解读巨磁电阻效应.ppt

1、破解巨磁阻效应、计算机硬盘和读写磁头技术突破黄美纯厦门高等院校物理系2007-10、 2007年Nobel物理奖thisyearsnobelprizeinphysicsisawardedtoalbertfertandpetergrnbergfortheirdiscoveryofgiantmagnetoresistance。 物理2007、albertfertpetergrnbergfrancegermany 1938-1939 -、轮廓，1。 对硬盘历史的简要评论2。 磁敏电阻(MR )和巨磁阻(GMR )的发现3。 硬盘和读卡技术的突破4。 GMR效应的基本原理5。 GMR效应大头针电子的物

2、理基础6。 新一代硬盘和读写头的开发7。 结束语，80年代凝聚态物理的一些新发现，2007-ALBERT FERT，petergrnberg (GMR 1988 )财富发现管理1988 horst l.strmer， danielc.tsui (fqhe 1982 ) fortheirdiscoveryofanewformofquantumfluidwithfractionallychargedexcitations1987-j。 k.alexmller (HTC 1986 ) fortheirimportantbreak-throughinthediscoveryofsuperconduct

3、ivityinceramicmaterials 1985 -。 1980 )“forthediscoveryofthequantizedhalleffect”，硬盘的信息密度，面密度(giga-bits/cm2 )，Year，100101.10.01回顾硬盘盘片存储系统的发展历史，光盘1956 此人后来被公认为硬盘的“亲生父亲”。 由50个直径24英寸的磁粉涂层的圆盘、马达、磁头、操纵系统构成。 磁盘上由环绕一周的轨道构成，各轨道被分割为多个扇区，磁头能够从各扇区读写512kb的数据。 这个巨大的系统，当时只能储存5兆的资料。 磁头的发展，磁头追朔的历史，本来是被磁头使用的是加感线圈技术。 磁

4、场的变化会导致加感线圈中电流的变化。 显然，这项技术已经无法满足缩小硬盘大小的需求。 然而，加感线圈对于向磁盘写入信息是有用的。 最初是由锰铁磁性体制成，用电磁效应读写数据。 用这样的磁头读取数据时，磁场成为一定的强度，要求磁道密度不太大，因此，使用以往的磁头的硬盘的最大容量只有20 Mb/in2。 同时，磁头的发展被证明对于读取功能，磁电阻效应(MR )立即更为恰当。 20世纪80年代末期，IBM成功研制出MR(MagnetoResistive )磁敏电阻磁头技术，首次实现了飞跃：磁敏电阻磁头的核心是金属材料，其电阻随磁场的变化而变化. 这个磁头采用了分离设计，用感应磁头写入，用磁敏电阻磁头

5、读取，使硬盘的磁道密度大幅度提高到3-5Gb/in2。 对于磁敏电阻、巨磁阻和磁敏电阻，自古以来就已知材料(例如铁元素)的电阻受到磁场的影响。 1857年，英国物理学家Lord Kelvin证实，当磁导体受到磁场作用时，沿磁化方向的线性电阻减小。 外部磁场与导体交叉时，电阻增大。 该(各向异性现象)磁敏电阻(MR )是巨磁阻(GMR )的直接前身，其是当前读出头的标准技术。 当需要更敏感的技术时，GMR接管了MR。2。 磁敏电阻(MR )和巨磁阻(GMR )的发现，传统的磁敏电阻(MR )效应：对于一些导体、半导体，在外部磁场下，其电阻变化的磁场低时，电阻直线增加，高磁场下则急速增加。 电阻增

6、加，有各向异性现象是其特征。 由于采用了MR技术，磁敏电阻的变化也只有1到2之间，磁场不能太弱，卡车也不能太密集。 到了1988年，新的“硬盘革命”的曙光终于开始出现。 发现了磁敏电阻(MR )和巨磁阻(GMR )，发现了多层膜的巨磁阻效应：电阻随磁场的增加而减小(负增长)。 在弱磁场下，电阻变化很大。毡(Fert )在超点阵(Fe/Cr)n中观察磁敏电阻50的变化，将该效果命名为“巨磁阻效应”。 根据膜厚的不同，格林博格(Grnberg )在Fe/Cr/Fe的三层结构中发现了10个磁敏电阻的变化。 磁场、第三组、第六十一、第二十七二(1988 ).第三组、多层(Fe/Cr )第五代、第六代、

7、第五代、第六代关键词：角色指示符(001 ) Fe/(001 )指示符，phys.rev.lett.61，2472 4828 (1989 ) . 增强型磁性增强型磁性增强型磁性增强型redmagneticstructureswithantiferromam Albert Fert及其合作者在只有数原子层的Fe层和Cr层中交替生长了30(-60 )层的结构。 他们在近真空下制作，分别用非常低压的Fe和Cr瓦斯气体使原子在材料表面逐层生长。 Peter Grnbergs group用类似的方法用比较简单的三层结构：二层Fe夹持一层Cr。 研究成果和新效果的命名，法国Fert得到的磁敏电阻变化为50

8、%，德意志Grnberg组得到的大于10%。 可能的原因是Fert采用了多层的超点阵结构。 但是，基本效果与物理反应历程相同，认为两组在整体上都观察到了新的效果。 以往的磁敏电阻和电阻的变化仅为1-2%。 Albert Fert的第一项发明用GMR(giant magneto resistance )的概念描述了这个新的效果。 他发表的第一篇文章指出，这个发现有助于重要的应用。 Peter Grnberg也独立于云同步发现了这一现象，并申请了专利。 三硬盘和读取头技术的突破使用感应型薄膜头读取硬盘中存储的微弱信息。 从物理上看，该磁头测量微小磁单元的磁通变化量。 为了得到必要的灵敏度，必须快速

9、旋转硬盘。 基础研究的成果(1988):GMR效应。 将GMR结构作为读取头使用后，测量磁通量而不是变化量，不要求磁盘高速旋转，读取信息的极限分辨率大幅提高。 仅6年后，1994年，IBM将此成果应用于硬盘新技术的开发： IBM工程师Stuart Parkin根据该物理原理，开发了信号变化灵敏度更高的读写头，磁盘记录密度一下子提高了17倍。 2007年9月，IBM工程师斯图尔特帕金在IBM Almaden研究中心Racetrack实验室。 硬盘技术的现状、越来越小的电子成为当今IT世界的重要课题。 更强大、更小、更轻的计算机已成为当前市场的需求。 大型办公桌掌门人很快就会成为历史。 由于硬盘的

10、缩小，笔记本计算机和掌上电脑可以轻松地存储与桌面掌门人相同级别的数据。 音乐播放器mp3-4可以放入口袋，硬盘的容量上升到了Terabyte (1Tb=1000billion bytes=兆bytes=1012bytes1000Gb )水平。 小型硬盘需要更灵敏的读取技术、所有便携式计算机、音乐播放器和强大的搜索引擎。 用不同的磁化面积存储信息。 有磁化的方向对应于二进制的0 (低电阻状态)，另一方向对应于二进制的1 (高电阻状态)。 为了存储信息，读取头扫描硬盘，记录不同的磁化场。 硬盘越小，一个磁化面积也越小。 因此，各个byte的磁场变得更弱，变得难以读取。 因此，信息更密集的硬盘需要灵

11、敏度更高的读取技术。 硬盘读取技术的革命，到了90s年代末，新技术成为了硬盘读取头的标准技术。 近年来，可以看到大容量的小型硬盘。今天的阅读技术是基于今年的两位Nobel物理奖获奖者在20年前发现的物理效果。 法国人Albert Fert和德意志人Peter Grnberg发现了独立于云同步的巨磁阻效应(GMR )。 现在他们共享了今年的Nobel物理奖。 纳米科学最初的应用之一是在发现GMR效应的前提下使70年代发展起来的纳米级金属薄层生长的外延技术。 (1nma测量仪。 我对纳米科学由几个原子层组成的构造感兴趣。 这种原子级材料有许多新的性质。 这不仅是磁性和电性，材料的强度、化学性质、光

12、学性质等也不同。 在这个意义上，GMR技术也被认为是纳米科学最初的主要应用，现在在各种领域普及。 四。 GMR效应的基本原理是抵抗来自散射金属的传导电子的定向传输。 如果电子的路径成为直溜溜，则原来如此、电导变大。 电阻电子运动的直线路径因散射而偏离，引起电阻。 材料中的不规定性、杂质等会引起散射。 散射越严重，电阻越大。 电子的自旋、磁化和散射、磁性材料中：电子的散射受磁化方向的影响。 也就是说，磁化与电阻密切相关。 巨磁阻的形成：通过电子的固有旋转产生自旋磁矩量子力学效应，即大头针。 大头针有两个相反的方向。 向上旋转，向下旋转。 在磁性材料中，许多电子自旋与介质的磁化方向相同(称为平行大

13、头针)。 但是，少数电子自旋的方向相反，即与煤质磁化方向反平行。 这种大头针取向的不平衡不仅产生磁化，而且因大头针引起的电子的不均匀性、杂质、材料界面上的散射也不同。 材料的性质决定了电子散射的类型。电子的大头针、磁化和散射，1936年，英国物理学家N.F.Mott (诺贝尔获奖者)指出，在磁性物质中，电子和原子的磁碰撞概率(与大头针相关的散射)取决于电子的大头针和磁性原子的自旋磁矩的相对取向。 不同大头针方向的散射概率不同，Giant MagnetoResistance GMR是产生巨磁阻的最简单的系统：从2层磁性金属夹着1层非磁性金属的系统(参照下图)。 在磁性材料内部，特别是在磁性和非磁

14、性材料的界面，不同大头针的电子有不同的散射概率(1)。 如果电子的大头针与一般的磁化方向反平行，则其散射强。 这些个的电子电阻比平行大头针的电子电阻大。 在第2界面和最终层的磁性材料中，反平行大头针的电子再次比平行大头针电子有大的散射(3)，平行大头针的总电阻小，两磁性层的磁化方向相同，因此系统的总电阻小。 反平行大头针的总电阻大，2个磁性层中，磁化方向相反的话，其中一层具有反平行大头针的全部电子被强散射。 因此，系统的总电阻很高。 只要两磁性层的磁化方向相同，则很多电子平行自转，总电阻就能够容易地通过结构。 因此，总电阻低(上图中的a )。 如果两层的磁化方向相反，则两层中一层的所有电子都处

15、于反平行自旋状态。 即，由于没有电子容易通过的系统，其总电阻变高(情况b )。 即，传导电子的Spin-flip scattering反应历程。 GMR效应、自由电子具有相同比例的spin-up和spin-down电子。 如果两侧的磁性层的取向相同，则仅阻止一种电子(上图的低电阻状态)。 如果两个磁性层的取向相反，则两种电子被阻止(下图的高电阻状态)。反平行大头针电子平行大头针电子铁磁性层、r大、r小、从GMR到TMR，与GMR同样，可以利用绝缘材料电流本来不能通过绝缘层，但是如果一盏茶薄的话，电子利用量子力学的隧道技术效果也能通过背地里。 因此，该新体系被称为TMR，即Tunnelling Magneto- Resistance。 在TMR中，在极弱的磁场下可以获得更大的电阻差，最新一代的读取头采用了这种新技术。 TMR结构，绝缘体或半导体，研究中的系统： 1。 二号，二号，二号。 cofe/al2o3/co (或接着) 3。 Fe /Al2O3/Fe 4。 Fe/MgO