什么是磁电子随机储存器？

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在当今电子和信息高新技术迅速发展的时代，各种磁电子管和电子计算机（电脑）的发展和应用是十分重要的。虽然有的磁电子管技术还处于探索研究和未来设想阶段，但从电控电子管晶体管到磁控电子管晶体管，从某种意义上说也是开辟了一个新的思路和新的领域。

从电子计算机发展的历程来看，也有相类似的情况。从20世纪40年代电子计算机出现和应用以来，电子计算机的研发工作已经有了很快很大的进步，先后经历了电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机及超大规模集成电路计算机等几代的发展，各方面都有了很多变化。例如，在数据和信息的存储方面，磁鼓、磁带和磁盘等磁记录设备一直是外存储装置。当然其磁记录介质和磁头材料、磁记录方式（如纵向记录和垂直记录）等都经历了多次的改进。内存储装置（也称随机存储器）也经历了多次改进，例如从磁芯存储器、磁膜存储器到半导体集成电路存储器，再到半导体大规模集成电路、半导体超大规模集成电路存储器，到今天的磁电子随机存储器的研发等。

什么是磁电子随机存储器？它具有什么特点呢？

磁电子随机存储器是目前尚处于初步探索研究的一类利用巨磁电阻效应的随机存储器。电阻式随机存储器是一个全新的概念，目前国际上的相关研究处于起步阶段，中国的研究工作也在逐步展开。目前提出的有多层膜型巨磁电阻随机存储器和磁隧穿型巨磁电阻随机存储器。数字信息的“1”或“0”是用巨磁电阻的高或低来表示的，而巨磁电阻的高低则由这巨磁电阻输出电压的高低来测量。

首先我们来认识多层膜型巨磁电阻存储器的一个存储单元。它由一个多层膜巨磁电阻单元及输入数字信息的写入线（层）和输出数字信息的读出线（层）构成。数字信息“1”或“0”是由存储单元的高电阻态或低电阻态来表现的，也就是由钉扎铁磁层与自由铁磁层中原子磁矩是互相反平行或平行状态所决定，而读出线（层）所读出的脉冲电压的高或低就表示“1”或“0”的数字信息。当然这不过是多层膜型巨磁电阻随机存储器一个存储单元的情况，由大量存储单元构成的随机存储器就更为复杂。

其次来认识磁隧穿型巨磁电阻的随机存储器的一个存储单元。它是由一个磁隧穿型巨磁电阻单元及输入数字信息的电流写入线和输出数字信息的读出线构成的。同多层膜型巨磁电阻存储单元的工作情况相似，数字信息“1”或“0”也是由存储单元的高电阻态或低电阻态来表示的，也是由绝缘层两边的铁磁层中原子磁矩是互相反平行或平行状态所决定，读出线（层）的输出电压的高或低就表示“1”或“0”的数字信息。它同多层膜型巨磁电阻存储单元的主要差别是两铁磁层之间的弱磁层是绝缘层，因而每个单元具有较高的电阻、较高的输出电压、较低的输出电流和较短的存取信息时间即较快的存取速度，存储信息密度则同多层膜型巨磁电阻随机存储器相似，但弱磁绝缘层的厚度极薄，存在均匀性和工作可靠性问题。这些优缺点是需要在未来的研究和应用中加以特别注意的。

初步实验结果表明，这种由巨磁电阻材料研制的磁电子随机存储器的结构较简单，成本较低廉，存储密度较高，存取数据时间较短，在工作电源去掉后仍能保持其所存储的数字信息（称为非易失性），抗强电磁辐射、抗粒子辐照和抗宇宙射线的能力都较强，因而具有许多优点。但是要使磁电子随机存储器从研究进入实际应用，也还有不少的问题需要解决，这也正是未来磁电子学面临的一个重大问题。

从以上的介绍可以看出，磁电子学虽仅是磁学中一个新诞生的部分，研究时间尚短，但是它所蕴含的内容却很丰富，已取得的应用也很多很重要，而研究和应用的前景更是十分广阔的。

什么是巨磁电阻效应(GMR)?效应产生的条件、机理及应用

“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提升到了当今的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。

所谓巨磁阻效应,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.

巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance）是一种量子力学和凝聚态物理学现象,磁阻效应的一种,可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到.这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关,两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值,明显大于磁化方向相同时的电阻值,电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量.巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上,具有重要的商业应用价值.

巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（Read Head）.这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少,从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高.第一个商业化生产的数据读取探头是由IBM公司于1997年投放市场的,到目前为止,巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术.

来自剑桥大学的一位物理学家Tony Bland介绍说：“这些材料一开始看起来非常玄妙,但是最后发现它们有非常巨大的应用价值.它们为生产商业化的大容量信息存储器铺平了道路.同时它们也为进一步探索新物理——比如隧穿磁阻效应（TMR:Tunneling Magnetoresistance）、自旋电子学（Spintronics）以及新的传感器技术——奠定了基础.但是大家应该注意到的是：巨磁阻效应已经是一种非常成熟的旧技术了,目前人们感兴趣的问题是如何将隧穿磁阻效应开发为未来的新技术宠儿.

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