磁記錄讀出頭

研究背景

自1988年Baibich在Fe/Cr超晶格多層膜發現巨磁電阻(Giant Magnetoresistance，GMR)效應以後，巨磁電阻效應及其材料的基礎研究和套用研究迅速成為人們關注的熱點，隨後相繼在“鐵磁金屬/非磁性金屬/鐵磁金屬”結構的自旋閥(Spin Valve，SV)，“鐵磁金屬/非磁性金屬”顆粒膜及“鐵磁金屬/非磁性絕緣體/鐵磁金屬”自旋相關隧道結(Spin Dependent Tunneling，SDT)中發現了巨磁電阻效應。1994年在類鈣鈦礦La-Ca-Mn-O系列中發現龐磁電阻(Colossal Magnetoresistance，CMR)效應。十多年來，巨磁電阻效應的研究發展如此迅速，並且基礎研究和套用研究幾乎齊頭並進，已成為基礎研究快速轉化為商業套用的國際典範。目前，GMR材料已在磁感測器、計算機讀出磁頭、磁隨機存取存儲器等領域得到商業化套用。

工作原理

GMR材料首先是作為計算機硬碟的讀出磁頭而被商業化套用的。上圖是GMR讀出磁頭的簡單模型。當記錄媒質上的剩餘磁場作用於磁頭時，自旋閥的自由層磁化強度方向發生變化，從而引起磁頭電阻的變化。電阻的變化通過磁頭的電流讀出。下圖是IBM公司最早設計的自旋閥型磁頭的原理示意圖。自由層和釘扎層被非磁性金屬層隔開，通過反鐵磁層的交換耦合，釘扎層的磁矩被釘扎在y軸方向，自由層磁矩隨信號場變化而翻轉，自旋閥總的電阻變化，如果自由層的單軸各向異性難磁化軸與信號場取向一致時，電阻的變化與磁場線性回響。目前利用GMR效應來製成GMR磁頭主要是使用自旋閥結構。表格是部分自旋閥型磁頭一覽表。

性能特點

信息技術的發展要求高密度大容量及小型化的外存系統，超高密度磁碟的發展使每記錄單元的尺寸減小到亞微米，因而其產生的待讀信號場很微弱;另一方面，磁碟的小型化使其線速度減低，傳統的感應式磁頭無法得到足夠的信噪比。雖然用AMR(Anisotropic Magnetoresistance)磁頭提高了磁碟的存儲密度和靈敏度，且讀出信號不受記錄媒質運動速度的影響，但其微小的AMR磁電阻率和AMR磁頭固有的巴克豪森噪音，是AMR磁頭的重要不足。GMR磁頭以其大的磁電阻變化率，並克服了巴克豪森噪音，大大地提高了磁頭的靈敏度和可靠性，使高密度磁碟技術取得突破。在過去的幾年裡，磁存儲密度以每年60%的速度遞增。在存儲密度提高的同時，磁頭的尺寸卻越來越小。下表是對磁電阻磁頭設計的主要特徵的發展趨勢的預測。

研究趨勢

IBM公司一直是國際上硬磁碟和磁頭生產的主導者。在GMR磁頭的研究和商品化方面也不例外。1994年IBM公司首次使用的GMR效應自旋閥磁頭，硬碟面密度為1Gb/in2;1995年IBM公司宣布了面密度為3Gb/in2的GMR磁頭；其後世界記錄一再被打破。1998年IBM公司宣布在磁碟驅動器中使用的商品化GMR多層膜磁頭面密度已超過5Gb/in2，而實驗室的密度已達20Gb/in2。日本的硬碟和磁頭技術也處於世界前列。1994年日本工業界投資10億日元，從1995年至2000年資助34所大學和21家公司聯合實施SRC計畫(Storage Research Consortium Program)，該計畫的目標是實現GMR磁頭面密度20Gb/in2。由於存儲技術在信息社會中的重要地位，日本政府又投入50億日元，從1996年至2001年資助SRC成員單位實施ASET計畫(Associationof Super-Advanced Electronics Technology)。ASET計畫的目標是實現GMR磁頭面密度40Gb/in2。目前，SRC計畫和ASET計畫1998年已在實驗室實現了面密度40Gb/in2，2003年可實現100Gb/in2。我國在GMR材料領域的研究起步較晚，1988年才開始有國家自然科學基金重大項目。雖然在基礎研究方面有個別較先進的工作，但在GMR磁頭等套用研究方面幾乎還是一片空白。鑒於GMR磁頭優異的性能，國家應在基礎研究和套用研究方面大力扶持。

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基本介紹

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工作原理

性能特點

研究趨勢

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