解读巨磁电阻效应.ppt

－解读巨磁电阻效应 （Giant MagnetoResistance）及 计算机硬盘和读出头技术的突破 黄美纯 厦门大学物理系 2007-10 This year’s Nobel Prize in Physics is awarded to ALBERT FERT and PETER GRüNBERG For their discovery of Giant Magnetoresistance OUTLINE 1。硬盘历史发展的简短回顾 2。磁电阻(MR)与巨磁电阻(GMR)的发现 3。硬盘与读出头技术的突破 4。GMR效应的基本原理 5。GMR效应－自旋电子学的物理基础 6。下一代硬盘与读出头的研发 7。结语 80年代凝聚态物理的几个新发现 2007-ALBERT FERT, PETER GRüNBERG （GMR 1988） “For their discovery of Giant Magnetoresistance” 1998 - Robert B. Laughlin, Horst L. St?rmer, Daniel C. Tsui （FQHE 1982） for their discovery of a new form of quantum fluid with fractionally charged excitations“ 1987 - J. Georg Bednorz, K. Alex Müller （HTc 1986） for their important break-through in the discovery of superconductivity in ceramic materials 1985 - Klaus von Klitzing （IQHE 1980） “for the discovery of the quantized Hall effect“ 硬盘的信息密度 1。硬盘存储系统发展的历史回顾 磁盘 1956年，世界上第一个计算机磁盘存储系统，由IBM的科学家Reynold Johnson发明。此人后来，被公认为硬盘的“亲生父亲”。 它由50片直径24英寸、涂着磁粉的圆盘，加上马达、磁头和控制系统所组成。磁盘上由一圈圈的磁道组成，而每条磁道有被分成若干个扇区，磁头可以从每个扇区中读写512kb的数据。 这个体积庞大的系统，当时只能存储5兆的数据。 磁头的发展 磁头 追朔历史，原来用于读出头的是感应线圈技术。磁场的变化诱导感应线圈中电流的变化。显然这个技术已经不能适应硬盘尺寸不断缩小的需要。但是感应线圈对于把信息写入磁盘仍然是有用的。 最早采用锰铁磁体制成，它通过电磁感应读写数据。由于这种磁头读取数据要求磁场达到一定的强度，磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到20 Mb/in2。 磁头的发展 对于读出功能，磁电阻效应（MR）很快就被证明更加合适。 1980年代末期，IBM研发成功了MR（Magneto－Resistive）磁阻磁头技术，才实现了第一次飞跃：磁阻磁头的核心是一片金属材料，其电阻随磁场的变化而变化。这种磁头采用分离式设计，由感应磁头‘写’、磁阻磁头‘读’，此举令硬盘的磁道密度得以大幅度提高，达到3-5Gb/in2。 磁电阻与巨磁电阻 关于磁电阻，很早以前就已经知道材料（如铁）的电阻会受到磁场的影响。 1857年英国物理学家 Lord Kelvin 就已经证明：当磁场加到磁性导体上时，沿磁化的线上电阻会减小。如果外磁场与导体交叉，电阻会增大。 这个（各向异性的）磁电阻（MR）就是现在作为读出头的标准技术的巨磁电阻（GMR）的直接前身。当更加灵敏的技术需要时，GMR就接管了MR。 2。磁电阻(MR)与巨磁电阻(GMR)的发现 传统的磁电阻（MR）效应：对一些导体、半导体，在外磁场下，其电阻会发生变化－磁场较低时，电阻线性增加，高磁场下则快速增长。特点是电阻正增加、各向异性。 因为采用MR技术，磁致电阻的变化也仅在1％到2％之间，且磁场不能太弱，所以磁道也无法做得太密。 到了1988年，新的“硬盘革命”的曙光终于开始显露。 磁电阻(MR)与巨磁电阻(GMR)的发现 发现多层膜巨磁电阻效应：随磁场增加，电阻减小（负增长）。在弱磁场下，电阻就会发生巨大的变化。 Fert′s group Fert′s group Peter Grünberg’s group Peter Grünberg GMR 的样品结构 80年代中期，磁性领域的科学家实现了纳米标度层材料的生长。 Albert Fert 及其合作者用只有几个原子层的Fe层和Cr层交替生长出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气体