磁電阻效應(yīng)之巨磁電阻效應(yīng)研究

崔玉林

[摘要]體積越來(lái)越小，容量越來(lái)越大——在如今這個(gè)信息時(shí)代，存儲(chǔ)信息的硬盤自然而然被人們寄予了這樣的期待。得益于“巨磁電阻”效應(yīng)這一重大發(fā)現(xiàn)，最近20多年來(lái)，我們開始能夠在筆記本電腦、音樂(lè)播放器等所安裝的越來(lái)越小的硬盤中存儲(chǔ)海量信息。

[關(guān)鍵詞]磁電阻效應(yīng) 巨磁電阻效應(yīng)

中圖分類號(hào)：O44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0220010－01

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)行業(yè)的興起與發(fā)展，自旋電子器件技術(shù)在信息存儲(chǔ)行業(yè)初露鋒芒并已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用?，F(xiàn)在的大多數(shù)筆記本電腦都配置了大容量的硬盤，其每平方英寸硬盤面積上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)之多達(dá)到了前所未有的水平。這些器件利用了一種稱為巨磁阻(GMR)的磁電阻效應(yīng)來(lái)讀密度如此之高的數(shù)據(jù)。因此，近年來(lái)磁電阻效應(yīng)和磁電阻材料一直是凝聚態(tài)物理學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

一、磁電阻效應(yīng)(Mangetoresistance,MR)

早在19世紀(jì)末期，英國(guó)科學(xué)家湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子之后，人們就知道電子又一個(gè)重要特征，就是每一個(gè)電子都攜帶一定的電量，即基本電荷（E=1.60219×10-19 庫(kù)侖），到20世紀(jì)20年代中期，量子力學(xué)的誕生又告訴人們，電子除攜帶電荷之外還有另一個(gè)重要特征，就是自旋。與電荷載流子相比，自旋載流子有兩大特點(diǎn)：其一，它可以很容易地由外場(chǎng)控制，其二，自旋載流子具有很長(zhǎng)的馳豫時(shí)間，而電荷載流子很容易被缺陷或雜質(zhì)散射而改變其原來(lái)的狀態(tài)。在此背景下，自旋載流子學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，它是一門磁學(xué)和微電子學(xué)相交叉的新興學(xué)科，其英文名稱為Spintronics，是由Spin和Electronics兩詞合并創(chuàng)造出來(lái)的。

磁電阻效應(yīng)(MR)，就是材料的電阻率在外磁場(chǎng)的作用下發(fā)生變化的現(xiàn)象。對(duì)于非磁金屬，電子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)由于受到洛倫茲力的作用會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)或回旋，因而使得電阻增大。但通常這種變化是微不足道的，而且與電子的自旋基本無(wú)關(guān)。目前人們所說(shuō)的磁電阻效應(yīng)是指在外磁場(chǎng)作用下電阻發(fā)生顯著變化的行為，其大小一般用以下兩式之一來(lái)表示：

其中ρ(T,H),ρ(T,0)代表溫度為T，磁場(chǎng)分別為H和零時(shí)的電阻率。根據(jù)磁場(chǎng)下電阻的增加或減小，磁電阻效應(yīng)分為正磁電阻效應(yīng)(MR＞0)和負(fù)磁電阻效應(yīng)(MR＜0)。下面主要介紹其中的巨磁電阻(GMR)效應(yīng)。

二、巨磁電阻效應(yīng)(Giant Mangetoresistance，GMR)

（一）GMR的發(fā)現(xiàn)。1988年，法國(guó)科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾和德國(guó)科學(xué)家彼得·格林貝格爾各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這一特殊現(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。費(fèi)爾把這種效應(yīng)命名為巨磁阻效應(yīng)(Giant Mangetor esistance，GMR)。

這一發(fā)現(xiàn)解決了制造大容量小硬盤最棘手的問(wèn)題：當(dāng)硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時(shí)，勢(shì)必要求磁盤上每一個(gè)被劃分出來(lái)的獨(dú)立區(qū)域越來(lái)越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)也就越來(lái)越弱。借助“巨磁電阻”效應(yīng)，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀磁頭，使越來(lái)越弱的磁信號(hào)依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。

（二）GMR原理及應(yīng)用。巨磁電阻效應(yīng)(GMR)，是指在一個(gè)磁電阻系統(tǒng)中，非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大的電阻變化的特殊效應(yīng)。其顯著特征是溫度越低，體系的電阻越低，磁電阻效應(yīng)就越大。它是一種在Fe/Cr/Fe三層膜（鐵磁層/非磁層/鐵磁層）和Fe/Cr（鐵磁層/非磁層）超晶格中觀察到的量子力學(xué)效應(yīng)。

我們知道，如果想要制造容量越來(lái)越大、體積越來(lái)越小的硬盤，必須解決如何將弱小的磁信號(hào)變化放大為清晰的電信號(hào)的棘手問(wèn)題。借助“巨磁電阻”效應(yīng)，人們能夠制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，將越來(lái)越弱的磁信號(hào)讀出來(lái)后，利用電阻的巨大變化而轉(zhuǎn)換成為明顯的電流變化，使得大容量的小硬盤成為可能。

巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭(Read Head)。這使得存儲(chǔ)單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲(chǔ)能力得到大幅度的提高。第一個(gè)商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場(chǎng)的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

后來(lái)，GMR效應(yīng)受到各界的關(guān)注并相繼投入研究其原理與應(yīng)用。1994年，第一種利用GMR效應(yīng)制作的磁場(chǎng)傳感器面試。1997年9月，IBM公司推出了用于硬盤驅(qū)動(dòng)器的讀磁頭，大幅度提高了硬盤的容量。巨磁電阻效應(yīng)還被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)中的固定存儲(chǔ)器，1997年，第一個(gè)基于“巨磁電阻”效應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出頭問(wèn)世，并很快引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。

如今，筆記本電腦、音樂(lè)播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應(yīng)用了“巨磁電阻”效應(yīng)，這一技術(shù)已然成為新的標(biāo)準(zhǔn)。

阿爾貝·費(fèi)爾和彼得·格林貝格爾所發(fā)現(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。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了17倍；1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盤面密度所用的讀出頭，使得硬盤的容量從4ＧB提升到600ＧB或更高。

除讀出磁頭外，巨磁阻效應(yīng)同樣可應(yīng)用于測(cè)量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、汽車導(dǎo)航、非接觸開關(guān)和旋轉(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)點(diǎn)。

（三）GMR現(xiàn)狀與展望。目前，巨磁阻效應(yīng)已經(jīng)是一種比較成熟的技術(shù)了，我國(guó)國(guó)內(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)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所及北京大學(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究。中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所在磁膜隨機(jī)存儲(chǔ)器、薄膜磁頭、MIG磁頭的研制方面成果顯著。

在將來(lái)，GMR為生產(chǎn)商業(yè)化的大容量信息存儲(chǔ)器鋪平了道路，同時(shí)它們也為進(jìn)一步探索新物理——比如隧穿磁阻效應(yīng)(TMR:Tunneling Magnetoresistance)、自旋電子學(xué)(Spintronics)以及新的傳感器技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。正是依靠巨磁阻技術(shù)，才使得存儲(chǔ)密度在最近幾年內(nèi)每年的增長(zhǎng)速度達(dá)到3～4倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在巨磁阻效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，未來(lái)將能夠進(jìn)一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。

參考文獻(xiàn)：

[1]張芹，《陽(yáng)離子摻雜的雙鈣鈦礦型氧化物的結(jié)構(gòu)及電磁性質(zhì)研究》，中國(guó)科學(xué)院物理研究所，2006.4.

[2]王雅麗，《巨磁阻效應(yīng)：磁頭引發(fā)的IT革命》，《中國(guó)計(jì)算機(jī)報(bào)》，2007.10.29.

[3]國(guó)防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院研究員，方糧，《磁盤存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)》，2007.12.17.