光电信息存储材料及技术

1、信息存储材料信息存储材料一、磁性存储材料一、磁性存储材料二、光信息存储材料二、光信息存储材料三、三、MRAM材料及应用材料及应用一、磁性存储材料一、磁性存储材料在信息时代，大容量存储技术在信息处理、在信息时代，大容量存储技术在信息处理、传递和探测保存中占据着相当重要的地位。传递和探测保存中占据着相当重要的地位。经过一个世纪的发展，磁性存储取得了巨大经过一个世纪的发展，磁性存储取得了巨大的进步，目前的磁记录密度已进入每平方英的进步，目前的磁记录密度已进入每平方英寸寸10吉位数的量级。吉位数的量级。为了提高磁记录的密度，主要途径是增大介为了提高磁记录的密度，主要途径是增大介质的质的Hc/Br并降低

2、介质的厚度。但记录后的并降低介质的厚度。但记录后的输出信号正比于输出信号正比于Br，因此提高介质矫顽力是，因此提高介质矫顽力是关键。关键。磁记录材料先后经历了氧化物磁粉（磁记录材料先后经历了氧化物磁粉（- -FeFe2 2O O3 3）、金属合金磁粉（）、金属合金磁粉（FeFeCoCoNiNi等合等合金磁粉）和金属薄膜三个阶段。矫顽力和剩金磁粉）和金属薄膜三个阶段。矫顽力和剩磁都得到了很大的提升。磁都得到了很大的提升。金属薄膜是高记录密度的理想介质。因为薄金属薄膜是高记录密度的理想介质。因为薄膜介质是连续性介质，并具有高的矫顽力和膜介质是连续性介质，并具有高的矫顽力和高的饱和磁化强度。后者可有

3、效的减薄磁性高的饱和磁化强度。后者可有效的减薄磁性层的厚度。这些正是高记录密度介质所必备层的厚度。这些正是高记录密度介质所必备的性能。的性能。纵向磁化记录纵向磁化记录磁化方向与记录介质的运磁化方向与记录介质的运动方向平行的记录方式。如硬盘、软盘、磁动方向平行的记录方式。如硬盘、软盘、磁带等。提高其存储密度的方式主要是提高矫带等。提高其存储密度的方式主要是提高矫顽力和采用薄的存储膜层。顽力和采用薄的存储膜层。垂直磁记录垂直磁记录磁化方向和记录介质的平面磁化方向和记录介质的平面相垂直的记录方式。它可彻底消除纵向磁记相垂直的记录方式。它可彻底消除纵向磁记录方式随记录单元缩小和膜层录方式随记录单元缩小

4、和膜层h减薄所产生减薄所产生的退磁场增大的效应，因而更有利于记录密的退磁场增大的效应，因而更有利于记录密度的提高。同时对薄膜厚度和矫顽力的要求度的提高。同时对薄膜厚度和矫顽力的要求可更宽松。但其对信号的读出效率较差，要可更宽松。但其对信号的读出效率较差，要求磁头必须距记录介质面很近。求磁头必须距记录介质面很近。高密度磁性存储磁头材料高密度磁性存储磁头材料磁记录的两种记录剩磁状态（磁记录的两种记录剩磁状态（Mr）是由正、）是由正、负脉冲电流通过磁头反向磁化介质来完成的。负脉冲电流通过磁头反向磁化介质来完成的。在读出记录信号时，磁头是磁记录的一种磁能在读出记录信号时，磁头是磁记录的一种磁能量转换器

5、，即磁记录是通过磁头来实现电信号量转换器，即磁记录是通过磁头来实现电信号和磁信号之间的相互转换。因此磁头同磁记录和磁信号之间的相互转换。因此磁头同磁记录介质一样是磁记录中的关键元件。介质一样是磁记录中的关键元件。磁头在磁记录过程中经历了几个阶段：磁头在磁记录过程中经历了几个阶段：体形磁头薄膜磁头体形磁头薄膜磁头磁阻磁头巨磁阻磁头磁阻磁头巨磁阻磁头磁阻、巨磁阻效应磁阻、巨磁阻效应1971年有人提出利用铁磁多晶体的各向异年有人提出利用铁磁多晶体的各向异性磁电阻效应制作磁记录的信号读出磁头。性磁电阻效应制作磁记录的信号读出磁头。1985年年IBM公司实现了这一设想。此后，公司实现了这一设想。此后，磁

6、记录密度有了很大的提高。磁阻磁头主要磁记录密度有了很大的提高。磁阻磁头主要采用采用Ni（Co，Fe）系列的铁磁合金材料，）系列的铁磁合金材料，其主要特点当电流与磁场平行和垂直时其电其主要特点当电流与磁场平行和垂直时其电阻率有较明显的变化。阻率有较明显的变化。上世纪上世纪80年代末法国巴黎大学年代末法国巴黎大学Fert教授课教授课题组提出和发现的巨磁阻（题组提出和发现的巨磁阻（GMR）效应可）效应可使使NiFe系列磁阻效应高一个数量级以上，系列磁阻效应高一个数量级以上，引起极大轰动，也为磁头技术带来了突飞猛引起极大轰动，也为磁头技术带来了突飞猛进的发展。该项成果也获得了进的发展。该项成果也获得了

7、2007年诺贝年诺贝尔物理奖。尔物理奖。GMR效应主要基于电子自旋特性产生。效应主要基于电子自旋特性产生。MpM电子的电子的两大量两大量子特性子特性电荷电荷自旋自旋NP+-ENP+-巨磁电阻电阻网络模型巨磁电阻电阻网络模型(Mott二流体模型二流体模型)两磁性层平行 两磁性层反平行 NFFNFRwLR)P1(w2RRR DeN2 DeN2NFFNFRwLR)P1(w2RRR P1986发现发现AF耦合耦合GMR1988发现发现GMR1991发明自旋阀发明自旋阀1994,GMR记录磁头记录磁头2005,100Gb/in2记录磁头记录磁头1993第一个第一个GMR MRAM2005，1Gb MRA

8、M自旋阀典型结构自旋阀典型结构二、光信息存储材料二、光信息存储材料与磁存储技术相比，光盘存储有以下与磁存储技术相比，光盘存储有以下优势：优势：存储寿命长，一般在存储寿命长，一般在10年以上；年以上；非接触式读非接触式读/写，光头与光盘间有写，光头与光盘间有12mm距离，因此光距离，因此光盘可以自由更换；盘可以自由更换；信息载噪比高，而且经多次读写不降低；信息载噪比高，而且经多次读写不降低；信息位的价格低。信息位的价格低。缺点：缺点：光盘驱动器较贵，数据传输率较低。光盘驱动器较贵，数据传输率较低。 在未来在未来10年内，磁存储和光盘存储仍为年内，磁存储和光盘存储仍为高密度信息外存储的主要手段。今

9、后高性能高密度信息外存储的主要手段。今后高性能的硬盘主要为计算机联机在线存储，以计算的硬盘主要为计算机联机在线存储，以计算机专业用为主。高性能光盘为脱机可卸式海机专业用为主。高性能光盘为脱机可卸式海量存储和信息分配存储，以消费用为主。量存储和信息分配存储，以消费用为主。 提高存储密度和数据传输率一直是光盘存提高存储密度和数据传输率一直是光盘存储技术的主要发展目标。同时，多功能（可储技术的主要发展目标。同时，多功能（可擦重写）也是光盘存储技术的发展方向，也擦重写）也是光盘存储技术的发展方向，也由此才能与日益发展的磁盘存储技术竞争。由此才能与日益发展的磁盘存储技术竞争。光盘工作性能的扩展取决于存储

10、介质的进展。光盘工作性能的扩展取决于存储介质的进展。CD-ROM光盘的信息数据是预刻于光盘母盘上光盘的信息数据是预刻于光盘母盘上的（形成凹坑），然后制成金属压膜，再把凹坑的（形成凹坑），然后制成金属压膜，再把凹坑复制于聚碳酸酯的光盘基片上。靠凹坑与周围介复制于聚碳酸酯的光盘基片上。靠凹坑与周围介质反射率的不同读出信号。由于其价格便宜，制质反射率的不同读出信号。由于其价格便宜，制作方便，已大量使用。作方便，已大量使用。光盘记录点的尺寸决定于聚焦光束的衍射极限。光盘记录点的尺寸决定于聚焦光束的衍射极限。缩短记录激光波长是缩小记录点间距，提高存储缩短记录激光波长是缩小记录点间距，提高存储密度的关键。

11、采用密度的关键。采用GaN半导体激光器（记录波长半导体激光器（记录波长0.400.45m），可将光盘的存储容量提高），可将光盘的存储容量提高到到10GB以上，称为超高密度光盘存储技术。以上，称为超高密度光盘存储技术。可擦重写光盘存储技术可擦重写光盘存储技术可擦重写光盘的存储介质能够在激光辐射下可擦重写光盘的存储介质能够在激光辐射下起可逆的物理或化学变化。目前发展的主要起可逆的物理或化学变化。目前发展的主要有两类，即磁光型和相变型。前者靠光热效有两类，即磁光型和相变型。前者靠光热效应使记录下来的磁畴方向发生可逆变化，不应使记录下来的磁畴方向发生可逆变化，不同方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转同方

12、向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转（即克尔角）作读出信号；后者靠光热效应（即克尔角）作读出信号；后者靠光热效应在晶态与非晶态之间产生可逆相变，因晶态在晶态与非晶态之间产生可逆相变，因晶态与非晶态的反射率不同而作为探测信号。与非晶态的反射率不同而作为探测信号。磁光材料磁光材料具有显著磁光效应的磁性材料称具有显著磁光效应的磁性材料称为磁光材料。主要为石榴石型铁氧体薄膜。为磁光材料。主要为石榴石型铁氧体薄膜。磁光效应磁光效应偏振光被磁性介质反射或透射后，偏振光被磁性介质反射或透射后，其偏振状态发生改变，偏振面发生旋转的现其偏振状态发生改变，偏振面发生旋转的现象。由反射引起的偏振面旋转称为克尔效应；象。

13、由反射引起的偏振面旋转称为克尔效应；由透射引起的偏振面旋转称为法拉第效应。由透射引起的偏振面旋转称为法拉第效应。磁光存储的写入方式磁光存储的写入方式利用热磁效应改变微小区域利用热磁效应改变微小区域的磁化矢量取向。磁光存储薄膜的磁化矢量必须垂的磁化矢量取向。磁光存储薄膜的磁化矢量必须垂直于膜面。如果它的初始状态排列规则，如磁化方直于膜面。如果它的初始状态排列规则，如磁化方向一致向下，当经光学物镜聚焦的激光束瞬时作用向一致向下，当经光学物镜聚焦的激光束瞬时作用于该薄膜的一点时，此点温度急剧上升，超过薄膜于该薄膜的一点时，此点温度急剧上升，超过薄膜的居里温度后，自发磁化强度消失。激光终止后温的居里温

14、度后，自发磁化强度消失。激光终止后温度下降，低于居里温度后，磁矩逐渐长大，磁化方度下降，低于居里温度后，磁矩逐渐长大，磁化方向将和施加的外加偏置场方向一致。因为该偏置场向将和施加的外加偏置场方向一致。因为该偏置场低于薄膜的矫顽力，因此偏场不会改变其它记录位低于薄膜的矫顽力，因此偏场不会改变其它记录位的磁化矢量方向。的磁化矢量方向。磁光存储即有光存储的大容量及可自由插换的特点，磁光存储即有光存储的大容量及可自由插换的特点，又有磁存储可擦写和存取速度快的优点。又有磁存储可擦写和存取速度快的优点。相变型光存储介质主要为相变型光存储介质主要为Te（碲）和非（碲）和非Te基的半导体合金。它们的熔点较低并

15、能快速基的半导体合金。它们的熔点较低并能快速实现晶态和非晶态的可逆转变。两种状态对实现晶态和非晶态的可逆转变。两种状态对光有不同的发射率和透射率。光有不同的发射率和透射率。相变存储依据的是硫化材料的电子感应相变相变存储依据的是硫化材料的电子感应相变原理，由电流注入产生的剧烈的热量可以引原理，由电流注入产生的剧烈的热量可以引发材料的相变。相变材料的晶态和非晶态代发材料的相变。相变材料的晶态和非晶态代表了表了“0”和和“1”，只要在上面施加少量的，只要在上面施加少量的复位电流就能触发这两个状态的切换。但是复位电流就能触发这两个状态的切换。但是这种硫化材料一直以来都很难可靠地批量生这种硫化材料一直以

16、来都很难可靠地批量生产。产。 MRAM MRAM不仅具有不仅具有SRAMSRAM存取速度快、工作电压低，存取速度快、工作电压低，DRAMDRAM重复重复擦写次数多的优点，而且具备擦写次数多的优点，而且具备FLASHFLASH的非易失性，并且由于的非易失性，并且由于其抗电磁干扰、抗辐射、大容量存储等优势，在计算领域和其抗电磁干扰、抗辐射、大容量存储等优势，在计算领域和军事信息领域具有重大的应用价值。军事信息领域具有重大的应用价值。三、三、MRAM材料及应用材料及应用目前DRAM、SRAM和Flash都是基于半导体技术开发。静态随机存储器（SRAM）利用双稳态触发器作存储元件，因此速度快，但相对于

17、DRAM集成度低。DRAM相对于SRAM来说集成度高，但因为用电容作存储元件，放电时间长，限制了DRAM的速度。另外，DRAM中利用电容器来维持信息状态。当字线为低电位时，存储元件处于维持状态，即不读不写。但过一段时间（ms级），电容上电荷逐渐泄漏掉，其电位逐渐降低，原存电容上的信息“1”便会丢失。这样每隔一定时间必须对电容充电一次，以补充泄漏的电荷，恢复到原来的电位，也就是说需要刷新，因而外围电路比较复杂。而Flash控制原理是电压控制栅晶体管的电压高低值（高低电位），栅晶体管的结电容可长时间保存电压值， 因而能断电后保存数据。但其单元工作电压较大，存储密度提高不易。且写入时间较长。 随着硅

18、技术进入深纳米时代，越来越多的人开始关心半导体技术能否跟上工艺节点的步伐 .晶体管缩小终有极限，并且随着制造成本上涨，制造利润也变得越来越小。虽然大多数专家相信，即使工艺节点缩小到20nm，硅技术仍将保持其领先地位，但是在20nm以下，将出现大量由基础以及特殊应用引发的障碍，从而阻挠工艺节点的进一步缩小。 随着大家对“不久的将来，DRAM和闪存器件在体积上将不会有所变化”的疑虑不断增加，人们开始关注下一代(或称通用存储)技术 。毫无疑问，下一代存储器市场的竞争一定会十分激烈，而目前也很难判定哪种技术将在潜能巨大的通用存储器业务中胜出。 基于巨磁电阻效应（Giant Magnetoresistive，GMR）的一种新型存储器磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory，MRAM)，因其具有快速存取、非易失性、抗辐射、抗干扰、低功耗、使用寿命长、成本低等优点，兼具了其它所有存储器的优点，而受到各国研究者的广泛关注，成为当前存储器研究领域的热点。 MRAM MRAM的核心技术主要包括三方面：其的核心技术主要包括三方面：其一是