移動(dòng)硬盤里的巨磁電阻效應(yīng)，是個(gè)什么意思？資料下載

巨磁電阻效應(yīng)是什么

所謂巨磁電阻效應(yīng)是指材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在顯著變化的現(xiàn)象。一般將其定義為GMR＝其中（H）為在磁場(chǎng)H作用下材料的電阻率（0）指無(wú)外磁場(chǎng)作用下材料的電阻率。由外加磁場(chǎng)引起的一些磁性材料的電阻巨大變化（稱為巨磁電阻效應(yīng)）便是磁電子學(xué)中一項(xiàng)重要內(nèi)容。在室溫下具有巨磁電阻效應(yīng)的巨磁電阻材料目前已有許多種類，例如，多層膜巨磁電阻材料，顆粒型巨磁電阻材料，氧化物型巨磁電阻材料，隧道結(jié)型磁電阻材料等。

巨磁阻效應(yīng)與層結(jié)構(gòu)分析

所謂磁阻效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體在磁場(chǎng)作用下其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象，巨磁阻效應(yīng)在1988年由彼得？格林貝格（Peter Grünberg）和艾爾伯？費(fèi)爾（Albert Fert）分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。研究發(fā)現(xiàn)在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級(jí)厚度的非磁性材料分隔開來(lái)。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當(dāng)大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現(xiàn)象稱為“巨磁阻效應(yīng)”。

巨磁阻效應(yīng)可以用量子力學(xué)解釋，每一個(gè)電子都能夠自旋，電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，則電子散射率就低，穿過(guò)磁性層的電子就多，從而呈現(xiàn)低阻抗。反之當(dāng)自旋方向和磁性材料磁化方向相反時(shí)，電子散射率高，因而穿過(guò)磁性層的電子較少，此時(shí)呈現(xiàn)高阻抗。

基于巨磁阻效應(yīng)的傳感器其感應(yīng)材料主要有三層：即參考層（Reference Layer或Pinned Layer），普通層（Normal Layer）和自由層（Free Layer）。如圖1所示，參考層具有固定磁化方向，其磁化方向不會(huì)受到外界磁場(chǎng)方向影響。普通層為非磁性材料薄膜層，將兩層磁性材料薄膜層分隔開。自由層磁場(chǎng)方會(huì)隨著外界平行磁場(chǎng)方向的改變而改變。

圖1 巨磁阻層結(jié)構(gòu)

如圖2所示，兩側(cè)藍(lán)色層代表磁性材料薄膜層，中間橘色層代表非磁性材料薄膜層。綠色箭頭代表磁性材料磁化方向，灰色箭頭代表電子自旋方向，黑色箭頭代表電子散射。左圖表示兩層磁性材料磁化方向相同，當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)兩層磁性材料，因而呈現(xiàn)低阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當(dāng)一束自旋方向與層磁性材料磁化方向相同的電子通過(guò)時(shí)，電子較容易通過(guò)，但較難通過(guò)第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，因而呈現(xiàn)高阻抗。

圖2 電子自旋與磁化方向示意圖

接下來(lái)本文針對(duì)NVE公司型號(hào)為AA005-02的巨磁阻傳感器，對(duì)其磁化狀態(tài)與阻態(tài)形式進(jìn)行介紹。

如圖3所示，A為導(dǎo)電的非磁性薄膜層。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)的狀態(tài)下，反鐵磁耦合的作用使得兩側(cè)的B層中的磁矩方向處于相反的狀態(tài)，此時(shí)，對(duì)流過(guò)元件的電流呈現(xiàn)高阻態(tài)。

圖3 高阻態(tài)形式

如圖4所示，當(dāng)大于反鐵磁耦合的磁場(chǎng)作用于巨磁阻元件時(shí)，自由層磁化方向?qū)R外部磁場(chǎng)方向，此時(shí)，電阻急劇下降，對(duì)外呈現(xiàn)低阻態(tài)。電阻下降

圖4 低阻態(tài)形式

巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用介紹

巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（Read Head）。這使得存儲(chǔ)單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲(chǔ)能力得到大幅度的提高。個(gè)商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場(chǎng)的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

在Grünberg初的工作中他和他領(lǐng)導(dǎo)的小組只是研究了由鐵、鉻（Chromium）、鐵三層材料組成的樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電阻下降了1.5%。而Fert及其同事則研究了由鐵和鉻組成的多層材料樣品，使得電阻下降了50%。

阿爾貝·費(fèi)爾和彼得·格林貝格爾所發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)造就了計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)密度提高50倍的奇跡。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盤面密度所用的讀出頭，創(chuàng)下了世界記錄。硬盤的容量從4GB提升到了600GB或更高。

目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盤讀出磁頭，已經(jīng)把存儲(chǔ)密度提高到560億位/平方英寸，該類型磁頭已占領(lǐng)磁頭市場(chǎng)的90%～95%。隨著低電阻高信號(hào)的TMR的獲得，存儲(chǔ)密度達(dá)到了1000億位/平方英寸。

2007年9月13日，全球的硬盤廠商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球多數(shù)字視頻錄像機(jī)（DVR）及家庭媒體中心采用的第四代DB35系列硬盤，現(xiàn)已達(dá)到1TB（1000GB）容量，足以收錄多達(dá)200小時(shí)的高清電視內(nèi)容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存儲(chǔ)密度在近幾年內(nèi)每年的增長(zhǎng)速度達(dá)到3～4倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在巨磁阻效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，未來(lái)將能夠進(jìn)一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。

除讀出磁頭外，巨磁阻效應(yīng)同樣可應(yīng)用于測(cè)量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、汽車導(dǎo)航、非接觸開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點(diǎn)。目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)也已具備了巨磁阻基礎(chǔ)研究和器件研制的良好基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所及北京大學(xué)等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所在磁膜隨機(jī)存儲(chǔ)器、薄膜磁頭、MIG磁頭的研制方面成果顯著。北京科技大學(xué)在原子和納米尺度上對(duì)低維材料的微結(jié)構(gòu)表征的研究及對(duì)大磁矩膜的研究均有較高水平。

今天，移動(dòng)硬盤、MP3播放器等磁盤驅(qū)動(dòng)設(shè)備隨處可見(jiàn)，每天我們都可以將這些小巧精致的科技產(chǎn)品放在衣袋中隨身攜帶，隨時(shí)享受它們給我們帶來(lái)的便利和快樂(lè)，然而為了這一時(shí)刻的到來(lái)，偉大的公司與偉大的科學(xué)家一起，都付出了難以計(jì)算的智慧和辛勞。巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，讓硬盤的體積不斷縮小，容量卻不斷變大。