基本介紹
- 中文名：巨磁阻
- 外文名：Giant Magneto Resistance
- 別名：特大磁電阻
- 性質：一個非導電中介層
簡介,技術之父,現象,相關效應,磁頭記錄,薄膜相變,相關套用,參閱,
簡介
巨磁阻前3個層控制著磁頭的電阻。在栓層中，磁場強度是固定的，並且磁場方向被相臨的交換層所保持。而且自由層的磁場強度和方向則是隨著轉到磁頭下面的磁碟表面的微小磁化區所改變的，這種磁場強度和方向的變化導致明顯的磁頭電阻變化，在一個固定的信號電壓下面，就可以拾取供硬碟電路處理的信號。
巨磁阻磁頭GMR磁頭與MR磁頭一樣，是利用特殊材料的電阻值隨磁場變化的原理來讀取碟片上的數據，但是GMR磁頭使用了磁阻效應更好的材料和多層薄膜結構，比MR磁頭更為敏感，相同的磁場變化能引起更大的電阻值變化，從而可以實現更高的存儲密度，現有的MR磁頭能夠達到的碟片密度為3Gbit－5Gbit/in2（千兆位每平方英寸），而GMR磁頭可以達到10Gbit－40Gbit/in2以上。目前GMR磁頭已經處於成熟推廣期，在今後它將會逐步取代MR磁頭，成為最流行的磁頭技術。
技術之父
瑞典皇家科學院2007年10月9日宣布，法國科學家阿爾貝·費爾和德國科學家彼得·格林貝格爾共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。這兩名科學家獲獎的原因是先後獨立發現了“巨磁電阻”（Giant MagnetoResistance，GMR）效應。所謂“巨磁電阻”效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。根據這一效應開發的小型大容量計算機硬碟已得到廣泛套用。
瑞典皇家科學院在評價這項成就時表示，2007年的諾貝爾物理學獎主要獎勵“用於讀取硬碟數據的技術，得益於這項技術，硬碟在近年來迅速變得越來越小”。這項技術被認為是“前途廣闊的納米技術領域的首批實際套用之一”。得益於“巨磁電阻”效應這一重大發現，最近20多年來，我們開始能夠在筆記本電腦、音樂播放器等所安裝的越來越小的硬碟中存儲海量信息。
現象
物質在一定磁場下電阻改變的現象，稱為“磁阻效應”，磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現象，通常情況下，物質的電阻率在磁場中僅產生輕微的減小；在某種條件下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10餘倍，稱為“巨磁阻效應”（GMR）；而在很強的磁場中某些絕緣體會突然變為導體，稱為“超巨磁阻效應”（CMR）。
圖1 現象示例
如圖1所示，左面和右面的材料結構相同，兩側是磁性材料薄膜層（紅色），中間是非磁性材料薄膜層（藍灰色）。
左面的結構中，兩層磁性材料的磁化方向相同。
右面的結構中，兩層磁性材料的磁化方向相反。
- 當一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過時，電子較容易通過，呈現小電阻；但較難通過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，呈現大電阻。
- 當一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相反的電子通過時，電子較難通過，呈現大電阻；但較容易通過第二層磁化方向與電子自旋方向相同的磁性材料，呈現小電阻。
相關效應
1988年，費爾和格林貝格爾就各自獨立發現了這一特殊現象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發生非常顯著的電阻變化。那時，法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發現，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應命名為巨磁阻效應（Giant Magneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3個月，德國優利希研究中心格林貝格爾教授領導的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵、鉻、鐵三層膜結構中也發現了完全同樣的現象。
巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生於層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。上下兩層為鐵磁材料，中間夾層是非鐵磁材料。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場控制的，因而較小的磁場也可以得到較大電阻變化的材料。
眾所周知，計算機硬碟是通過磁介質來存儲信息的。一塊密封的計算機硬碟內部包含若干個磁碟片，磁碟片的每一面都被以轉軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁軌，每個磁軌又被劃分為若干個扇區。磁碟片上的磁塗層是由數量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁碟片的每個磁碟面都相應有一個磁頭。當磁頭“掃描”過磁碟面的各個區域時，各個區域中記錄的不同磁信號就被轉換成電信號，電信號的變化進而被表達為“0”和“1”，成為所有信息的原始解碼。最早的磁頭是採用錳鐵磁體製成的，該類磁頭是通過電磁感應的方式讀寫數據。然而，隨著信息技術發展對存儲容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實際需求。因為使用這種磁頭，磁致電阻的變化僅為1%～2%之間，讀取數據要求一定的強度的磁場，且磁軌密度不能太大，因此使用傳統磁頭的硬碟最大容量只能達到每平方英寸20兆位。硬碟體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁碟上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，這些區域所記錄的磁信號也就越來越弱。
1997年，全球首個基於巨磁阻效應的讀出磁頭問世。正是藉助了巨磁阻效應，人們才能夠製造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，並且轉換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現引發了硬碟的“大容量、小型化”革命。
磁頭記錄
一、電磁感應式磁頭
感應磁頭是硬碟誕生時就開始使用的磁頭，並且它是一種讀寫合一的磁頭，而後面將要介紹的兩種磁頭在讀、寫數據時使用的是不同的磁頭，只不過讀、寫頭會被製作在一起，共用一個傳動臂罷了。感應磁頭的工作原理很簡單，顧名思義，它的讀、寫操作都是基於“電磁感應”原理的。寫入時，磁頭就像一個電磁鐵：鐵芯上繞有線圈，線圈通電，產生磁場，然後將磁場作用於碟片上的一個記錄位。碟片上塗有磁性物質，這些磁性物質是由無數的“磁疇”組成的，每個磁疇都有S/N兩極，像一個小磁鐵。在磁介質沒有被磁化時，內部磁疇的方向是雜亂的，不同取向的磁疇首尾相連組成閉合迴路，對外不顯示磁性。當外部的磁場作用於它們時，內部磁疇的方向會逐漸趨於統一，對外顯示磁性。當外部的磁場消失時，受磁疇壁的阻力的影響，磁疇的方向不會回到從前的狀態，因而該記錄位具有了“剩磁”，這就是磁記錄的方式。當要改變磁記錄位的信息時，只要對它施加反向磁場，如果該磁場足夠強，就可以重新改變內部的磁疇排列方向，同時該記錄位對外的磁性也會改變。讀取數據時，磁頭和碟片發生相對運動，金屬切割磁力線，金屬中會產生“感應電勢”，由於線圈處在一個閉合迴路當中，因此線圈中的感應電勢會進一步轉變為“感應電流”，感應電流的方向就代表了磁記錄位的磁場的方向。
磁頭使用的軟磁體是近似環形的。在環形鐵芯上纏繞線圈就構成了典型的“閉合螺線管”，閉合螺線管的磁場是完全封閉在鐵芯內部的，由於鐵芯的導磁率較高，即使線圈不完全包裹，磁力線也可以充滿整個鐵芯。但磁頭和閉合螺線管有所不同，在磁頭使用的環形軟磁體上有兩處斷開的“空氣隙”——前間隙和後間隙，其中前間隙較大，而後間隙是越小越好。由於空氣的導磁率較低，因此這種“帶有空氣隙的閉合螺線管”的磁力線會在空氣隙處向四周擴散，產生漏磁，磁頭就是利用從前間隙處擴散出來的磁場寫數據的，前間隙的大小可以根據磁軌的寬度調節。採用這種設計的好處是不必把整個磁頭做得很小，只需控制空氣隙的大小就可以了，而且可以提供更強的磁場。事實也的確證明了這種設計的先進性，感應磁頭直到現在也一直負責寫入數據。不過讀取方面則不同，隨著存儲密度的提高，磁記錄位越來越小，感應磁頭的體積也必須同時縮小，這樣才能確保不會讀取到相鄰的磁記錄位的信息。但是，靠切割磁力線所產生的電流是十分微弱的，磁頭越小，讀取到的信號也就越微弱，而且越容易受到干擾。在經歷了幾次改進之後，終於，在91年左右，數據的讀取工作開始由磁阻磁頭接替了。
二、磁致電阻磁頭
磁阻磁頭採用多層膜結構，從外向內有：上、下絕緣膜，上、下禁止膜，上、下隙縫膜。再往內部就是核心的部分：磁阻效應膜、偏磁膜、噪聲抑制膜和兩層隔離膜。隔離膜的作用是對磁阻效應膜、偏磁膜和噪聲抑制膜進行磁隔離，但很難進行電隔離，因而磁阻效應膜、偏磁膜和噪聲抑制膜就組成了一個並聯迴路，電流通過偏磁膜上的兩個電極流入該並聯迴路中。在讀取數據時，電流會持續不斷的流經磁阻效應膜，由於磁阻效應所產生的電阻的變化十分微弱，因此流出磁阻效應膜的電流要經過一個信號放大器，以增大電壓的浮動範圍。到此時，讀出的電信號還是線性的，即模擬的，必須將這些信號數位化，數位化的同時通常還會使用“硬碟最大相似性”技術。因為磁阻磁頭讀出的電信號的強度同時反映了磁場方向和磁通強度兩維信息，而真正與數據有關的信息只是磁場方向，硬碟最大相似性技術就是將數位化後的信號和預先存儲的信號模型作匹配，判斷出這些信號所對應的數據，並推斷可能存在的讀取錯誤。磁阻磁頭的最大缺點就在於磁阻變化率低，通常不會超過5%，雖然經歷了很多次改進，但這個缺點仍然沒有徹底解決。之後在92年，科學家們發現了套用“自旋閥”結構的“巨磁阻效應”，它的磁阻變化率在常溫下可達40%，因此磁阻磁頭被巨磁阻磁頭取代也就是順理成章的了。
三、巨大磁致電阻磁頭
巨磁阻效應可分為基於半導體氧化物的巨磁阻效應以及基於多層金屬膜的巨磁阻效應。硬碟中的巨磁阻磁頭屬於後者，並且它套用了電子的自旋特性。物質的磁性是由它內部電子的運動決定的。電子一方面會圍繞原子核旋轉，產生“軌道磁矩”，另一方面，電子自身也會旋轉，產生“自旋磁矩”。一個原子的磁矩就等於核外所有電子的軌道磁矩和自旋磁矩的總合，其中，自旋磁矩遠大於軌道磁矩。微觀上，不同元素的核外電子分布的不同就決定了巨觀上不同物質的磁性的不同。除此之外，相鄰原子的未被填滿電子的層上的電子會發生相互作用，原子間互相交換電子，稱為“交換作用”。交換作用的不同決定了物質呈鐵磁性還是反鐵磁性。在交換作用的推動下，一小塊區域內的原子的磁矩方向會完全保持平行，這一小塊區域也就是所謂的磁疇。不同物質的磁疇結構是千差萬別的，不過只有鐵磁材料才具有磁疇結構，而且是在不超過一定的溫度的情況下。電子的自旋方向有順時針和逆時針兩種，當電流經過磁體時，如果電子的自旋方向和磁體的磁化方向平行，則電子很容易穿過，反之，電子就很容易發生碰撞。前一種情況相當於電阻值低，後一種情況相當於電阻值高，如果兩者的方向既不平行也不垂直，則電阻介於兩者之間。巨磁阻磁頭就是套用了這種特性，相比傳統磁頭，它對電子的利用要更充分一些。
巨磁阻磁頭的核心部分是四層膜：自由膜、非磁性膜、引線膜和反鐵磁膜。
其中，自由膜和引線膜採用的是磁性材料，自由膜屬於軟磁材料，引線膜使用硬磁材料，它們之間是一層非磁性膜，其採用非磁性金屬材料，對自由膜和引線膜進行磁隔離，但不進行電隔離。引線膜的背面是反鐵磁膜，鐵磁和反鐵磁材料在交換耦合作用下形成一個偏轉場，此偏轉場會將引線膜的磁化方向固定。自由膜的作用是對碟片上的磁記錄信息作回響，在沒有外加磁場的情況下，它的磁化方向與引線膜垂直，此時無論何種自旋方向的電子都很難穿過自由膜和引線膜，相當於電阻值高。當碟片上的磁記錄位的磁場方向和自由膜的磁化方向相反時，自由膜的磁化方向發生偏轉，與引線膜平行，此時自旋方向平行於它們的電子就很容易穿過這兩層，相當於電阻值低。讀取數據時，電流持續流經各膜，通過檢測電阻的變化就可以得到反映磁記錄位的磁場方向和磁通強度的函式。這種利用電子的自旋特性、像閥門一樣限制電子移動的結構就被稱為自旋閥結構，也是當今主流的磁頭結構。磁頭作為整個硬碟中技術含量最高的部件，其靈敏度基本上就決定了硬碟的存儲密度。縱觀磁頭技術的發展史，每一次磁頭技術的飛躍都來自於新的物理效應的發現和套用，值得一提的是，本文涉及的3種物理效應最初都是由IBM公司將其引入商業硬碟領域的。時至今日，我們已經無法看到IBM公司引領新的硬碟技術的潮流了，不久的將來，我們將會用上使用“隧道磁致電阻”效應的硬碟，而早在93年，比巨磁阻效應更強的“龐大磁致電阻”效應就已經被發現了，其磁阻變化率大於99%。所以說，在可以預見的未來，硬碟的存儲密度仍然會保持飛速的增長，其套用的物理效應也會越來越微觀，越來越複雜。
薄膜相變
中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家(聯合)實驗室詹倩、於榮、賀連龍、李斗星與新加坡大學學者合作，通過高分辨像和電子衍射的原位觀察和計算模擬相結合，在la－sr－mn－o巨磁阻薄膜精細結構的研究中，發現了電子束輻照誘發的可逆性相變，並解釋了其轉變機制。近日出版的美國《物理評論快報》刊出了他們的研究結果。通常情況下，在lao襯底上外延生長的巨磁阻lsmo薄膜為菱面體結構。但經會聚電子束輻照後，在垂直於界面方向出現反常的周期加倍襯度，相應的電子衍射譜中也出現附加的衍射斑點，且晶格參數顯著增大，即發生了結構相變，空間群由rc轉變為i12/a1。而當電子束移開後，轉變後的結構又恢復到原來的菱面體結構。分析認為，這種可逆性結構相變是襯底誘導失配應力和電子束誘導熱應力聯合作用的結果。由於lsmo的點陣常數大於lao，lao上生長的外延lso薄膜中會形成壓應力分布。在電子束輻照下，lsmo薄膜晶格膨脹，導致壓應力增強。由於薄膜在平行於界面方向的應變受到襯底的約束，它將沿垂直於界面方向膨脹，從而破壞電子束輻照前建立的jahn－teller效應與彈性應變之間的平衡，伴隨著mno6八面體的畸變和扭轉，發生結構相變。相反，移走會聚電子束後，薄膜內溫度和熱應力逐漸降低，又導致菱面體結構的恢復。該研究揭示了巨磁阻錳氧化物晶體結構的應力敏感特性，為深入地理解這種材料的結構不穩定性及結構與性能間關係提供了有價值的信息。
相關套用
巨磁阻效應在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有著廣泛的套用。隨著技術的發展，當存儲數據的磁區越來越小，存儲數據密度越來越大，這對讀寫磁頭提出更高的要求。巨磁阻物質中電流的增大與減小，可以定義為邏輯信號的0與1，進而實現對磁性存儲裝置的讀取。巨磁阻物質可以將用磁性方法存儲的數據，以不同大小的電流輸出，並且即使磁場很小，也能輸出足夠的電流變化，以便識別數據，從而大幅度提高了數據存儲的密度。
巨磁阻效應被成功地運用在硬碟生產上。1994年，IBM公司研製成功了巨磁電阻效應的讀出磁頭，將磁碟記錄密度提高了17倍，從而使得磁碟在與光碟的競爭中重新回到領先地位。目前，巨磁阻技術已經成為幾乎所有計算機、數位相機和MP3播放器等的標準技術。
利用巨磁電阻物質在不同的磁化狀態下具有不同電阻值的特點，還可以製成磁性隨機存儲器（MRAM），其優點是在不通電的情況下可以繼續保留存儲的數據。
除此之外，巨磁阻效應還套用於微弱磁場探測器。
