巨磁阻又稱特大磁電阻,即GMR(Giant Magneto Resistive),龐磁電阻等其MR(磁電�)可高�(dá)10^6%。演示巨磁阻�(xiàn)象的基本器件是兩層或多層鐵磁�,由�磁性材�分開。每一層的厚度都在納米�(shù)量級(jí)。而巨磁阻是基于兩�(gè)基本的物理過��
巨磁阻的因其系統(tǒng)�(jiǎn)單卻又效�(yīng)明顯�1994,IBM成功地將巨磁阻效�(yīng)�(yùn)用在硬碟讀寫磁頭,將磁碟容量提高了�20�,也成功地在硬碟市場(chǎng)上奪得的地位。巨磁阻效應(yīng)更開啟了自旋電子�(xué)的發(fā)展,磁性效�(yīng)和半�(dǎo)體的�(jié)�,使得現(xiàn)今的電子元件既小又快�?,F(xiàn)�,我們所使用的電腦不論硬碟或是RAM都和巨磁阻有�(guān)�(lián)。而日常使用的�(shù)位相�(jī)、PDA也都有巨磁阻的影�。近�,科�(xué)家更�(gòu)想利用巨磁阻所衍生的自旋閥作為量子電腦中的元件�
�(fèi)爾和葛倫貝爾的成就獲得了國(guó)際的肯定,更�2007獲頒諾貝爾物理獎(jiǎng)以表彰他�?cè)诮萍及l(fā)展的貢獻(xiàn),而這更凸顯了巨磁阻在近代科技�(fā)展中的地��
巨磁阻的磁頭是由4層導(dǎo)電材料和磁性材料薄膜構(gòu)成的:一�(gè)傳感�、一�(gè)非導(dǎo)電中介層、一�(gè)磁性的栓層和一�(gè)交換��
巨磁阻前3�(gè)層控制著磁頭的電�。在栓層中,磁場(chǎng)�(qiáng)度是固定�,并且磁�(chǎng)方向被相臨的交換層所保持。而且自由層的磁場(chǎng)�(qiáng)度和方向則是隨著�(zhuǎn)到磁頭下面的磁盤表面的微小磁化區(qū)所改變的,這種磁場(chǎng)�(qiáng)度和方向的變化導(dǎo)致明顯的磁頭電阻變化,在一�(gè)固定的信�(hào)電壓下面,就可以拾取供硬盤電路處理的信號(hào)�
巨磁阻磁頭GMR磁頭與MR磁頭一�,是利用特殊材料的電阻值隨磁場(chǎng)變化的原理來(lái)讀取盤片上的數(shù)�(jù),但是GMR磁頭使用了磁阻效�(yīng)更好的材料和多層薄膜�(jié)�(gòu),比MR磁頭更為敏感,相同的磁場(chǎng)變化能引起更大的電阻值變化,從而可以實(shí)�(xiàn)更高的存�(chǔ)密度,現(xiàn)有的MR磁頭能夠�(dá)到的盤片密度�3Gbit�5Gbit/in2(千兆位每平方英寸),而GMR磁頭可以�(dá)�10Gbit�40Gbit/in2以上。目前GMR磁頭已經(jīng)處于成熟推廣�,在今后它將�(huì)逐步取代MR磁頭,成為的磁頭技�(shù)�
一、巨磁阻的效�(yīng)介紹
早在1988�,費(fèi)爾和格林貝格爾就各自�(dú)立發(fā)�(xiàn)了這一特殊�(xiàn)象:非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。那�(shí),法�(guó)的費(fèi)爾在�、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)�(xiàn),微弱的磁場(chǎng)變化可以�(dǎo)致電阻大小的急劇變化,其變化的幅度比通常高十幾�,他把這種效應(yīng)命名為巨磁阻效應(yīng)(Giant Magneto-Resistive,GMR�。有趣的�,就在此�3�(gè)�,德�(guó)�(yōu)利希研究中心格林貝格爾教授領(lǐng)�(dǎo)的研究小組在具有層間反平行磁化的�/�/鐵三層膜�(jié)�(gòu)中也�(fā)�(xiàn)了完全同樣的�(xiàn)象�
所謂巨磁阻效應(yīng),是指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用�(shí)較之�(wú)外磁�(chǎng)作用�(shí)存在巨大變化的現(xiàn)�。巨磁阻是一種量子力�(xué)效應(yīng),它�(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)�(gòu)。這種�(jié)�(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行�(shí),載流子與自旋有�(guān)的散射最�,材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行�(shí),與自旋有關(guān)的散射最�(qiáng),材料的電阻。上下兩層為鐵磁材料,中間夾層是非鐵磁材�。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場(chǎng)控制�,因而較小的磁場(chǎng)也可以得到較大電阻變化的材料�
眾所周知,計(jì)算機(jī)硬盤是通過磁介�(zhì)�(lái)存儲(chǔ)信息�。一塊密封的�(jì)算機(jī)硬盤�(nèi)部包含若干�(gè)磁盤�,磁盤片的每一面都被以�(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多�(gè)磁道,每�(gè)磁道又被劃分為若干�(gè)扇區(qū)�
磁盤片上的磁涂層是由�(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組�,若干�(gè)磁顆粒組成一�(gè)記錄單元�(lái)記錄1比特(bit)信�,即0�1。磁盤片的每�(gè)磁盤面都相應(yīng)有一�(gè)磁頭。當(dāng)磁頭“掃描”過磁盤面的各�(gè)區(qū)域時(shí),各�(gè)區(qū)域中記錄的不同磁信號(hào)就被�(zhuǎn)換成電信�(hào),電信號(hào)的變化�(jìn)而被表達(dá)為�0”和�1”,成為所有信息的原始譯碼�
最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的,該類磁頭是通過電磁感應(yīng)的方式讀寫數(shù)�(jù)。然�,隨著信息技�(shù)�(fā)展對(duì)存儲(chǔ)容量的要求不斷提�,這類磁頭難以滿足�(shí)際需�。因?yàn)槭褂眠@種磁頭,磁致電阻的變化僅�1%~2%之�,讀取數(shù)�(jù)要求一定的�(qiáng)度的磁場(chǎng),且磁道密度不能太大,因此使用傳�(tǒng)磁頭的硬盤容量只能達(dá)到每平方英寸20兆位。硬盤體積不斷變�,容量卻不斷變大�(shí),勢(shì)必要求磁盤上每一�(gè)被劃分出�(lái)的獨(dú)立區(qū)域越�(lái)越小,這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)也就越來(lái)越弱�
1997�,全球基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭問�。正是借助了巨磁阻效應(yīng),人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭,能夠清晰讀出較弱的磁信�(hào),并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變�。新式磁頭的出現(xiàn)引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革�。如今,筆記本電�、音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬�,基本上都應(yīng)用了巨磁阻效�(yīng),這一技�(shù)已然成為新的�(biāo)�(zhǔn)�
二、巨磁阻的效�(yīng)�(yīng)�
阿爾貝·費(fèi)爾和彼得·格林貝格爾所�(fā)�(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��1994�,IBM公司研制成功了巨磁阻效應(yīng)的讀出磁�,將磁盤記錄密度提高�17倍�1995�,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�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�,已�(jīng)把存�(chǔ)密度提高�560億位/平方英寸,該類型磁頭已占�(lǐng)磁頭市場(chǎng)�90%�95%。隨著低電阻高信�(hào)的TMR的獲得,存儲(chǔ)密度�(dá)到了1000億位/平方英寸�
2007�9�13�,全球的硬盤廠商希捷科技(Seagate Technology)在北京宣布,其旗下被全球最多數(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)�1TB�1000GB)容�,足以收錄多�(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)密度在最近幾年內(nèi)每年的增�(zhǎng)速度�(dá)�3�4倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的�(jié)�(gòu),因而只要在巨磁阻效�(yīng)依然起作用的尺度范圍�(nèi),未�(lái)將能夠�(jìn)一步縮小硬盤體�,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�(cè)量位�、角度等傳感器中,可廣泛地應(yīng)用于�(shù)控機(jī)�、汽車導(dǎo)航、非接觸開關(guān)和旋�(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)�(diǎn)。目前,我國(guó)�(guó)�(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�(guó)科學(xué)院物理研究所及北京大�(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�。中�(guó)科學(xué)院計(jì)算技�(shù)研究所在磁膜隨�(jī)存儲(chǔ)�、薄膜磁�、MIG磁頭的研制方面成果顯�。北京科技大學(xué)在原子和納米尺度上對(duì)低維材料的微�(jié)�(gòu)表征的研究及�(duì)大磁矩膜的研究均有較高水��
今天,移動(dòng)硬盤、MP3播放器等磁盤�(qū)�(dòng)�(shè)備隨處可�,每天我們都可以將這些小巧精致的科技�(chǎn)品放在衣袋中隨身攜帶,隨�(shí)享受它們給我們帶�(lái)的便利和快樂,然而為了這一�(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�(jì)算的智慧和辛��
巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)�(xiàn),讓硬盤的體積不斷縮�,容量卻不斷變大�
1、電子羅盤或電子指南針:航海,航空導(dǎo)��
2、地磁場(chǎng)檢測(cè),高精度磁補(bǔ)償電流檢�(cè)�
3、交通控制系�(tǒng)交通工具檢�(cè):車輛分類,是否有車輛存在或通過的運(yùn)�(dòng)方向;仃車場(chǎng)車輛存在與否檢測(cè)�
4、旋�(zhuǎn)磁輪和運(yùn)�(dòng)磁條的轉(zhuǎn)速或速度檢測(cè)�
5、高速接近傳感器;遠(yuǎn)距離(大�200mm)檢�(cè)�