自旋电子学第三讲

垂直磁记录与纵向磁记录的比较
3.磁记录介质 3.磁记录介质
磁性纳米微粒： 磁性纳米微粒：
颗粒的长度应远小于记录波长； 颗粒的长度应远小于记录波长； 粒子的宽度应远小于记录深度； 粒子的宽度应远小于记录深度； 一个单位的记录体积中，应尽可能包含更多的磁性粒子。 一个单位的记录体积中，应尽可能包含更多的磁性粒子。 铁或氧化物针状粒子： 铁或氧化物针状粒子：r-Fe2O3, CrO2,Fe, 钡铁氧体 典型的：微粒大小10~20nm 典型的：微粒大小
3）状态密度不同导致两种自旋电子子带数量不同:
Ni
铁磁金属的3d能带劈裂
自旋极化率:
p = (D↑ − D↓ ) (D↑ + D↓ )
p1 (Fe ) = 0.44 ,
P2 (Co ) = 0.34
4)当电流流经铁磁金属 时形成自旋极化电流。 这也意味着，当电流从 FM层通过欧姆接触的 界面流进顺磁金属(PM) 时也是自旋极化的，称 为： ”自旋积累”(spin 自旋积累”
accumulation)
自旋积累的大小取决于FM/PM 自旋积累的大小取决于 界面上自旋注入率和spin flip率 界面上自旋注入率和 率
5பைடு நூலகம்自旋扩散长度
自旋积累在一个长度范围内呈指数衰减，这 个长度称为“自旋扩散长度 自旋扩散长度”。 自旋扩散长度
Fermi velocity Spin flip time Mean free path
Free CoFe/NiFe/Ta/NiFe
Buffer Ta
Synthetic Pin
HRF
作用：提高材料巨磁阻效应， 作用：提高材料巨磁阻效应，提高自由层效率
数据的写入过程 电流反向写“ 电流反向写“1” 不变写“ 不变写“0”
碰头为“ 碰头为“1” 追尾为“ 追尾为“0” 数据的读出过程
3. 垂直磁记录技术
1975 日本东北大学 岩崎峻一教授提出 垂直记录技术把数据位改为垂直排列, 垂直记录技术把数据位改为垂直排列,在减小数据位的表 面积的同时不会出现超顺磁性 超顺磁性. 面积的同时不会出现超顺磁性. 垂直磁记录技术（ Recording， 垂直磁记录技术（Perpendicular Magnetic Recording， PMR）的实质还是提高微粒密度， PMR）的实质还是提高微粒密度，它通过形成垂直的磁记 录位， 录位，在不改变磁微粒大小的情况下减小磁记录位所占的 面积（如果以后要继续扩大容量， 面积（如果以后要继续扩大容量，还是需要通过减小磁微 粒体积的方法来实现，小到一定程度时，同样会发生“ 粒体积的方法来实现，小到一定程度时，同样会发生“超 顺磁”现象）。 ）。采用垂直磁记录技术的硬盘目前在容量上 顺磁”现象）。采用垂直磁记录技术的硬盘目前在容量上 还有很大的潜力， 还有很大的潜力，至少在未来相当长一段时间内将是存储 市场的主流。 市场的主流。
Cap Ta Pinning PtMn Outer Pin CoFe HM CoPt Inner Pin CoFe Spacer Cu Free CoFe/NiFe Buffer Ta HM CoPt
Cap Ta Pinning PtMn Outer Pin CoFe Inner Pin CoFe Spacer Cu
2. 硬盘磁盘片的构成
盘片是硬盘中承载数据存储的介质，硬盘是由多个盘片叠加在一起， 盘片是硬盘中承载数据存储的介质，硬盘是由多个盘片叠加在一起， 互相之间由垫圈隔开。 互相之间由垫圈隔开。 硬盘盘片是以坚固耐用的材料为盘基，其上在附着磁性物质， 硬盘盘片是以坚固耐用的材料为盘基，其上在附着磁性物质，表面被 加工的相当平滑。因为盘片在硬盘内部高速旋转（ 加工的相当平滑。因为盘片在硬盘内部高速旋转（有5400转、7200转、 转 转 10000转，甚至 转 甚至15000转），因此制作盘片的材料硬度和耐磨性要求很 转），因此制作盘片的材料硬度和耐磨性要求很 所以一般采用合金材料，多数为铝合金。 高，所以一般采用合金材料，多数为铝合金。
垂直磁记录介质材料： 垂直磁记录介质材料：纳米晶材料
磁各向异性具有垂直于膜面的易磁化轴， 磁各向异性具有垂直于膜面的易磁化轴， 同时具有高的饱和磁化强度, 同时具有高的饱和磁化强度,热稳定性和高的居里温度 钴基或铁基材料： 钴基或铁基材料：Co-Cr, Co-Cr-Nb，Co-Cr-Pt-Cu等 ， 等 FeTbGa，FeCr，FeTi等 ， ， 等 典型的：晶粒大小10~60nm 典型的：晶粒大小
垂直磁记录介质材料
在LuIG薄膜中观察到的纵向和垂直磁畴结构 薄膜中观察到的纵向和垂直磁畴结构
4.几种巨磁阻磁头结构 4.几种巨磁阻磁头结构
几种新型的自旋阀结构
复合钉扎层结构
L1 Ta
L1 Ta
Cap Ta Pinning PtMn HM CoPt Pinned CoFe Spacer Cu Free CoFe/NiFe Buffer Ta HM CoPt
记录波长： 记录波长：λ = v / f
磁头 工作缝隙 磁带 磁带运动方向
剩磁
磁性层
感应式磁头的缺点： 感应式磁头的缺点：
TFI的读出电压与线圈匝数及磁通变化率成正比， TFI的读出电压与线圈匝数及磁通变化率成正比，为了 的读出电压与线圈匝数及磁通变化率成正比 检测与高密度信息相对应的微弱剩磁通， 检测与高密度信息相对应的微弱剩磁通，必须增加线圈的 匝数和增加硬盘的线速度。 匝数和增加硬盘的线速度。 线圈匝数的增加不仅增加工艺难度，同时也引起磁头阻 线圈匝数的增加不仅增加工艺难度， 抗的增加，对提高磁记录密度是不利的。 抗的增加，对提高磁记录密度是不利的。 随着硬盘小型化，硬盘线速度相应下降， 随着硬盘小型化，硬盘线速度相应下降，对出信号幅度 会变得更小。 会变得更小。 在设计上， 在设计上，感应式薄膜磁头读写过程使用相同的前间隙 尺寸，不可能实现最佳的读写效率。 尺寸，不可能实现最佳的读写效率。
6）自旋积累的大小
x
界面自旋密度 Substituting typical numbers of J = 1000Acm−2, vF = 106 ms−1, λ = 5 nm, lsd = 100 nm gives a value of spin density of 1022 m−3 as opposed to a total electron density of about 1028 m−3.
杂散磁场 磁记录位
过渡区
巨磁阻磁头工作原理
c
a
Magnetic field
b
Magnetic Bit
S N S N S N S
Rotation direction of the magnetic drug
巨磁阻磁头工作原理示意图
W-迹宽 迹宽 B-位宽 位宽 t-介质厚度 介质厚度 d-磁头 介质飞行高度 磁头/介质飞行高度 磁头
GMR单元结构：自旋阀结构 单元结构： 单元结构
自由层（ 自由层（free layer） ） 导电层/隔离层（ 导电层 隔离层（spacer） 隔离层 ） 钉扎层（ 钉扎层（pinned layer） ） 反铁磁交换层（ 反铁磁交换层（AFM layer)
GMR磁头单元结构 磁头单元结构
两个电极： 两个电极：电流沿着薄膜平面方向
Cap Ta Pinning PtMn Outer Pin CoFe Inner Pin CoFe Spacer Cu Free CoFe/NiFe Buffer Ta
Basic GMR Synthetic Pin 作用：增加钉扎场， 作用：增加钉扎场，提高性能稳定性
高阻自由层结构
L1 Ta
L1 Ta
磁阻磁头的结构 磁阻磁头的结构
MR磁头是由TFI MR磁头是由TFI磁头和 磁头是由TFI磁头和 MR读出磁头复合而成 读出磁头复合而成， MR 读出磁头复合而成 ， TFI磁头只用作记录头 磁头只用作记录头， TFI磁头只用作记录头， 无需增加线圈圈数， 无需增加线圈圈数 ， 不 仅简化了工艺， 仅简化了工艺 ， 而且有 利于记录效率的提高。 利于记录效率的提高 。 MR磁头用作读出磁头 磁头用作读出磁头， MR 磁头用作读出磁头 ， 使用处于读屏蔽之间的 磁阻元件， 磁阻元件 ， 读出记录媒 体上的剩余磁通， 体上的剩余磁通 ， 以获 得最佳的读出灵敏度。 得最佳的读出灵敏度。
第三讲 巨磁阻磁头
1）铁磁材料得铁磁性起源于交换相互作用 (Exchange interaction)。交换相互作用引起巡回 电子导带的交换劈裂 交换劈裂(splitting)。 交换劈裂 2）3d能带的劈裂导致电子状态密度(DOS)的不同:
电子状态密度： 电子状态密度： 单位能量间隔内E～ 包含自旋的电子状态数， 单位能量间隔内 ～E+dE包含自旋的电子状态数，D(E) 包含自旋的电子状态数 Fermi面： 面 基态下电子填充到的最高等能面 Fermi面把基态下波矢空间已被占据的态和未被占据的 面把基态下波矢空间已被占据的态和未被占据的 态分开 只有Fermi面附近的电子才容易被激发 只有 面附近的电子才容易被激发 电流是Fermi面附近的能态占据状况发生变化引起的 电流是 面附近的能态占据状况发生变化引起的
• 磁头是硬盘中对盘片进行读写工作的工具，是硬盘中最精 磁头是硬盘中对盘片进行读写工作的工具， 密的部位之一。磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的。 密的部位之一。磁头是用线圈缠绕在磁芯上制成的。 • 硬盘在工作时，磁头通过感应旋转的盘片上磁场的变化来 硬盘在工作时， 读取数据；通过改变盘片上的磁场来写入数据。 读取数据；通过改变盘片上的磁场来写入数据。 • 为避免磁头和盘片的磨损，在工作状态时，磁头悬浮在高 为避免磁头和盘片的磨损，在工作状态时， 速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触， 速转动的盘片上方，而不与盘片直接接触，只有在电源关 闭之后，磁头会自动回到在盘片上的固定位置（ 闭之后，磁头会自动回到在盘片上的固定位置（称为着陆 此处盘片并不存储数据，是盘片的起始位置）。 区，此处盘片并不存储数据，是盘片的起始位置）。