Гиганский магниторезестивный эффект

Помимо простейшей сэндвич-структуры  существуют многослойные структуры  с многочисленными чередующимися  слоями проводящих магнитных и немагнитных  материалов. В таких структурах GMR-эффект выражен сильнее (обычно ∆R/R = 12–16%), чем в сэндвич-конструкции. Правда, при этом для насыщения (уменьшения сопротивления) требуется большее  внешнее магнитное поле – 250 Э. Толщина  слоев меньше, чем в трехслойной  структуре (обычно 1,5–2 нм), и она  имеет критическое значение. Лишь при определенной толщине разделительного  немагнитного слоя электроны проводимости вызовут атниферромагнитную связь  магнитных слоев. В противном  случае связь магнитных полей  слоев структуры — ферромагнитная, и GMR-эффект не возникает.

Для создания головок, способных работать при слабых магнитных полях, было предложено "фиксировать" (to pin) направление  магнитного поля одного слоя сэндвич-структуры, с тем чтобы при наложении  внешнего магнитного поля изменение  ориентации в слое с нефиксированным  магнитным полем относительно ориентации в слое с фиксированным полем  приводило к ощутимому изменению  сопротивления структуры. Для получения  фиксированной ориентации в структуру  добавляется четвертый так называемый обменный слой сильного антиферромагнетика (как правило, FeMn или NiO). Такая структура  получила название спинового затвора (Spin Valve — SV) (рис.2). Направление фиксированного магнитного поля задается путем нагрева GMR-структуры до температуры, превышающей  температуру блокирования магнитного материала. При такой температуре  уже не существует антиферромагнитной связи между слоями ферромагнетиков. Структура охлаждается в сильном  магнитном поле, фиксирующем поле слоя. Рабочая температура спинового  затвора не может превышать блокирующую  температуру, поскольку в противном  случае магнитное поле слоя перестает  быть фиксированным. Если внешнее магнитное  поле параллельно плоскости фиксированного слоя, при изменении его ориентации сопротивление структуры изменяется с высокого на низкое (рис.3). При подаче внешнего поля перпендикулярно фиксированному полю сопротивление минимально при нулевом поле и велико как при положительном, так и отрицательном значении магнитного поля (рис.4). Для таких структур

∆R/R = 4–20%,

магнитное поле насыщения – 10–80 Э.

 

 

Рисунок 2-Структура спинового вентиля

 

Рисунок 3-Зависимость сопротивления спинового вентиля от напряженности внешнего магнитного поля, направленного параллельно плоскости фиксированного слоя. Коэффициент гигантского магниторезистивного эффекта-6%

 

Рисунок 4-Зависимость сопротивления спинового вентиля от напряженности внешнего магнитного поля, направленного перпендикулярно плоскости фиксированного слоя. Коэффициент гигантского магниторезистивного эффекта-2,4%

 

Большая чувствительность к внешним  магнитным полям получена в спин-зависимых  туннельных (Spin Dependent Tunneling – STD) структурах (рис.5). В таких структурах слои ферромагнетиков разделены тонким слоем диэлектрика, и их сопротивление определяется значением тока, туннелирующего через барьер. Значение туннельного тока, направленного перпендикулярно слоям структуры, определяется направлениями векторов магнитных полей слоев ферромагнетиков. Согласно последним данным специалистов компании Nonvolatile Electronics (NVE), США, отношение магнитосопротивления этих элементов с пленкой окиси алюминия в качестве туннельного барьера составляет 70%, а исследователи Университета Тохоку (Япония) использовали в качестве барьера пленку оксида магния и получили отношение 355%!

Напряженность магнитного поля насыщения, зависящее от материала магнитных  слоев и метода обеспечения параллельной и антипараллельной ориентации, колеблется в пределах от 1,25 до 125 Э, что и  обеспечивает создание чрезвычайно  чувствительных магнитных датчиков. Благодаря наличию изолирующего туннелируемого слоя сопротивление  этих элементов велико, и они пригодны для работы с батарейным питанием.

Главные достоинства GMR-датчиков –  высокая чувствительность даже к  незначительному изменению магнитного поля, малые габариты, малая потребляемая мощность, простота объединения с  электронными устройствами. К тому же, благодаря интенсивному электрическому сигналу, формируемому GMR-структурой, снижается  и чувствительность к помехам. Эти  свойства и привели к тому, что  элементы на основе гигантского магниторезистивного  эффекта в первую очередь нашли  применение в считывающих головках жестких дисков. Это позволило  примерно за десятилетие увеличить  плотность записи жестких дисков с 4,1 до 100 Гбайт/кв. дюйм. (Hitachi обещает 4-терабайтные  жесткие диски.)    

Магниторезистивный эффект в тонкопленочных структурах заключается в том, что  сопротивление магнитных пленок в магнитном поле зависит от относительной  ориентации магнитных моментов в  соседних ферромагнитных пленках, разделенных  немагнитной прослойкой. Недавно  открытый гигантский магниторезистивный (ГМР) эффект, определяемый отношением R_max-R_min/R_min (где R_min и R_max - сопротивления магнитных пленок при параллельной и антипараллельной ориентациях магнитных моментов в слоях) достигает десятки процентов при комнатной температуре. ГМР эффект наблюдается в:

многослойных  структурах, содержащих нанослои из ферромагнитных материалов и их сплавов Fe, Ni, Co, чередующихся с нанослоями из благородных металлов Cu, Ar, Au;

гранулированных пленках, изготовленных из несмешивающихся  магнитных и немагнитных полупроводников;

многослойных  спин-вентильных (два тонких магнитных  слоя, разделенных тонким (25A-30Е) слоем Cu) и спин-туннельных структурах (два  тонких ферромагнитных металлических  слоя, разделенных тонким диэлектрическим  слоем);

магнитных сэндвичах - спин-вентильные структуры без  пиннингового слоя. [2]

 

 

 

 

2 Применение GMR-эффекта.

2.1 GMR-головки

 

С начала 50-х годов прошлого столетия фирма IBM была первой в изобретениях, касающихся жестких дисков. И около 50 лет спустя именно она была той  компанией, которая представила  на суд общественности GMR-головки  – головки с гигантским магниторезистивным эффектом. Они используют те же принципы, что и обычные MR-головки, но обладают несколько другой конструкцией, что  делает их более чуствительными, чем  предшественники. GMR-головки имеют  в своем названии слово «гигантский» не потому, что у них большой  размер – их размер меньше, чем у  средней MR-головки. Они называются так  в честь названия “гигантский  магниторезистивный эффект. Используя  накопленный опыт Питера Грюнберга  и Альберта Ферта, инженеры и ученые фирмы IBM, экспериментируя с тысячами различных материалов и дизайнов, разработали GMR-головки. В декабре  1997 года фирма IBM представила первый накопитель на жестких магнитных дисках, использующий GMR-головки. GMR-головки состоят из четырех слоев различных материалов, собранных воедино наподобие сэндвича: 1) Free layer – свободный слой, как видно из названия. В нем электроны могут свободно менять свою ориентацию, сделан из сплава никель-железо. 2) Spacer – разносчик – этот слой сделан из ненамагничеваемого материала, а именно – меди, для разноса взаимного магнитного влияния свободного слоя и пин-слоя. 3) Pinned-layer — пин-слой – состоит из кобальта, находится в фиксированной магнитной ориентации. 4) Exchange layer — обменный слой – название говорит само за себя ;-) Если не вдаваться в глубокую физику процесса, то GMR-головка работает примерно следующим образом. Когда она пролетает над магнитным полем одной поляризации (скажем, пусть это будет “0”, записанный на пластине), электроны на свободном уровне приходят в соответствие с электронами на пин-уровне, это создает достаточно малое сопротивление головки. Когда магнитная головка пролетает над магнитным полем другой поляризации (скажем, пусть это будет “1”, записанная на пластине), электроны на свободном уровне приходят в обратное соответствие с электронами на пин-уровне, это создает увеличение сопротивления головки. Таким образом, изменение сопротивления головки вызывается изменением спина электронов, находящимся в свободном уровне. GMR-головки превосходят по своим параметрам MR-головки: самые современные MR-головки изменяли свое сопротивление при переходе от одной поляризации к другой на 2%, в то время как GMR-головки изменяют свое сопротивление на величину порядка 5-8%. Это означает, что GMR-головки могут улавливать более слабые сигналы, что ведет к поднятию поверхностной плотности записи накопителя. Также они меньше шумят и меньше подвергаются эффектам интерференции. И наконец, обычная GMR-головка меньше размером, чем обычная MR-головка. GMR-головки используются посей день в современных накопителях с поверхностными плотностями записи порядка 10-35 гигабит на квадратный дюйм, и объемами до 200 гигабайт и даже несколько больше. Также, в современном мире, некоторые производителя заявляют, что они разработали и выпускают накопители на магнитных дисках с головками, созданными по технологии CMR – colossal MR, или колоссальная магниторезестивность, но, это не более, чем маркетинговый ход. Единственное, что делает их колоссальными, это несколько другой набор исходных материалов, но структура головки остается такой же, как и в декабре 1997 года. [3]

 

 

2.2 Технология GMR возвращается в новом качестве

 

В скором времени пользователям  компьютеров, цифровых камер и mp3-плееров  не придется, скрепя сердце, удалять  нужные мультимедийные файлы, дабы освободить место в памяти устройств для  записи новых данных.

Японская корпорация Hitachi обещает  к 2011 году создать жесткий диск неслыханного объема. Ее специалистам удалось уменьшить  главный компонент жестких дисков - считывающую головку - до нано-масштабов. В результате максимальный объем  информации, хранимой на жестких дисках настольных и портативных компьютеров, увеличится в четыре раза, до четырех  одного терабайта соответственно. На диск объемом всего один терабайт помещается миллион книг, 250 часов  видеозаписи высокого разрешения или  четверть миллиона музыкальных композиций.

В основе открытия специалистов Hitachi лежит эффект «гигантской магниторезистенции», или GMR.

Типичный накопитель представляет собой блок из жестких дисков, над  поверхностью которых расположены  электромагнитные головки. Они считывают  данные путем регистрации магнитного поля частиц покрытия дисков. На протяжении последних лет наблюдается постоянный прирост емкости благодаря уплотнению расположения байтов, а также установке  более чувствительных считывающих  головок.

Как только специалисты сталкиваются с физической невозможностью дальнейшего  увеличения объема жестких дисков, они приступают к поиску новых  решений. Открытие GMR, которая использует тончайшие слои металлов для фиксирования мельчайших изменений в магнитном поле, стало настоящим прорывом в науке. Благодаря использованию этой технологии с начала 2000-х годов емкость физических носителей начала быстро расти - каждый год она увеличивалась в два раза, сообщает Associated Press.

Впрочем, головки GMR, довольно быстро исчерпали себя, и в производстве стал применяться совсем другой тип  головок. На фоне заявлений экспертов  о том, что существующее в настоящий  момент решение в скором времени  достигнет своего потолка, GMR возвращается как технология нового поколения.

«Мы изменили направление записи и  считывания и усовершенствовали  материалы для достижения лучшей чувствительности», - говорит Джон Бест, главный технолог подразделения Hitachi, занимающегося разработками в области  хранения информации. Как заявляют представители корпорации, тем самым  им удалось создать самый маленький  в мире жесткий диск с головками  размером от 30 до 50 нанометров. Это почти  в две тысячи раз меньше, чем  толщина обычного человеческого  волоса.

«Индустрия переживает настоящий  прогресс, благодаря которому не только увеличивается емкость жестких  дисков, но и уменьшается их размер», - заявляет аналитик и эксперт по рынку компании IDC Джон Райднинг. По его словам, другие компании, занимающиеся производством накопителей, в настоящее  время также исследуют возможности GMR, и уже к 2010 году все диски будут создаваться на основе этой технологии.

 При этом до сих пор  изготовители считывающих головок  жестких дисков отдают предпочтение  структуре спинового затвора.

Но считывающие головки не единственное применение гигантского магниторезстивного эффекта. GMR-датчики находят применение для считывания тока, детектирования линейного, вращательного перемещения  или смещения объектов, регулировки  момента впрыскивания топлива, определения  положения рычага управления двигателем и др.[4]

 

 

 

2.3 Тонкопленочные структуры с гигантским магнитосопротивлением

 

Рисунок 5-Структура STD-элемента. Направление магнитного поля слоя CoFe фиксировано слоем антиферромагнетика IrMn . Ориентация магнитного поля слоя NiFeCo устанавливается в соответствии с ориентацией внешнего магнитного поля

 

 

На базе тонкопленочных структур с  гигантским магнитосопротивлением, осажденных на кремниевые подложки, выполняются  различные элементы датчиков – резисторы, резисторные пары, или полумосты, мосты Уитстона. Для увеличения удельного  сопротивления и минимизации  потребляемой мощности GMR-резисторы, как  правило, выполняются в виде серпантина. В типичном датчике четыре GMR-резистора  формируют мост Уитстона, выходное напряжение которого пропорционально  внешнему магнитному полю. Температурный  коэффициент всех резисторов, изготовленных  из одного и того же материала, одинаков. Два резистора моста представляют собой активные элементы датчика, один из двух оставшихся резисторов присоединяется к источнику питания, а другой – к общему потенциалу. Поверх этих "пассивных" резисторов, выполняющих  функции опорных элементов, наносятся  небольшие экраны из пермаллоя толщиной ~100 нм, защищающие их от воздействия  прилагаемого магнитного поля. Поверхностное  сопротивление всех четырех резисторов одинаковое. Изменение сопротивления  активных GMR-резисторов такого моста  на 10% вызывает изменение его выходного  напряжения на 5%.

Для увеличения чувствительности датчика  в ряде случаев используются дополнительные структуры из пермаллоя, выполняющие  функцию концентраторов магнитного потока. Активные резисторы помещаются в зазор между концентраторами (рис.6). Отношение размера зазора между концентраторами к длине  одного из них примерно определяет насколько напряженность магнитного поля, воздействующего на эти резисторы, больше напряженности приложенного поля. Концентраторы могут выполнять  и роль экранов, если разместить два  других резистора под ними. Чувствительность моста можно варьировать, изменяя  зазор между концентраторами  и их длину. Применение концентраторов позволяет на основе GMR-структуры  с полем насыщения 300 Э создавать  датчики с полем насыщения 15, 50 и 100 Э. Размер датчика компании NVE на основе моста Уитстона с концентраторами  и с общим сопротивлением 5 кОм, смонтированного в восьмивыводной корпус SIOC, составляет 6×4,9 мм.