近日，美國布朗大學(xué)和Sandia國家實(shí)驗室的科學(xué)家公布了幾種制造鐵鉑納米棒和納米線(xiàn)的新方法。使用這些方法合成的新型納米粒子，能夠顯著(zhù)增加未來(lái)幾代以磁技術(shù)為基礎的計算機硬盤(pán)的數據存儲空間。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)出的設備將可能不再受到常規磁存儲技術(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小扇區上。要想在更小的空間中存儲更多信息，制造商需要將扇區做得更小。但問(wèn)題是，如果進(jìn)一步縮小傳統材料制造的粒子，那么它們就會(huì )在室溫下失去
磁性方向，進(jìn)而損壞存儲的數據。 要繼續增加存儲容量，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(xiàn)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(lái)的10倍。
納米技術(shù)在以硬盤(pán)為代表的磁存儲領(lǐng)域早已得到應用。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象，使硬盤(pán)的存儲密度達到每平方英寸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(pán)的存儲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)記錄數據，由于物理尺寸限制，硬盤(pán)的盤(pán)片數量和盤(pán)片大小都已標準化，若要提升硬盤(pán)的容量，惟一方法就是努力提高磁區的存儲密度。然而，考慮到磁穩定性，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)生磁性減弱的現象，當溫度提升到某個(gè)臨界值時(shí)，該磁體的磁性則會(huì )完全喪失，這種現象叫做“超順磁”。這一臨界溫度被稱(chēng)為居里溫度，以紀念居里夫人的丈夫、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)程中受熱升溫現象就越明顯，磁性減弱現象也就越嚴重。由于超順磁的影響，使得傳統硬盤(pán)的存儲密度只能達到每平方英寸20至40GB左右，相當于單碟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40GB的數據，兩個(gè)磁層就可以存儲80GB的數據，三個(gè)磁層就是120GB。但是要實(shí)現這點(diǎn)并不容易。就像把兩塊磁鐵放在一起，會(huì )出現互相吸引或者互相排斥的現象。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的數據發(fā)生嚴重錯亂。
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。因為這個(gè)釕金屬層本身是沒(méi)有磁性的，可長(cháng)久保持最佳的穩定狀態(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出現，兩兩組成相反陣列，最后形成了獨特的AFC硬盤(pán)結構。最終，IBM以AFC技術(shù)巧妙解決了磁層干擾的問(wèn)題，實(shí)現了更高的存儲密度。
希捷:SOMA技術(shù)
雖然AFC技術(shù)提高了存儲密度，但它只能達到每平方英寸100GB。如果要實(shí)現每平方英寸TB級別的高密度存儲，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)現未來(lái)高達每平方英寸50TB的驚人存儲密度。
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材料，是鐵元素和鉑元素的結合體。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。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(pán)的存儲密度就可以達到每平方英寸20TB，達到現有硬盤(pán)存儲密度的200倍;而如果該直徑縮小到3nm，那么硬盤(pán)的存儲密度將達到驚人的每平方英寸50TB，相當于單碟60TB的超級容量。
但是，SOMA技術(shù)要變成現實(shí)還需要克服許多困難。第一是如何實(shí)現數據寫(xiě)入。由于鐵鉑材料的熱穩定性極好，在常溫狀態(tài)下它的磁性極其頑固，使用傳統的磁頭寫(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(chēng)為HAMR(Heat Assisted Magnetic Recording，熱輔助磁記錄)的磁寫(xiě)入技術(shù)，這項技術(shù)實(shí)際結合了磁技術(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部，利用激光頭射出的激光來(lái)加熱待寫(xiě)入的區域，等溫度升高后，再以傳統方式改變磁性，寫(xiě)入數據。
第二個(gè)困難是如何得到環(huán)狀結構。由于開(kāi)啟硬盤(pán)的讀寫(xiě)模式要求磁道必須為環(huán)狀結構，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)狀結構。希捷公司正在積極努力研究此項技術(shù)，預計至少10年后才能廣泛應用這種高密度存儲方式，因此現在還有充裕的時(shí)間來(lái)解決這些問(wèn)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(lái)工作的基礎上，他們成功地在H2 Rotaxane分子薄膜中實(shí)現了可逆的電導變化和可擦除、穩定的、可重復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用是超高密度信息存儲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)對有機分子功能基團的修飾，控制分子的結構與物性，成功地實(shí)現了這一目標，其最新研究成果已經(jīng)刊登在《美國化學(xué)學(xué)會(huì )會(huì )志》上了。
納米線(xiàn)簡(jiǎn)介
納米線(xiàn)為一種具有在橫向上被限制在100nm以下(縱向沒(méi)有限制)的一維結構。這種尺度上，量子力學(xué)效應很明顯,因此也被稱(chēng)作“量子線(xiàn)”。根據組成材料的不同，納米線(xiàn)可分為不同的類(lèi)型，包括金屬納米線(xiàn)，半導體納米線(xiàn)和絕緣體納米線(xiàn)。
納米線(xiàn)具有許多在大尺度或三維物體中沒(méi)有的有趣性質(zhì)。這是因為電子在納米線(xiàn)中橫向受到量子束縛，能級不連續。這種量子束縛的特性在一些納米線(xiàn)中(比如碳納米管)表現為非連續的電阻值。這種分立值是由納米尺度下量子效應對通過(guò)納米線(xiàn)電子數的限制引起的，這些孤立值通常被稱(chēng)為電阻的量子化。另外，納米線(xiàn)還會(huì )體現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(xiàn)均在實(shí)驗室中生產(chǎn)，尚未在自然界中發(fā)現。納米線(xiàn)可以由懸置法、沉積法或者元素合成法制得。
盡管納米線(xiàn)目前仍處于實(shí)驗階段，但是一些早期實(shí)驗已經(jīng)證明它們可以被用來(lái)制造下一代計算機裝置。納米管正在被研究用做彈道波導，運用于量子點(diǎn)、量子阱效應光子邏輯陣列的連線(xiàn)。
