巨磁阻

非导电中介层

巨磁阻又称特大磁电阻，即GMR（Giant Magneto Resistance），比AMR技术磁头灵敏度高2倍以上，GMR磁头是由4层导电材料和磁性材料薄膜构成的：一个传感层、一个非导电中介层、一个磁性的栓层和一个交换层。简单来说，当巨磁阻周围存在磁场时，巨磁阻的电阻会剧烈下降。

简介

巨磁阻前3个层控制着磁头的电阻。在栓层中，磁场强度是固定的，并且磁场方向被相临的交换层所保持。而且自由层的磁场强度和方向则是随着转到磁头下面的磁盘表面的微小磁化区所改变的，这种磁场强度和方向的变化导致明显的磁头电阻变化，在一个固定的信号电压下面，就可以拾取供硬盘电路处理的信号。

巨磁阻磁头GMR磁头与MR磁头一样，是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，但是GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，比MR磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，从而可以实现更高的存储密度，现有的MR磁头能够达到的盘片密度为3Gbit－5Gbit/in2（千兆位每平方英寸），而GMR磁头可以达到10Gbit－40Gbit/in2以上。目前GMR磁头已经处于成熟推广期，在今后它将会逐步取代MR磁头，成为最流行的磁头技术。

技术之父

瑞典皇家科学院2007年10月9日宣布，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖。这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”（Giant MagnetoResistance，GMR）效应。所谓“巨磁电阻”效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。

瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，2007年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域的首批实际应用之一”。得益于“巨磁电阻”效应这一重大发现，最近20多年来，我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中存储海量信息。

现象

物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”（GMR）；而在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体，称为“超巨磁阻效应”（CMR）。

如图1所示，左面和右面的材料结构相同，两侧是磁性材料薄膜层（红色），中间是非磁性材料薄膜层（蓝灰色）。

左面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相同。

右面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相反。

相关效应

1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁、铬、铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。

巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。

众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区。磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特（bit）信息，即0或1。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。当磁头“扫描”过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有信息的原始译码。最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。然而，随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种磁头，磁致电阻的变化仅为1%～2%之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆位。硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。

1997年，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。

磁头记录

“巨磁阻”，全称为“巨大磁致电阻”。在98年左右，巨磁阻磁头开始被大量应用于硬盘当中，从那时起，短短的几年时间里，硬盘的容量就从4G提升到了400G。但是，即便是这项叱诧风云的技术，发展到现在也已经接近了极限，硬盘容量的提升必须寻求新的技术。目前行业公认的下一代技术是“垂直磁记录”技术，即“记录位”的S/N两极的连线垂直于盘片，而在此之前的技术都属于“水平磁记录”技术。当硬盘向垂直磁记录技术转变时，巨磁阻磁头也将会同时更换为“隧道磁阻磁头”。

一、电磁感应式磁头

感应磁头是硬盘诞生时就开始使用的磁头，并且它是一种读写合一的磁头，而后面将要介绍的两种磁头在读、写数据时使用的是不同的磁头，只不过读、写头会被制作在一起，共用一个传动臂罢了。感应磁头的工作原理很简单，顾名思义，它的读、写操作都是基于“电磁感应”原理的。写入时，磁头就像一个电磁铁：铁芯上绕有线圈，线圈通电，产生磁场，然后将磁场作用于盘片上的一个记录位。盘片上涂有磁性物质，这些磁性物质是由无数的“磁畴”组成的，每个磁畴都有S/N两极，像一个小磁铁。在磁介质没有被磁化时，内部磁畴的方向是杂乱的，不同取向的磁畴首尾相连组成闭合回路，对外不显示磁性。当外部的磁场作用于它们时，内部磁畴的方向会逐渐趋于统一，对外显示磁性。当外部的磁场消失时，受磁畴壁的阻力的影响，磁畴的方向不会回到从前的状态，因而该记录位具有了“剩磁”，这就是磁记录的方式。当要改变磁记录位的信息时，只要对它施加反向磁场，如果该磁场足够强，就可以重新改变内部的磁畴排列方向，同时该记录位对外的磁性也会改变。读取数据时，磁头和盘片发生相对运动，金属切割磁力线，金属中会产生“感应电势”，由于线圈处在一个闭合回路当中，因此线圈中的感应电势会进一步转变为“感应电流”，感应电流的方向就代表了磁记录位的磁场的方向。

磁头使用的软磁体是近似环形的。在环形铁芯上缠绕线圈就构成了典型的“闭合螺线管”，闭合螺线管的磁场是完全封闭在铁芯内部的，由于铁芯的导磁率较高，即使线圈不完全包裹，磁力线也可以充满整个铁芯。但磁头和闭合螺线管有所不同，在磁头使用的环形软磁体上有两处断开的“空气隙”——前间隙和后间隙，其中前间隙较大，而后间隙是越小越好。由于空气的导磁率较低，因此这种“带有空气隙的闭合螺线管”的磁力线会在空气隙处向四周扩散，产生漏磁，磁头就是利用从前间隙处扩散出来的磁场写数据的，前间隙的大小可以根据磁道的宽度调节。采用这种设计的好处是不必把整个磁头做得很小，只需控制空气隙的大小就可以了，而且可以提供更强的磁场。事实也的确证明了这种设计的先进性，感应磁头直到现在也一直负责写入数据。不过读取方面则不同，随着存储密度的提高，磁记录位越来越小，感应磁头的体积也必须同时缩小，这样才能确保不会读取到相邻的磁记录位的信息。但是，靠切割磁力线所产生的电流是十分微弱的，磁头越小，读取到的信号也就越微弱，而且越容易受到干扰。在经历了几次改进之后，终于，在91年左右，数据的读取工作开始由磁阻磁头接替了。

二、磁致电阻磁头

磁阻磁头是基于“磁阻效应”的，磁阻效应是指，当磁性材料处于一个外部磁场中时，如果磁场的方向和磁性材料中电流的方向不同，那么该磁性材料的电阻会随着施加于它的磁场的强度而变化，尽管这种变化是十分微弱的。除了磁性材料，半导体材料也具有磁阻效应，半导体材料中的载流子（电子和空穴）运动时会产生磁场，当这个磁场与外界磁场相互作用时会产生“洛伦兹”力，洛伦兹力会使载流子的运动方向发生偏转，使运动路径增长，也就相当于增加了电阻（磁性材料同理）。磁性材料的磁阻效应和半导体材料的磁阻效应在现实中都有应用，硬盘中的磁阻磁头基于的是磁性（铁磁）材料的磁阻效应。

磁阻磁头采用多层膜结构，从外向内有：上、下绝缘膜，上、下屏蔽膜，上、下隙缝膜。再往内部就是核心的部分：磁阻效应膜、偏磁膜、噪声抑制膜和两层隔离膜。隔离膜的作用是对磁阻效应膜、偏磁膜和噪声抑制膜进行磁隔离，但很难进行电隔离，因而磁阻效应膜、偏磁膜和噪声抑制膜就组成了一个并联回路，电流通过偏磁膜上的两个电极流入该并联回路中。在读取数据时，电流会持续不断的流经磁阻效应膜，由于磁阻效应所产生的电阻的变化十分微弱，因此流出磁阻效应膜的电流要经过一个信号放大器，以增大电压的浮动范围。到此时，读出的电信号还是线性的，即模拟的，必须将这些信号数字化，数字化的同时通常还会使用“硬盘最大相似性”技术。因为磁阻磁头读出的电信号的强度同时反映了磁场方向和磁通强度两维信息，而真正与数据有关的信息只是磁场方向，硬盘最大相似性技术就是将数字化后的信号和预先存储的信号模型作匹配，判断出这些信号所对应的数据，并推断可能存在的读取错误。磁阻磁头的最大缺点就在于磁阻变化率低，通常不会超过5%，虽然经历了很多次改进，但这个缺点仍然没有彻底解决。之后在92年，科学家们发现了应用“自旋阀”结构的“巨磁阻效应”，它的磁阻变化率在常温下可达40%，因此磁阻磁头被巨磁阻磁头取代也就是顺理成章的了。

三、巨大磁致电阻磁头

巨磁阻效应可分为基于半导体氧化物的巨磁阻效应以及基于多层金属膜的巨磁阻效应。硬盘中的巨磁阻磁头属于后者，并且它应用了电子的自旋特性。物质的磁性是由它内部电子的运动决定的。电子一方面会围绕原子核旋转，产生“轨道磁矩”，另一方面，电子自身也会旋转，产生“自旋磁矩”。一个原子的磁矩就等于核外所有电子的轨道磁矩和自旋磁矩的总合，其中，自旋磁矩远大于轨道磁矩。微观上，不同元素的核外电子分布的不同就决定了宏观上不同物质的磁性的不同。除此之外，相邻原子的未被填满电子的层上的电子会发生相互作用，原子间互相交换电子，称为“交换作用”。交换作用的不同决定了物质呈铁磁性还是反铁磁性。在交换作用的推动下，一小块区域内的原子的磁矩方向会完全保持平行，这一小块区域也就是所谓的磁畴。不同物质的磁畴结构是千差万别的，不过只有铁磁材料才具有磁畴结构，而且是在不超过一定的温度的情况下。电子的自旋方向有顺时针和逆时针两种，当电流经过磁体时，如果电子的自旋方向和磁体的磁化方向平行，则电子很容易穿过，反之，电子就很容易发生碰撞。前一种情况相当于电阻值低，后一种情况相当于电阻值高，如果两者的方向既不平行也不垂直，则电阻介于两者之间。巨磁阻磁头就是应用了这种特性，相比传统磁头，它对电子的利用要更充分一些。

巨磁阻磁头的核心部分是四层膜：自由膜、非磁性膜、引线膜和反铁磁膜。

其中，自由膜和引线膜采用的是磁性材料，自由膜属于软磁材料，引线膜使用硬磁材料，它们之间是一层非磁性膜，其采用非磁性金属材料，对自由膜和引线膜进行磁隔离，但不进行电隔离。引线膜的背面是反铁磁膜，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场会将引线膜的磁化方向固定。自由膜的作用是对盘片上的磁记录信息作响应，在没有外加磁场的情况下，它的磁化方向与引线膜垂直，此时无论何种自旋方向的电子都很难穿过自由膜和引线膜，相当于电阻值高。当盘片上的磁记录位的磁场方向和自由膜的磁化方向相反时，自由膜的磁化方向发生偏转，与引线膜平行，此时自旋方向平行于它们的电子就很容易穿过这两层，相当于电阻值低。读取数据时，电流持续流经各膜，通过检测电阻的变化就可以得到反映磁记录位的磁场方向和磁通强度的函数。这种利用电子的自旋特性、像阀门一样限制电子移动的结构就被称为自旋阀结构，也是当今主流的磁头结构。磁头作为整个硬盘中技术含量最高的部件，其灵敏度基本上就决定了硬盘的存储密度。纵观磁头技术的发展史，每一次磁头技术的飞跃都来自于新的物理效应的发现和应用，值得一提的是，本文涉及的3种物理效应最初都是由IBM公司将其引入商业硬盘领域的。时至今日，我们已经无法看到IBM公司引领新的硬盘技术的潮流了，不久的将来，我们将会用上使用“隧道磁致电阻”效应的硬盘，而早在93年，比巨磁阻效应更强的“庞大磁致电阻”效应就已经被发现了，其磁阻变化率大于99%。所以说，在可以预见的未来，硬盘的存储密度仍然会保持飞速的增长，其应用的物理效应也会越来越微观，越来越复杂。

薄膜相变

中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家(联合)实验室詹倩、于荣、贺连龙、李斗星与新加坡大学学者合作，通过高分辨像和电子衍射的原位观察和计算模拟相结合，在la－sr－mn－o巨磁阻薄膜精细结构的研究中，发现了电子束辐照诱发的可逆性相变，并解释了其转变机制。近日出版的美国《物理评论快报》刊出了他们的研究结果。通常情况下，在lao衬底上外延生长的巨磁阻lsmo薄膜为菱面体结构。但经会聚电子束辐照后，在垂直于界面方向出现反常的周期加倍衬度，相应的电子衍射谱中也出现附加的衍射斑点，且晶格参数显著增大，即发生了结构相变，空间群由rc转变为i12/a1。而当电子束移开后，转变后的结构又恢复到原来的菱面体结构。分析认为，这种可逆性结构相变是衬底诱导失配应力和电子束诱导热应力联合作用的结果。由于lsmo的点阵常数大于lao，lao上生长的外延lso薄膜中会形成压应力分布。在电子束辐照下，lsmo薄膜晶格膨胀，导致压应力增强。由于薄膜在平行于界面方向的应变受到衬底的约束，它将沿垂直于界面方向膨胀，从而破坏电子束辐照前建立的jahn－teller效应与弹性应变之间的平衡，伴随着mno6八面体的畸变和扭转，发生结构相变。相反，移走会聚电子束后，薄膜内温度和热应力逐渐降低，又导致菱面体结构的恢复。该研究揭示了巨磁阻锰氧化物晶体结构的应力敏感特性，为深入地理解这种材料的结构不稳定性及结构与性能间关系提供了有价值的信息。

相关应用

巨磁阻效应在高密度读出磁头、磁存储元件上有着广泛的应用。随着技术的发展，当存储数据的磁区越来越小，存储数据密度越来越大，这对读写磁头提出更高的要求。巨磁阻物质中电流的增大与减小，可以定义为逻辑信号的0与1，进而实现对磁性存储装置的读取。巨磁阻物质可以将用磁性方法存储的数据，以不同大小的电流输出，并且即使磁场很小，也能输出足够的电流变化，以便识别数据，从而大幅度提高了数据存储的密度。

巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上。1994年，IBM公司研制成功了巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍，从而使得磁盘在与光盘的竞争中重新回到领先地位。目前，巨磁阻技术已经成为几乎所有计算机、数码相机和MP3播放器等的标准技术。

利用巨磁电阻物质在不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点，还可以制成磁性随机存储器（MRAM），其优点是在不通电的情况下可以继续保留存储的数据。

除此之外，巨磁阻效应还应用于微弱磁场探测器。

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