楊朝堯、陳柏全、楊鈞量、賴志煌／清華大學材料與工程學系
磁性材料本質具有磁性的南北極，是一個可以作為二進位位元計算的材料，用來定義0與1，此為磁記憶體的基本運作概念。本篇文章首先簡介了磁性材料的基本性質與磁性異向性，作為磁記憶體在設計上的一種參考；接著我們介紹了磁性記憶體面臨的三個要求：儲存、讀取、寫入，針對各個面向的需求、基本工作原理以及可能面臨的問題探討；繼之點出現有的自旋轉移矩寫入技術所面臨的問題，藉此導出未來可能脫穎而出的自旋軌道矩寫入技術；最後總結磁記憶體科技整體的優點以及未來應用相關的展望。
【內文精選】
磁性材料簡介
1. 永久磁鐵與磁滯曲線
磁性材料的應用最早可以追溯到利用羅盤（指南針）來指引方向，原因在於磁性材料的南北極對於地磁敏感的性質。而這種南北分明的二極性被視為一個做為電腦二進位計算的基本位元，可以用來定義0與1，這樣的材料特色也開啟了磁記憶體科技的一頁。
磁性材料的基本性質如圖一(a)所示。此為磁性材料的磁滯曲線，代表磁化量對應外加磁場的關係圖。原點O代表未磁化狀態，如圖一(b)左圖所示，材料內部的小磁鐵是散亂狀態，沒有一淨磁化量；隨著外加磁場逐漸加大，如途徑A到B，材料內部小磁鐵被外加磁場磁化逐漸產生磁的序化度，組態關係對應到圖一(b)中、右兩圖，B的狀態為磁性材料能達到的最大磁化量，表示磁性材料內部的小磁鐵已經被磁化到近單一方向。此時的磁化量又稱飽和磁化量(Ms)，而隨著外加磁場減小至零場狀態，會有一殘餘磁化量(Mr)，代表無外在磁場的狀態下亦有磁性，此為永久磁鐵的本質；而隨著外加磁場反向在磁滯曲線上會與磁場軸有一交點，對應到沒有磁化量的狀態，我們稱此時的磁場為矯頑磁場(Hc)，表示要將材料內部小磁鐵反向磁化所需要的磁場大小。而根據Hc 的大小又可將磁性材料分成硬磁（Hc大）和軟磁（Hc小），依照不同的應用，我們可以從磁性材料的磁滯曲線去做判斷和設計。
圖一、(a)磁性材料的磁滯曲線，代表磁化量對應外加磁場的關係圖；(b)三個狀態分別代表未磁化、小磁場磁化與大磁場磁化材料的磁矩狀態，分別對應到磁滯曲線的O、A、B三點
2. 磁異向性
異向性(Anisotropy)在材料科學上是一個非常重要的議題，代表著材料的物理性質會因為量測的方向而有不同，而大多數與材料的晶體結構有關。例如圖二中施加磁場在鈷的[0001]晶體方向，能夠有效率地磁化鈷的磁極，如圖二(a)中的紅色曲線，能夠在小磁場的條件下就使磁化量達到飽和；但如果是沿著鈷的[11-20]方向施加磁場，鈷則不容易飽和而呈現一種緩慢的磁化行為，如圖二(a)的藍色曲線。從這種異向性的分析，我們就定義鈷的[0001]方向為易磁化軸，[11-20]為難磁化軸，而產生這種磁的難易磁化性質成因，除了晶體結構以外，仍有其他幾種原因…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
圖二、(a)沿著鈷的[0001]與[11-20]兩個晶體方向量測磁滯曲線的第一象限，[0001]方向在小磁場的狀態下，相較於[11-20]方向即可達到飽和狀態，稱為鈷的磁易軸(Easy-axis)，而[11-20]稱為磁難軸(Hardaxis)，把磁矩在這些晶體方向上對能量作圖的關係即為(b)所示，在易軸上磁矩呈現低能量狀態，在難軸上呈現高能量不穩定，故在正常情況下磁矩傾向坐落在易軸上，這種隨著量測方向產生磁化的難易程度，稱為磁性材料的磁異向性
★本文節錄自《工業材料雜誌》407期，更多資料請見下方附檔。