"Наноэлектронный" этап развития накопителей информации на магнитных дисках

Основные положения лекции 10

В информатике ферромагнетики давно применяются в составе разнообразных сенсоров и устройств памяти. Особенно успешными оказались накопители информации на жестких магнитных дисках. На пути микроминиатюризации они почти всегда были лидерами. На протяжении 50 лет, начиная от первого такого накопителя (1956 г.), плотность записи информации в них возрастала в среднем приблизительно вдвое за каждые 2 года.

Переход ширины магнитных дорожек и размера отдельных "битов" в наноразмерную область и дальнейшее их уменьшение нуждались в значительном усовершенствовании магнитных считывающих головок, в повышении точности их позиционирования, быстродействия и чувствительности электронных схем считывания/записи.

Значительный прорыв произошел в 90-х годах ХХ в., когда для считывания начали применять магниторезистивные головки. Этому содействовало открытие и изучение "гигантского", "туннельного" и "колоссального" магниторезистивных эффектов.

"Гигантский" магниторезистивный эффект наблюдается в сверхрешетках, полученных поочередным напылением в глубоком вакууме пленок ферромагнитного и обычного металла с противоположным направлением намагничивания соседних ферромагнитных слоев. Он связан с тем, что электрическое сопротивление ферромагнетика для электронов проводимости со спином, ориентированным против и вдоль направления намагниченности, может различаться в 10 и более раз.

"Туннельный" магниторезистивный эффект наблюдается в сверхрешетках, в которых слои ферромагнетика чередуются со сверхтонкими слоями диэлектрика, и соседние ферромагнитные слои противоположно намагничены. Он связан с тем, что вероятность туннельного проникновения электронов сквозь слой диэлектрика существенно возрастает, если в соседние ферромагнетики одинаково намагничены.

"Колоссальный" магниторезистивный эффект наблюдается в частично замещенных манганитах лантана и других редкоземельных элементов со структурой типа перовскита и химической формулой , где – редкоземельный элемент, – атом металла с валентностью, меньше чем у . Эффект связан со спонтанным намагничиванием отдельных областей кристалла, образованием хаотически ориентированных доменов и с тем, что переход электронов проводимости из одного домена в другой значительно облегчается при одинаковой или близкой ориентации направлений их намагниченности.

Открытие и исследование гигантского, туннельного и колоссального магниторезистивных эффектов позволило создать значительно более чувствительные и компактные головки для считывания информации с магнитных дисков, обеспечившие возможность считывания информации, записанной с плотностью свыше 30 Гб/см².

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. От каких параметров зависит плотность записи информации на магнитном диске? Напишите и объясните расчетную формулу.
2. Какие проблемы надо решать при росте плотности записи информации на магнитный диск? Назовите их.
3. В чем заключается "гигантский" магниторезистивный эффект?
4. Что такое "спин-зависимость" электрического сопротивления ферромагнетиков?
5. Как объясняется "гигантский" магниторезистивный эффект? Начертите эквивалентную электрическую схему сверхрешетки для случаев отсутствия и наличия сильного внешнего магнитного поля.
6. В чем заключается "туннельный" магниторезистивный эффект?
7. Как объясняется "туннельный" магниторезистивный эффект? Начертите эквивалентную электрическую схему сверхрешетки для случаев отсутствия и наличия сильного внешнего магнитного поля.
8. Как объясняется "колоссальный" магниторезистивный эффект?
9. Как устроены ГМР и ТМР считывающие головки? Изобразите и объясните их работу.
10. Как устроена КМР-головка? Изобразите и объясните ее работу.
11. Какие преимущества принесло создание и применение магниторезистивных считывающих головок?
12. Как изменялись основные размеры по мере повышения плотности магнитной записи информации?
13. Как удается объединять магниторезистивную считывающую головку с индуктивной головкой для записи? Изобразите комбинированную головку.