[科普中国]-磁记录读出头

磁记录读出头是利用记录媒质上的剩余磁场，使得自旋阀的自由层磁化强度方向发生变化，从而引起磁头电阻的变化。电阻的变化通过磁头的电流读出。目前，GMR材料已在磁传感器、计算机读出磁头、磁随机存取存储器等领域得到商业化应用。

研究背景自1988年Baibich在Fe/Cr超晶格多层膜发现巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，GMR)效应以后，巨磁电阻效应及其材料的基础研究和应用研究迅速成为人们关注的热点，随后相继在“铁磁金属/非磁性金属/铁磁金属”结构的自旋阀(Spin Valve，SV)，“铁磁金属/非磁性金属”颗粒膜及“铁磁金属/非磁性绝缘体/铁磁金属”自旋相关隧道结(Spin Dependent Tunneling，SDT)中发现了巨磁电阻效应。1994年在类钙钛矿La-Ca-Mn-O系列中发现庞磁电阻(Colossal Magnetoresistance，CMR)效应。十多年来，巨磁电阻效应的研究发展如此迅速，并且基础研究和应用研究几乎齐头并进，已成为基础研究快速转化为商业应用的国际典范。目前，GMR材料已在磁传感器、计算机读出磁头、磁随机存取存储器等领域得到商业化应用。1

工作原理

GMR材料首先是作为计算机硬盘的读出磁头而被商业化应用的。上图是GMR读出磁头的简单模型。当记录媒质上的剩余磁场作用于磁头时，自旋阀的自由层磁化强度方向发生变化，从而引起磁头电阻的变化。电阻的变化通过磁头的电流读出。下图是IBM公司最早设计的自旋阀型磁头的原理示意图。自由层和钉扎层被非磁性金属层隔开，通过反铁磁层的交换耦合，钉扎层的磁矩被钉扎在y轴方向，自由层磁矩随信号场变化而翻转，自旋阀总的电阻变化，如果自由层的单轴各向异性难磁化轴与信号场取向一致时，电阻的变化与磁场线性响应。目前利用GMR效应来制成GMR磁头主要是使用自旋阀结构。表格是部分自旋阀型磁头一览表。1

性能特点信息技术的发展要求高密度大容量及小型化的外存系统，超高密度磁盘的发展使每记录单元的尺寸减小到亚微米，因而其产生的待读信号场很微弱;另一方面，磁盘的小型化使其线速度减低，传统的感应式磁头无法得到足够的信噪比。虽然用AMR(Anisotropic Magnetoresistance)磁头提高了磁盘的存储密度和灵敏度，且读出信号不受记录媒质运动速度的影响，但其微小的AMR磁电阻率和AMR磁头固有的巴克豪森噪音，是AMR磁头的重要不足。GMR磁头以其大的磁电阻变化率，并克服了巴克豪森噪音，大大地提高了磁头的灵敏度和可靠性，使高密度磁盘技术取得突破。在过去的几年里，磁存储密度以每年60%的速度递增。在存储密度提高的同时，磁头的尺寸却越来越小。下表是对磁电阻磁头设计的主要特征的发展趋势的预测。1

研究趋势IBM公司一直是国际上硬磁盘和磁头生产的主导者。在GMR磁头的研究和商品化方面也不例外。1994年IBM公司首次使用的GMR效应自旋阀磁头，硬盘面密度为1Gb/in2;1995年IBM公司宣布了面密度为3Gb/in2的GMR磁头；其后世界记录一再被打破。1998年IBM公司宣布在磁盘驱动器中使用的商品化GMR多层膜磁头面密度已超过5Gb/in2，而实验室的密度已达20Gb/in2。日本的硬盘和磁头技术也处于世界前列。1994年日本工业界投资10亿日元，从1995年至2000年资助34所大学和21家公司联合实施SRC计划(Storage Research Consortium Program)，该计划的目标是实现GMR磁头面密度20Gb/in2。由于存储技术在信息社会中的重要地位，日本政府又投入50亿日元，从1996年至2001年资助SRC成员单位实施ASET计划(Associationof Super-Advanced Electronics Technology)。ASET计划的目标是实现GMR磁头面密度40Gb/in2。目前，SRC计划和ASET计划1998年已在实验室实现了面密度40Gb/in2，2003年可实现100Gb/in2。我国在GMR材料领域的研究起步较晚，1988年才开始有国家自然科学基金重大项目。虽然在基础研究方面有个别较先进的工作，但在GMR磁头等应用研究方面几乎还是一片空白。鉴于GMR磁头优异的性能，国家应在基础研究和应用研究方面大力扶持。1

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学