巨磁阻材料
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2.磁致电阻磁头
• 磁阻磁头是基于“磁阻效应”的。 • 当磁性材料处于一个外部磁场中时,如果 磁场的方向和磁性材料中电流的方向不同, 那么该磁性材料的电阻会随着施加于它的 磁场的强度而变化
• 磁阻磁头采用多层膜结构 。
磁阻磁头的最大缺点就在于磁阻变化率低,通 常不会超过5%,虽然经历了很多次改进,但 这个缺点仍然没有彻底解决。
GMR 读出磁头在计算机信息存储中 的应用
• 在98年左右,巨磁阻磁头开始被大量应用 于硬盘当中,从那时起,短短的几年时间 里,硬盘的容量就从4G提升到了当今的几 个T以上。
下面按时间的先后顺序分别介绍历史上的 三项重要的磁头技术,每一项在当时都具 有划时代的意义,它们分别是:感应磁头、 磁阻磁头和巨磁阻磁头。
• 英国物理学家N. F. Mot t ( 诺贝尔奖获得者) 指出: 在磁性物质中, 电子和磁性导体中原 子的磁撞几率( 自旋相关的散射) 取决于电 子自旋和磁性原子磁矩的相对取向, 如果电 子的自旋反平行于磁性导体的磁化方向, 其 散射就较强, 这些电子的电阻将比平行自旋 的电子的电阻来得大。
左面和右面的材料 结构相同,两侧是 磁性材料薄膜层 (红色),中间是 非磁性材料薄膜层 (蓝色)
1.感应磁头
• 读、写操作都是基于“电磁感应”原理的 。 • 读取数据时,磁头和盘片发生相对运动,金属切割 磁力线,金属中会产生“感应电势”。感应电流的 方向就代表了磁记录位的磁场的方向。
缺点
• 随着存储密度的提高,磁记录位越来越小, 感应磁头的体积也必须同时缩小,这样才 能确保不会读取到相邻的磁记录位的信息。 但是,靠切割磁力线所产生的电流是十分 微弱的,磁头越小,读取到的信号也就越 微弱,而且越容易受到干扰。
• 盘片上涂有磁性物质,这些磁性物质是由 无数的“磁畴”组成的,每个磁畴都有S/N 两极,像一个小磁铁 。
磁畴
• 从原子结构来看,铁原子的最外层有两个 电子,会因电子自旋而产生强耦合的相互 作用。这一相互作用的结果使得许多铁原 子的电子自旋磁矩在许多小的区域内整齐 地排列起来,形成一个个微小的自发磁化 区,称为磁畴。 • 在无外磁场时,各磁畴的排列是不规则的, 各磁畴的磁化方向不同,产生的磁效应相 互抵消,整个磁质不呈现磁性。
巨磁阻材料简介
2007年物理诺贝尔奖
法国科学家阿尔贝· 费尔(左)和德国科学 家彼得· 格林贝格尔(右) 先后独立发现了“巨磁电阻”效应。
• 看看你的计算机硬盘存储能力有多大,就知 道他们的贡献有多大了。 • 司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费 品,居然都闪烁着耀眼的科学光芒。 • 诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩 的知识,它往往就在我们身边,在我们不曾 留意的日常生活中。
• 20 世纪70 年代, 固体物理学家应用纳米技 术, 能够制备出不同质地的强磁纳米膜和弱 磁纳米膜 。纳米级的薄膜, 其厚度仅有数个 原子层。
多层磁膜的材料,这种材料是由厚度仅为几个 原子的铁磁纳米材料薄膜与非磁性金属纳米膜 层叠而成。
• 1988 年, 法国巴黎大学的费尔教授所在的研 究小组与德国尤利希研究中心的彼得-格林 贝格尔的研究小组分别意外地发现了非常巨 大的磁电阻效应。
• 谢谢
• 格林贝格尔的研究小组在最初的工作中只是 研究了由铁、铬、铁三层材料组成的结构物 质,实验结果显示电阻下降了1.5%。而费 尔的研究小组则研究了由铁和铬组成的多层 材料,使得电阻下降了50%。
• 费尔的实验结果。横坐标为磁化强度,纵坐标为 磁化时电阻与无磁化时电阻的比值;三条曲线分 别显示了三种不同厚度结构的铁、铬薄膜层。
3、巨磁电阻磁头
• 巨磁阻效应可分为基于半导体氧化物的巨 磁阻效应以及基于多层金属膜的巨磁阻效 应。 • 巨磁阻效应可分为基于半导体氧化物的巨 磁阻效应以及基于多层金属膜的巨磁阻效 应。硬盘中的巨磁阻磁头属于后者。
• 巨磁阻磁头的核心部分是四层膜:自由膜、 非磁性膜、引线膜和反铁磁膜。 自由膜的作 用是对盘片上的磁记录信息作响应。 • 通过检测电阻的变化就可以得到反映磁记录 位的磁场方向和磁通强度的函数
自旋电子学
在研究巨磁电阻效应的过程中, 迅速发展起来一门新兴的学 科——自旋电子学( Spintronics) 。自旋电子学包括磁电子 学与半导体自旋电子学两个方面。
20 世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起, 但从物理 的观点来看, 它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性。 电子不仅具有电荷,同时又具有自旋!磁电子学所涉及的 主要是与自旋相关的输运性质,自旋极化是磁输运的核心。 磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动。 半导体自旋电子学则研究如何利用半导体的载流子电荷与 自旋这两个自由度, 既用电场又用磁场来控制载流子 的输运。
一、什么是巨磁阻效应? 二、它是怎样发现的? 三、产生这种效应的物理机制是什么? 四、 在应用方面有哪些意义和前景?
1.磁电阻效应
• 材料的电阻随着外加磁场的变化而改变的效 应。 • 磁性金属和合金一般都有磁电阻现象。
材料的电阻大小不但受外加磁场大小的影响, 而且受外加磁场与材料中电流之间相对方向 的影响, 故称为各向异性磁电阻( AMR) 效应。
3. “超巨磁阻效应”(CMR)
•在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体。 常见于锰钙钛矿化合物。
二、巨磁阻效应的发现过程
• 磁阻效应最初于1856年由开尔文爵士发现。 1、Fe 和N i 放在磁场中, 发现这 些磁性材料在磁场作用下, 沿着 磁场方向测得的电阻增加, 垂直 于磁场方向测得的电阻减小。 2、电阻增加或减小的幅度约在1 %~ 2 %之间。
• 通常以材料电阻的相对改变量来表示磁电 阻的大小, 即用△R/ R( 0) 表示。 • △ R = R( B) - R ( 0) • 对于传统的铁磁导体, wk.baidu.comFe、Co 、Ni 及其 合金等, 在大多数情况下, 磁电阻效应很小 ( 约3 %或更低)
2.巨磁阻效应(GMR)
• 在某种条件下,电阻变化的幅度相当大,比 通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10 余倍,称为“巨磁阻效应”。 • 在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中。
左侧:当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子 通过时,电子较容易通过两层磁性材料,都呈现小电阻。 当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时, 电子较难通过两层磁性材料,都呈现大电阻。这是因为电 子的自旋方向与材料的磁化方向相反,产生散射,通过的 电子数减少,从而使得电流减小。体系的总电阻较小
巨磁电阻效应发现的意义及应用
• 费尔和格鲁伯格的系统因为昂贵和复杂仅适用于 实验室研究;在GMR的工业产品化进程中一位在 美国工作的英国人起了重要作用.他的名字叫斯图 亚特· 帕金,他发现应用相对简单的阴极镀膜方法 构造的GMR系统依然可以很好地工作,而不必构 造完美的纳米膜.应用这种技术,在1997年第一块 GMR硬盘问世,之后GMR磁头迅速成为硬盘生 产的工业标准。巨磁电阻的发现,打开了一扇通 向极具价值的科技领域的大门,其中包括数据存 贮和磁传感器.如今全世界有数以千计的科学家正 致力于磁电子学及其应用的研究.
斯特恩-盖拉赫实验 :一束银原子通过非均匀 的磁场,发现银原子分裂为两束。
S
N
S
原子射线
N
通常人们会把自旋理解为电子自身的转动,但这种 图像是不成立的,理由可归纳如下: 1.迄今为止的实验,未发现电子有尺寸的下限,即 电子是没有大小的; 2.如果把电子自旋考虑为刚体绕自身的转动的话, 即假设自旋是某种经典的对应,我们解出的角动 量量子数只能是整数,因此无法解释偶数条条纹; 3.如果把电子自旋设想为有限大小均匀分布电荷球 围绕自身的转动的话,电荷球表面切线速度将超 过光速,与相对论矛盾;
• 不久的将来,我们将会用上使用“隧道磁 致电阻”效应的硬盘,而早在93年,比巨 磁阻效应更强的“庞大磁致电阻”效应就 已经被发现了,其磁阻变化率大于99%。 所以说,在可以预见的未来,硬盘的存储 密度仍然会保持飞速的增长,其应用的物 理效应也会越来越微观,越来越复杂。
GMR 在随机存储( MRAM) 中的应 用
• 从20 世纪70 年代开始, 内存广泛采用的随 机存储器( RAM) 主要是半导体动态存储器 ( DRAM) 和静态存储器( SRAM)。 • 人们用GMR 研制成了巨磁电阻随机存储器 ( MRAM) ,优点是断电后数据依然保存, 不 会消失。
巨磁电阻传感器的应用
• 磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、 方向和变化。 • 当今, 在家用电器、汽车、自动控制等方面 涉及到的角度、转速、加速度、位移等物 理量的测控, 均可以利用GMR 磁传感器件 来实现 • 汽车刹车的抱死系统( ABS)
三、巨磁阻效应产生的机制
• 该效应是一种量子力学和凝聚态物理学现 象,物理根源归因于磁性导体中与传导电 子的自旋相关的散射。
1、电子
电子有没有自旋?
2、电子的自旋
• 根据泡利不相容原理(在一个原子中, 不能 有两个或两个以上的电子处在完全相同的 量子态)和以及光谱的精细结构(反常塞 曼效应),在1925年,不到25岁的年轻大 学生乌伦贝克和高斯米提出了电子自旋的 大胆假设,认为电子除了有轨道运动以外, 还存在着由自身属性所决定的固有运动, 称为电子自旋运动。