上世紀80年代末，隨著磁性多層膜中巨磁電阻(GMR)的發現，以及對其巨大国产成人在线观看免费网站潛力的認識，對該效應的係統研究開始了。他們(men) 還對多層結構的磁性進行了基礎研究，如果想為(wei) 基於(yu) 巨磁阻的設備提供合適的操作條件，這一點非常重要。從(cong) 發現到商業(ye) 化利用，用了不到10年的時間。1997年底，第1批配備新技術讀頭的硬盤驅動器被賣給了客戶。如今，基本上整個(ge) 硬盤磁頭生產(chan) 已經轉向多層磁阻器件。
磁阻設備
圖1.1概述了這種磁讀頭傳(chuan) 感器的原理，以及隨後的一些發展和設想。圖(a)給出了麵內(nei) 電流GMR傳(chuan) 感器的原理圖，因為(wei) 它曾在硬盤讀磁頭中使用過一段時間。由非磁性但導電的間隔層隔開的至少兩(liang) 個(ge) 鐵磁層(FM)堆疊的電導率可以在兩(liang) 個(ge) 磁性層的磁化方向彼此更平行或更反平行的情況下發生顯著變化。從(cong) 技術上講，其中一層通常被設計為(wei) 硬磁層，它受通常的外部磁場的影響很小，而另一層被稱為(wei) 軟磁層，它很容易對外加磁場的變化做出反應。這種效應的巨大尺寸使得我們(men) 可以檢測到硬盤上的雜散磁場的微小變化，就像軟磁層的磁排列中的微小偏差一樣，這反過來又使磁盤製造商能夠減少檢測單個(ge) 比特信息所需的磁盤上方雜散場的數量，並相應地減小其尺寸。這導致了磁性硬盤存儲(chu) 密度的年增長率的變化，在1997年之前，它以每年60%的速度快速增長，從(cong) 那時起，它以每年驚人的100%的速度加速增長。
一個(ge) 相關(guan) 的效應，隧道磁阻(TMR)，如圖1.1b所示。雖然在GMR效應發現之前，但在90年代，當它被討論在磁性數據存儲(chu) 方麵的可能国产成人在线观看免费网站時，它經曆了複興(xing) 。這種效應依賴於(yu) 電子在兩(liang) 個(ge) 鐵磁層之間的自旋極化隧穿，穿過薄的絕緣屏障，通常是超薄的氧化物間隔層。如果考慮隧道過程中的自旋守恒，則在兩(liang) 個(ge) FM層磁化方向平行的情況下，隧道效應發生在多數態和多數態之間，以及少數態和少數態之間。如果它們(men) 是反平行的，大多數電子從(cong) 一個(ge) 調頻層隧穿到另一層的少數態，反之亦然。一般情況下，在這兩(liang) 種情況下，參與(yu) 態的密度和隧道概率會(hui) 不同，從(cong) 而導致隧道磁電阻。係統的基礎研究zui終幫助將室溫下的隧道磁阻比提高到220%。
圖1.1基於(yu) 薄膜磁性器件的一些現代概念。a巨磁阻:兩(liang) 個(ge) 或更多鐵磁層堆疊中金屬電導率與(yu) 磁化方向的相對方向的關(guan) 係。在它被發現後不久，這一效應就被国产成人在线观看免费网站於(yu) 設備，例如硬盤驅動器的讀磁頭。b隧道磁阻:兩(liang) 個(ge) 鐵磁層之間穿過絕緣阻擋層的隧道電流依賴於(yu) 磁層中磁化方向的相對方向。例如，這種效應目前国产成人在线观看免费网站於(yu) 數字磁記錄的讀磁頭，並將用於(yu) 目前正在開發的未來磁隨機存取存儲(chu) 器。c自旋轉矩傳(chuan) 遞:由兩(liang) 個(ge) 鐵磁層組成的納米結構堆棧中，由自旋極化電子對其中一層磁化所施加的轉矩引起的鐵磁層磁化的電流感應開關(guan) 。這是一種在磁阻器件中轉換磁化強度的方法，目前正在深入研究中。d自旋晶體(ti) 管:三端器件，其中發射極(E)和集電極(C)之間的電流取決(jue) 於(yu) 發射極和基極(B)之間的電流，此外，還取決(jue) 於(yu) 兩(liang) 個(ge) 鐵磁層的相對方向。e帶隧道勢壘的自旋晶體(ti) 管:像(d)一樣的三端器件，其中發射極偏置電壓可以用來調節注入集電極的電子的能量。zui後兩(liang) 個(ge) 裝置僅(jin) 僅(jin) 代表了所謂的自旋電子學領域的許多方法中的兩(liang) 種，在未來的設備中，電荷和電子的自旋都被用於(yu) 信息處理
與(yu) GMR相比，TMR元件具有更高的電阻，這在某些国产成人在线观看免费网站中是理想的，但TMR的使用要求電流垂直通過堆棧。2005年，基於(yu) tmr的自旋閥由於(yu) 具有更高的磁阻比而取代了記錄磁頭中的GMR讀取元件，並一直使用至今。然而，進一步縮小尺寸可能會(hui) 在不久的將來強製使用電流垂直平麵GMR傳(chuan) 感器，因為(wei) TMR元件的高絕對電阻是縮小此類傳(chuan) 感器的關(guan) 鍵障礙[56]。與(yu) TMR效應有關(guan) 的另一個(ge) 可能的国产成人在线观看免费网站是磁性隨機存取存儲(chu) 器(MRAM)(見圖1.2)。這個(ge) 想法是有一個(ge) 小的TMR元素陣列，它構成了存儲(chu) 信息的位，其中“磁化平行”代表，例如，“0”，而“磁化反平行”代表“1”。工作原理其實很相似到早期計算機時代的磁芯存儲(chu) 器。zui顯著的區別顯然是大小。mram被宣傳(chuan) 為(wei) 在取代傳(chuan) 統的隨機存取存儲(chu) 器芯片時使計算機的啟動過程過時，因為(wei) 在電源關(guan) 閉後磁性信息仍被保留。第1個(ge) mram原型機可用於(yu) 商業(ye) 国产成人在线观看免费网站。
讀取TMR-MRAM中的信息意味著通過堆棧測量電阻。尋址三層堆疊陣列中某個(ge) 元件的電阻需要一種集成的方案，即在每個(ge) 堆疊下方使用附加二極管交叉字和位線，以便讀取特定元件的隧穿電阻。“0”和“1”狀態然後由一些讀出電子設備來區分。技術上要求更高的是寫(xie) 過程。它需要在元件從(cong) “0”切換到“1”的地方有一個(ge) 非常局部和非常高的磁場，反之亦然，這意味著反轉軟層的磁化方向。提出的書(shu) 寫(xie) 方案包括書(shu) 寫(xie) 字和位線的交叉排列，通過它可以運行相對高的電流。要切換的元件是在電流作用下的兩(liang) 條線的交叉處，因為(wei) 隻有在那裏，兩(liang) 條線的奧斯特場加起來才能達到並超過磁開關(guan) 的臨(lin) 界場。顯然，為(wei) 了實現高度集成的MRAM器件，必須滿足元件的開關(guan) 場分布和避免相鄰元件之間的串擾的嚴(yan) 格要求。為(wei) 此，必須使用分析工具來表征這些元件的開關(guan) 特性。
在發現電流對磁化強度的影響後，提出了另一種寫(xie) 入的可能性，即在小元件中改變磁化強度。如圖1.1c所示，如果高電流垂直穿過多層堆疊，則電流在穿過第1層磁層後將部分自旋極化。這種自旋極化電流對另一層的磁化施加轉矩，反之亦然。這可以用來逆轉軟層的磁化，前提是電流密度足夠高。通常需要107-108 A/cm2;這隻有在元素的麵積足夠小的情況下才能實現。
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