就可以達(dá)到每平方英寸20TB，達(dá)到現(xiàn)有硬盤(pán)存儲(chǔ)密度的200倍;而如果該直徑縮小到3nm，那么硬盤(pán)的存儲(chǔ)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(jí)容量。
但是，SOMA技術(shù)要變成現(xiàn)實(shí)還需要克服許多困難。第一是如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)寫(xiě)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(xiě)入技術(shù)根本無(wú)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(xiě)入技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)實(shí)際結(jié)合了磁技術(shù)與激光技術(shù)。將一個(gè)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(lái)加熱待寫(xiě)入的區(qū)域，等溫度升高后，再以傳統(tǒng)方式改變磁性，寫(xiě)入數(shù)據(jù)。
第二個(gè)困難是如何得到環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于開(kāi)啟硬盤(pán)的讀寫(xiě)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(guò)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(xiàng)技術(shù)，預(yù)計(jì)至少10年后才能廣泛應(yīng)用這種高密度存儲(chǔ)方式，因此現(xiàn)在還有充裕的時(shí)間來(lái)解決這些問(wèn)題。
中國(guó)納米信息存儲(chǔ)發(fā)展
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所和化學(xué)研究所在納米信息存儲(chǔ)材料領(lǐng)域再獲突破。在原來(lái)工作的基礎(chǔ)上，他們成功地在H2 Rotaxane分子薄膜中實(shí)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(jí)存儲(chǔ)。具有以上功能的
材料及其在信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用是超高密度信息存儲(chǔ)研究的重要方向之一。在過(guò)去的10多年里，物理研究所與化學(xué)研究所通過(guò)對(duì)有機(jī)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(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)，其最新研究成果已經(jīng)刊登在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)志》上了。
納米線簡(jiǎn)介
納米線為一種具有在橫向上被限制在100nm以下(縱向沒(méi)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(méi)有的有趣性質(zhì)。這是因?yàn)殡娮釉诩{米線中橫向受到量子束縛，能級(jí)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(duì)通過(guò)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(huì)體現(xiàn)出大尺度材料更好的機(jī)械性能，在強(qiáng)度和韌度方面都有所加強(qiáng)。
目前，納米線均在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)階段，但是一些早期實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明它們可以被用來(lái)制造下一代計(jì)算機(jī)裝置。納米管正在被研究用做彈道波導(dǎo)，運(yùn)用于量子點(diǎn)、量子阱效應(yīng)光子邏輯陣列的連線。
