自旋电子学第三讲

第三讲巨磁阻磁头 1 铁磁材料得铁磁性起源于交换相互作用 Exchangeinteraction 交换相互作用引起巡回电子导带的交换劈裂 splitting 2 3d能带的劈裂导致电子状态密度 DOS 的不同 电子状态密度 单位能量间隔内E E dE包含自旋的电子状态数 D E Fermi面 基态下电子填充到的最高等能面Fermi面把基态下波矢空间已被占据的态和未被占据的态分开只有Fermi面附近的电子才容易被激发电流是Fermi面附近的能态占据状况发生变化引起的 3 状态密度不同导致两种自旋电子子带数量不同 铁磁金属的3d能带劈裂 Ni 自旋极化率 4 当电流流经铁磁金属时形成自旋极化电流 这也意味着 当电流从FM层通过欧姆接触的界面流进顺磁金属 PM 时也是自旋极化的 称为 自旋积累 spinaccumulation 自旋积累的大小取决于FM PM界面上自旋注入率和spinflip率 5 自旋扩散长度自旋积累在一个长度范围内呈指数衰减 这个长度称为 自旋扩散长度 6 自旋积累的大小 x SubstitutingtypicalnumbersofJ 1000Acm 2 vF 106ms 1 5nm lsd 100nmgivesavalueofspindensityof1022m 3asopposedtoatotalelectrondensityofabout1028m 3 界面自旋密度 7 散射机制对自旋输运的影响 第一节硬盘基本结构和原理 硬盘磁头驱动器构成 HardDiskDriver HDD 悬臂 1 巨磁阻磁头 硬盘磁头是硬盘读取数据的关键部件 它的主要作用就是将存储在硬盘盘片上的磁信息转化为电信号向外传输 它的工作原理则是利用巨磁阻材料的电阻值会随着磁场变化的原理来读写盘片上的数据 磁头的好坏在很大程度上决定着硬盘盘片的存储密度 目前常用的是GMR GiantMagnetoResisive 巨磁阻磁头 GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构 这比以前的传统磁头和AMR MagnetoResistive 磁阻磁头更为敏感 相对的磁场变化能引起来大的电阻值变化 从而实现更高的存储密度 磁头是硬盘中对盘片进行读写工作的工具 是硬盘中最精密的部位之一 磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的 硬盘在工作时 磁头通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据 通过改变盘片上的磁场来写入数据 为避免磁头和盘片的磨损 在工作状态时 磁头悬浮在高速转动的盘片上方 而不与盘片直接接触 只有在电源关闭之后 磁头会自动回到在盘片上的固定位置 称为着陆区 此处盘片并不存储数据 是盘片的起始位置 感应式TFI磁头结构 主要由线圈 软磁性磁芯和磁路间隙等部分组成 磁头基本结构和原理 Filmthickness 2 3 m 前间隙Gap 200nm 磁存储原理 磁头 磁带 记录波长 v f TFI磁头是用电磁感应原理记录和读出信息的 记录时 通过线圈的电流在磁芯的前间隙处产生记录磁场 磁化记录媒体以存储位信息 读出时 在记录媒体上 代表位信息的剩余磁通 经磁头磁芯通过线圈感应读出电压 这种磁头是用薄膜材料采用类似半导体集成电路的制作工艺制造的 感应式磁头的缺点 TFI的读出电压与线圈匝数及磁通变化率成正比 为了检测与高密度信息相对应的微弱剩磁通 必须增加线圈的匝数和增加硬盘的线速度 线圈匝数的增加不仅增加工艺难度 同时也引起磁头阻抗的增加 对提高磁记录密度是不利的 随着硬盘小型化 硬盘线速度相应下降 对出信号幅度会变得更小 在设计上 感应式薄膜磁头读写过程使用相同的前间隙尺寸 不可能实现最佳的读写效率 磁阻磁头的结构 MR磁头是由TFI磁头和MR读出磁头复合而成 TFI磁头只用作记录头 无需增加线圈圈数 不仅简化了工艺 而且有利于记录效率的提高 MR磁头用作读出磁头 使用处于读屏蔽之间的磁阻元件 读出记录媒体上的剩余磁通 以获得最佳的读出灵敏度 GMR单元结构 自旋阀结构 自由层 freelayer 导电层 隔离层 spacer 钉扎层 pinnedlayer 反铁磁交换层 AFMlayer GMR磁头单元结构 两个电极 电流沿着薄膜平面方向 杂散磁场 磁记录位 过渡区 2 硬盘磁盘片的构成 盘片是硬盘中承载数据存储的介质 硬盘是由多个盘片叠加在一起 互相之间由垫圈隔开 硬盘盘片是以坚固耐用的材料为盘基 其上在附着磁性物质 表面被加工的相当平滑 因为盘片在硬盘内部高速旋转 有5400转 7200转 10000转 甚至15000转 因此制作盘片的材料硬度和耐磨性要求很高 所以一般采用合金材料 多数为铝合金 c 巨磁阻磁头工作原理 巨磁阻磁头工作原理示意图 W 迹宽B 位宽t 介质厚度d 磁头 介质飞行高度 碰头为 1 追尾为 0 电流反向写 1 不变写 0 数据的写入过程 数据的读出过程 垂直磁记录技术 PerpendicularMagneticRecording PMR 的实质还是提高微粒密度 它通过形成垂直的磁记录位 在不改变磁微粒大小的情况下减小磁记录位所占的面积 如果以后要继续扩大容量 还是需要通过减小磁微粒体积的方法来实现 小到一定程度时 同样会发生 超顺磁 现象 采用垂直磁记录技术的硬盘目前在容量上还有很大的潜力 至少在未来相当长一段时间内将是存储市场的主流 1975日本东北大学岩崎峻一教授提出垂直记录技术把数据位改为垂直排列 在减小数据位的表面积的同时不会出现超顺磁性 3 垂直磁记录技术 垂直磁记录与纵向磁记录的比较 3 磁记录介质 颗粒的长度应远小于记录波长 粒子的宽度应远小于记录深度 一个单位的记录体积中 应尽可能包含更多的磁性粒子 磁性纳米微粒 铁或氧化物针状粒子 r Fe2O3 CrO2 Fe 钡铁氧体典型的 微粒大小10 20nm 垂直磁记录介质材料 纳米晶材料 磁各向异性具有垂直于膜面的易磁化轴 同时具有高的饱和磁化强度 热稳定性和高的居里温度 钴基或铁基材料 Co Cr Co Cr Nb Co Cr Pt Cu等FeTbGa FeCr FeTi等典型的 晶粒大小10 60nm 在LuIG薄膜中观察到的纵向和垂直磁畴结构 垂直磁记录介质材料 4 几种巨磁阻磁头结构 几种新型的自旋阀结构 复合钉扎层结构 作用 增加钉扎场 提高性能稳定性 高阻自由层结构 作用 提高材料巨磁阻效应 提高自由层效率 纳米氧化层结构 78Gbyte 计算机硬盘中的读出磁头是GMR效应的第一个商业应用 1994年制作出第一个HDD读出磁头 1996年商业化应用 在小尺寸和大存储密度方向上发展极为迅速