光电信息存储材料及技术.ppt

2005,100Gb/in2 记录磁头
2005，1Gb MRAM
自旋阀典型结构
Protect layer AFM FM1 NM FM2
Buffer layer Sustrate
电阻变化 R 高阻态
低阻态
磁场 H
二、光信息存储材料
与磁存储技术相比，光盘存储有以下优势：
存储寿命长，一般在10年以上； 非接触式读/写，光头与光盘间有1～2mm距离，因此光 盘可以自由更换； 信息载噪比高，而且经多次读写不降低； 信息位的价格低。
光盘工作性能的扩展取决于存储介质的进展。 CD-ROM光盘的信息数据是预刻于光盘母盘上 的（形成凹坑），然后制成金属压膜，再把凹坑 复制于聚碳酸酯的光盘基片上。靠凹坑与周围介 质反射率的不同读出信号。由于其价格便宜，制 作方便，已大量使用。
光盘记录点的尺寸决定于聚焦光束的衍射极限。 缩短记录激光波长是缩小记录点间距，提高存储 密度的关键。采用GaN半导体激光器（记录波长 0.40～0.45μm），可将光盘的存储容量提高 到10GB以上，称为超高密度光盘存储技术。
GMR效应主要基于电子自旋特性产生。
电子的 两大量 子特性
电荷
P
E
N
- - - - ++++
- - - - ++++
- - - - ++++
- - - - ++++
自旋
Mp
M
巨磁电阻电阻网络模型(Mott二流体模型)
e FM1 NM FM2
e FM1 NM FM2
e
R 2r
r
r
R
R
R 2R
两磁性层平行
e
R R r
R
r
r
R
R r R
两磁性层反平行
Ne2D
Ne2D P
R
RF
RN
2F w(1 P)
RF
L w
RN
R
RF
RN
2F w(1 P)
RF
L w
RN
GMR
1986 发现AF耦合
1988 发现GMR
1991 发明自旋阀
1994,GMR 记录磁头
1993第一个 GMR MRAM
高密度磁性存储磁头材料－
磁记录的两种记录剩磁状态（±Mr）是由正、 负脉冲电流通过磁头反向磁化介质来完成的。 在读出记录信号时，磁头是磁记录的一种磁能 量转换器，即磁记录是通过磁头来实现电信号 和磁信号之间的相互转换。因此磁头同磁记录 介质一样是磁记录中的关键元件。
磁头在磁记录过程中经历了几个阶段： 体形磁头－薄膜磁头－ 磁阻磁头－巨磁阻磁头
信息存储材料
一、磁Biblioteka Baidu存储材料 二、光信息存储材料 三、MRAM材料及应用
一、磁性存储材料
在信息时代，大容量存储技术在信息处理、 传递和探测保存中占据着相当重要的地位。
经过一个世纪的发展，磁性存储取得了巨大 的进步，目前的磁记录密度已进入每平方英 寸10吉位数的量级。
为了提高磁记录的密度，主要途径是增大介 质的Hc/Br并降低介质的厚度。但记录后的 输出信号正比于Br，因此提高介质矫顽力是 关键。
磁阻、巨磁阻效应－
1971年有人提出利用铁磁多晶体的各向异 性磁电阻效应制作磁记录的信号读出磁头。 1985年IBM公司实现了这一设想。此后， 磁记录密度有了很大的提高。磁阻磁头主要 采用Ni－（Co，Fe）系列的铁磁合金材料， 其主要特点当电流与磁场平行和垂直时其电 阻率有较明显的变化。
上世纪80年代末法国巴黎大学Fert教授课 题组提出和发现的巨磁阻（GMR）效应可 使Ni－Fe系列磁阻效应高一个数量级以上， 引起极大轰动，也为磁头技术带来了突飞猛 进的发展。该项成果也获得了2007年诺贝 尔物理奖。
可擦重写光盘存储技术－
可擦重写光盘的存储介质能够在激光辐射下 起可逆的物理或化学变化。目前发展的主要 有两类，即磁光型和相变型。前者靠光热效 应使记录下来的磁畴方向发生可逆变化，不 同方向的磁畴使探测光的偏振面产生旋转 （即克尔角）作读出信号；后者靠光热效应 在晶态与非晶态之间产生可逆相变，因晶态 与非晶态的反射率不同而作为探测信号。
磁光材料－具有显著磁光效应的磁性材料称 为磁光材料。主要为石榴石型铁氧体薄膜。
磁光效应－偏振光被磁性介质反射或透射后， 其偏振状态发生改变，偏振面发生旋转的现 象。由反射引起的偏振面旋转称为克尔效应； 由透射引起的偏振面旋转称为法拉第效应。
磁光存储的写入方式－利用热磁效应改变微小区域 的磁化矢量取向。磁光存储薄膜的磁化矢量必须垂 直于膜面。如果它的初始状态排列规则，如磁化方 向一致向下，当经光学物镜聚焦的激光束瞬时作用 于该薄膜的一点时，此点温度急剧上升，超过薄膜 的居里温度后，自发磁化强度消失。激光终止后温 度下降，低于居里温度后，磁矩逐渐长大，磁化方 向将和施加的外加偏置场方向一致。因为该偏置场 低于薄膜的矫顽力，因此偏场不会改变其它记录位 的磁化矢量方向。
纵向磁化记录－磁化方向与记录介质的运
动方向平行的记录方式。如硬盘、软盘、磁 带等。提高其存储密度的方式主要是提高矫 顽力和采用薄的存储膜层。
垂直磁记录－磁化方向和记录介质的平面
相垂直的记录方式。它可彻底消除纵向磁记 录方式随记录单元缩小和膜层h减薄所产生 的退磁场增大的效应，因而更有利于记录密 度的提高。同时对薄膜厚度和矫顽力的要求 可更宽松。但其对信号的读出效率较差，要 求磁头必须距记录介质面很近。
磁记录材料先后经历了氧化物磁粉（γFe2O3）、金属合金磁粉（Fe－Co－Ni等合 金磁粉）和金属薄膜三个阶段。矫顽力和剩 磁都得到了很大的提升。
金属薄膜是高记录密度的理想介质。因为薄 膜介质是连续性介质，并具有高的矫顽力和 高的饱和磁化强度。后者可有效的减薄磁性 层的厚度。这些正是高记录密度介质所必备 的性能。
磁光存储即有光存储的大容量及可自由插换的特点， 又有磁存储可擦写和存取速度快的优点。
相变型光存储介质主要为Te（碲）和非Te 基的半导体合金。它们的熔点较低并能快速 实现晶态和非晶态的可逆转变。两种状态对 光有不同的发射率和透射率。
缺点：
光盘驱动器较贵，数据传输率较低。
在未来10年内，磁存储和光盘存储仍为 高密度信息外存储的主要手段。今后高性能 的硬盘主要为计算机联机在线存储，以计算 机专业用为主。高性能光盘为脱机可卸式海 量存储和信息分配存储，以消费用为主。
提高存储密度和数据传输率一直是光盘存 储技术的主要发展目标。同时，多功能（可 擦重写）也是光盘存储技术的发展方向，也 由此才能与日益发展的磁盘存储技术竞争。