关于“石墨烯可以提升10倍硬盘存储容量”的调研

今天和大家聊聊这几天传得沸沸扬扬的石墨烯硬盘的事情，希望能够帮助大家了解事实的真相。

2021年5月17日公开的一篇普通的关于石墨烯作为超高密度磁存储介质覆盖层的研究论文（图1），最近被热炒，说可以将硬盘存储容量提升10倍。我们知道，正常情况下石墨烯非磁性，不能作为磁存储介质的。因此，石墨烯本身是不能提高磁存储密度的。那么具体是什么情况呢？

图1： 2021年5月17日发表在Nature Communication上的论文截图（参考1）

1.硬盘容量是什么决定的？

传统硬盘中通常使用的磁介质一般是CoCrPtX合金颗粒，硬盘的存储容量密度和CoCrPtX的颗粒尺寸和尺寸分布有关。例如：容量密度每平方英寸10Gb的硬盘，其CoCrPtX颗粒是12纳米；而容量密度每平方英寸35Gb的硬盘，其CoCrPtX颗粒是12纳米，尺寸分布0.6；如果进一步将12纳米的CoCrPtX颗粒的尺寸分布降低到0.36，则其存储容量密度可以提升到每平方英寸750Gb，也就是0.75Tb（图2）。

图2： 2021年5月17日发表在Nature Communication上的论文截图（参考1）

传统CoCrPtX材料由于接近超顺磁尺寸极限无法继续通过降低尺寸来实现更高存储密度。因此需要寻找替代材料（图3），例如Co3Pt合金、FePd合金、SmCo5合金等。而在这些材料中最具可能、也是研究最多的就是FePt合金颗粒。

图3：超高密度硬盘存储介质的几种备选材料体系（参考2）

2.高密度存储介质FePt合金颗粒的故事

FePt合金具有磁存储介质的特性是几十年前就知道的。但真正有趣的事情发生在21年前，当时一位留学美国的华人科学家孙守恒博士在《Science》上发表论文，报道了一种合成高品质FePt合金颗粒的方法（图4）：其颗粒尺寸仅为4纳米,尺寸分布小于5%。从原理上来说，使用这种FePt合金颗粒可以轻松做到1Tb以上的存储容量。

图4：2000年，华人科学家首次合成FePt纳米颗粒，其尺寸为4纳米，尺寸分布小于5%

这篇研究掀开了一扇超高密度磁存储介质研究的大门。但是这种合金制备方法是化学方法，难以量产。因此研究人员通过优化物理沉积法，也成功实现了小尺寸的FePt合金介质膜的制备（图5,约6纳米）。 目前主流的硬盘研究，包括希捷、西部数据等硬盘巨头均采用类似的制备方案。

图5：主流磁盘使用的物理沉积法制备的FePt合金颗粒大约6nm(参考2)

3.高密度存储FePt合金颗粒体系为什么需要石墨烯？

FePt合金有一个特点，其矫顽力非常高（磁矩翻转需要的力），用传统的磁头扫描无法读取。怎么办呢？目前通用的方案是用一个激光脉冲加热需要读取的部分，降低其矫顽力，这样磁头就可以读取了。这就是目前被认为最有可能实现1Tb以上高密度存储的关键技术之一：加热辅助磁存储技术（heat assisted magnetic recording technology ，缩写为HAMR）。

而激光脉冲又会导致合金颗粒局部过热，带来一些其他问题，之前大部分研究论文中，HAMR需要用一种很薄的大约3纳米的碳膜覆盖层保护。而2021年5月17日发表的这篇论文，报道的是使用1-4层石墨烯替代传统碳膜覆盖层，他们发现石墨烯比碳膜覆盖层具有更好的热稳定性、耐摩擦性能等。

但是：并没有任何关于磁存储密度的测试！作者仅仅是提了一个假设而已：“如果石墨烯能和HAMR或HAMR+BPM结合，也许能将磁存储密度提升到10Tb”（The combination of 1LG + HAMR + BPM may increase AD > 10 Tb/in2.）。

作者甚至没有将石墨烯真正用在FePt合金上进行测试（图6），更没有测试任何HAMR系统。

图6:2021年5月21日发表论文的研究样品列表（参考1）

结语：

HAMR高密度磁存储介质表面用石墨烯做覆盖层是一个好的想法，但这并不是超高密度磁存储方案最关键的难点、也不是本质。并且，这篇论文使用的是一种高污染的化学转移石墨烯的方法，本质上是不可能与当下的硬盘制造工艺兼容的（类似于我们说的2000孙博士发明的高质量FePt合金颗粒的制造方法，却不能作为实际量产方案）。

硬盘制造巨头希捷和西部数据都在进行HAMR的技术攻关（参考4）。实际上，希捷公司的博客上已经发文表示目前HAMR产品已经送客户测试，并且近期已经实现创纪录的2.381 T每平方英寸存储密度（图7）。

图7：希捷公司的HAMR执行器悬臂（参考4）

而根据媒体报道的希捷公司的HAMR技术路线来看：目前的第一代FePt颗粒式结构，存储密度上限是每平方英寸4-6Tb;第二代的排列式颗粒结构，存储容量上限是每平方英寸5-7Tb，而第三代的比特阵列式颗粒技术（也就是上面提到的BPM技术），存储容量上限超过每平方英寸8Tb（图8，参考5）。

图8：希捷公司的HAMR技术路线图（参考5）

所以大家应该清楚了吧，将硬盘容量提升10倍的不是石墨烯，而是基于HAMR方案的BPM技术。未来的制程也不一定需要石墨烯。

参考1：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22687-y

参考2：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/pssa.201329106

参考3：https://science.sciencemag.org/content/287/5460/1989.full

参考4：https://blog.seagate.com/craftsman-ship/netapp-tests-hamr-successfully-product-integration-plans-are-on-track/

参考5：https://www.tomshardware.com/news/seagate-technology-roadmap-2021