第4讲 “巨磁电阻”效应

五、研究历史与热点
早在1856年英国著名物理学家、汤姆逊发现了磁致电阻现象,1857年 Thomson经研究又发现了铁磁多晶体中各向异性磁电阻效应,这是由磁电 阻研究向巨磁电阻研究的一个重大的转变“但由于当时的理论知识和技术 的限制,磁电阻现象一直未得到重视。 直到1971年Huont提出利用磁电阻制作磁盘系统,1985年美国IBM公司 在技术上实现这一构想,1991年日本的日立公司成功制作出这一产品。这 些成果才开始引起人们的注目,尤其是在1988年,法国的Fe在FePCr多层膜 中第一次发现多层膜巨磁电阻效应(缩写为GMR)巨磁电阻效应就是磁有序 材料在一定结构和外磁场作用下,其电阻会随外磁场的改变而发生巨大的 变化。 这一发现不仅让世人终于认识到巨磁电阻效应,而且更重要的是大大激 发了人们研究巨磁电阻效应的热情,人们纷纷从理论和实验的层面对多层 膜的巨磁电阻进行研究,研究队伍不断扩大,研究成果日渐丰厚,1995年美国 物理学会将GMR效应列为当年凝聚态物理中五个热点的首位。
8年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象： 非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。 那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场 变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍， 他把这种效应命名为巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive， GMR）。 有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教 授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中 也发现了完全同样的现象。
第4讲 “巨磁电阻”效应 讲 巨磁电阻”
张凯 博士 教授 计算机科学技术系 电话： 电话：62380002 邮件： 邮件：lifo@
一、什么是“巨磁电阻”效应 什么是“巨磁电阻” 什么是 二、2007年诺贝尔物理学奖 年诺贝尔物理学奖 三、硬盘的介质存储原理 四、大硬盘中的应用 大硬盘中的应用 五、研究历史与热点 研究历史与热点 六、量子化磁盘 量子化磁盘
2.垂直磁化存储技术的奥秘 垂直磁化存储技术的奥秘
垂直磁化记录从微观上看，磁记录单元的排列方式有了变 化，从原来的“首尾相接”的水平排列，变为了“肩并肩” 的垂直排列。磁头的构造也有了改进，并且增加了软磁底层。 这一改变直接解决了“超顺磁效应” 。 垂直记录的另一个好处是相邻的磁单元磁路方向平行，磁 极的两端都挨在一起，而纵向记录相邻的磁单元只在磁极一 端相接，因此这项技术对于稳定性的改进也是颇有成效的。
3) 金属多层膜巨磁电阻效应 金属多层膜是由磁性金属膜与非磁性金属膜交叠而成的周期性 膜,金属多层膜的类型有人工超晶格、多层膜、三明治膜、自旋阀 型膜等,现在制备多层膜用的物理方法主要有两种:(1)蒸镀法(直接 加热蒸镀、电子枪加热蒸镀、分子束外延等)；(2)溅射法(高频溅 射、离子束溅射、磁控溅射等。 4)氧化物薄膜巨磁电阻效应 氧化物薄膜巨磁电阻效应的着眼点是ABO3型钙钛矿结构的掺 杂稀土锰氧化物,主要研究的内容是氧化物不同位置的掺杂特性, 以研究不同物质的掺入对氧化物薄膜的巨磁电阻效应的影响;制造 包含锰氧化物的多层膜以研究对锰氧化物的巨磁电阻的影响。
1) 纳米颗粒膜巨磁电阻效应 纳米颗粒膜是纳米材料中的一种,它是指纳米尺寸的颗粒镶 嵌于薄膜中所构成的复合材料体系,如Fe、Co、Ni、NiFe镶 嵌于Ag、Cu薄膜中而构成,颗粒和基质元素在制备及应用条 件下互不相溶,形成一种非均匀相,处于相分离状态。 2)隧道结巨磁电阻效应(TMR) 在两层金属薄膜之间夹一层10-40nm厚的绝缘薄膜就构成 一个隧道结FMPIPFM"在两层金属薄膜之间加上偏压就有电 子隧穿通过绝缘层势垒形成隧穿电流。
所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用 时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。 巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结 构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。 当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最 小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自 旋有关的散射最强，材料的电阻最大。 上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料 磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场 也可以得到较大电阻变化的材料。
二、2007年诺贝尔物理学奖 年诺贝尔物理学奖
1. 2007年诺贝尔物理学奖 年诺贝尔物理学奖
瑞典皇家科学院2007年10月9日宣布，法国科学家阿尔贝费尔 和德国科学家彼得格林贝格尔共同获得2007年诺贝尔物理学 奖。他们将分享1000万瑞典克朗（1美元约合7瑞典克朗）的奖 金。 这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”效应。 所谓“巨磁电阻”效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作 用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应 开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。 瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，2007年的诺贝尔物理 学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术”。这项技术被认为 是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。 重要贡献：开启硬盘的“三明治”革命。
四、大硬盘中的应用
1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高 了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，创下了 世界记录。硬盘的容量从4ＧB提升到了600ＧB或更高。 目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度 提高到560亿位/平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。随着低 电阻高信号的TMR的获得，存储密度达到了1000亿位/平方英寸。 2007年9月13日，全球最大的硬盘厂商希捷科技（Seagate Technology）在 宣布，其第四代DB35系列硬盘，已达到1TB（1000GB）容量。 除读出磁头外，巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中，可广 泛地应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中，与光电等传感 器相比，具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣的工作条件等优点。 目前，我国国内也已具备了巨磁阻基础研究和器件研制的良好基础。
美国国际商用机器公司将这项基础研究成果用于硬盘开发中，于1997 年生产出第一个应用“巨磁电阻”技术的硬盘。
2. 诺贝尔奖外趣闻
实际上，在英国著名科学家开尔芬勋爵1857年第一次发现磁阻效应起，此 后的100多年里人们还未在实验室观察到如此显著的磁阻效应。 如果不是一次偶然，“巨磁电阻”效应也许会被埋没更久。几年后的一天， 国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研究中心的一位研究员斯图尔特帕金在 浏览旧报纸时看到了他们的成果，公司总部十分重视，立即组成了两个研究 小组着手研究。 研究人员共进行了3万多次试验，对数万种不同的磁介质及其他金属材料 进行了一一组合，终于研制出了一种特殊的膜结构。 这种膜结构分4层，前3层是两层磁介质夹一层非磁性材料膜的“三明治” 结构，第4层则是一层由强反铁磁体组成的膜材料。当外界施加一个很弱的磁 场时，第一层膜即自由层的磁排列会发生有规律的震荡，在平行排列和反平 行排列间轮流变化，引起整个结构电阻的显著变化。在物理学上这种结构被 称作“自旋阀（SV）”。
计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算 机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为 轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被 划分为若干个扇区。 最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁 感应的方式读写数据。然而，随着信息技术发展对存储容量的 要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种磁 头，磁致电阻的变化仅为1％～2％之间，读取数据要求一定的 强度的磁场，且磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘 最大容量只能达到每平方英寸20兆位。硬盘体积不断变小，容 量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区 域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。
这些微小的磁颗粒极性可以被磁头快速的改变，而且一旦改变之 后可以较为稳定的保持，磁记录单元间的磁通量或者磁阻的变化来 分别代表二进制中的0或者1。 磁颗粒的单轴异向性和体积会明显的磁颗粒的热稳定性，而热稳 定性的高低则决定了磁颗粒状态的稳定性，也就是决定了所储存数 据的正确性和稳定性。 但是，磁颗粒的单轴异向性和体积也不能一味地提高，它们受限 于磁头能提供的写入场以及介质信噪比的限制。当磁颗粒的体积太 小的时候，能影响其磁滞的因素就不仅仅是外部磁场了，些许的热 量就会影响磁颗粒的磁滞（譬如室温下的热能），从而导致磁记录 设备上的数据丢失，这种现象就是“超顺磁效应”。
三、硬盘的介质存储原理
1.超顺磁效应 超顺磁效应
盘体由多张盘片组成，而盘片是在铝制合金或者玻璃基层的超 平滑表面上依次涂敷薄磁涂层、保护涂层和表面润滑剂等形成 的。 盘片以4200RPM～15000RPM的转速转动，磁头则做往复的 直线运动，而可以在盘片上的任何位置读取或者写入信息。 微观的来看，盘片上的薄磁涂层是由数量众多的、体积极为 细小的磁颗粒组成。多个磁颗粒（约100个左右）组成一个记 录单元来记录1bit的信息——0或者1。
1994年IBM研制出了一种全新的16.8G硬盘存储器，将 磁盘记录密度一下子提高了17倍，达到了5G比特／平方英 寸（1平方英寸约合6.45平方厘米）。 说到这里，应为这次诺贝尔物理奖遗漏了斯图尔特帕金 博士而不平。瑞典皇家科学院评价这次物理奖时说，基于 “巨磁电阻”效应开发的“用于读取硬盘数据的技术”， 被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之 一”。 然而他们只重视了GMR的发现，而忽视了把它转化为应 用技术的意义。没有后者，这个全球电子化进程中的重要 一坏能够成功吗?因此，如果能让这三位科学家分享今年的 诺贝尔物理奖，那就更公平、更和谐了。
3. 硬盘的容量知识
硬盘的容量由盘面数（磁头数）、柱面数和扇区数决定，其 计算公式为： 硬盘容量＝盘面数×柱面数×扇区数×512字节 关于硬盘容量的大小，经常有人感到迷惑，为什么同一块 硬盘，有时显示40GB，有时却只有37GB，这主要是表示方法 不标准造成的，如1MB到底代表1 000 000字节还是代表1 048 576字节。有些软件把1 000 000字节作为1MB，如DM等，硬盘 上标称容量一般也按1MB＝1000000字节计算；而在另一些软件 中，1MB是1 048 576字节，如Fdisk等。一些书籍或报刊杂志上 发表的论文，硬盘容量的单位也不统一，有以1 000 000字节为 1MB的，也有把1 048 576字节作为1MB的。