巨磁阻效应

巨磁阻效应的原理及应用

李恒毅

2015202020005

摘要：本文叙述了巨磁阻效应的原理及其应用：原理部分进行了简单阐述，

并举出了五种常见的例子进行说明；应用方面则消息说明了巨磁阻效应在

计算机磁盘、测量电流以及激光探测器方面的应用。最后对这一理论成果

的进一步应用做出了展望。

0 引言

巨磁阻效应在1988年由德国于利希研究中心的彼得·格林贝格和巴黎第十一大学的埃尔伯·费尔分别独立发现。格林贝格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%。格林贝格和于利希研究中心享有巨磁阻技术的一项专利，他最初提交论文的时间要比费尔略早一些（格林贝格于1988年5月31日，费尔于1988年8月24日），而费尔的文章发表得更早（格林贝格于1989年3月，费尔于1988年11月）。费尔准确地描述了巨磁阻现象背后的物理原理，而格林贝格则迅速看到了巨磁阻效应在技术应用上的重要性。

自从巨磁阻效应被发现以来，由于其在计算机硬盘读取磁头、磁传感器以及磁记录方面的中大应用价值，引起了广泛的关注，使得对它的基础研究以及应用和开发应用几乎是齐头并进的，成为当前凝聚态物理研究和材料科学的前沿和热点之一。这是由于这点，上面提到的埃尔伯·费尔和彼得·格林贝格二人在2007年获得诺贝尔物理学奖。

1 巨磁阻效应的原理及其示例

磁致电阻（MR）指的是外磁场导致的电阻的变化，通常定义为一个无量纲的比值：

其中R(H)和R(0)分别是有外加磁场H和零磁场(H=0)情形下的电阻。普通（非磁）金属的磁致电阻有三个基本特征：正的磁阻（），磁阻很小（）和各向异性。最后一个特性指的是磁阻的大小依赖于外磁场和外电场（电流方向）的夹角，横向磁阻（外磁场垂直于外电场）通常大于纵向磁阻（外磁场平行于外电场）。正的磁阻起因于载流子在运动中受到磁场的洛伦兹力，偏离原来的运行轨迹，引起附加的散射效应。

巨磁阻的三个基本特性与普通金属恰好相反。它们分别是负的磁阻（），磁阻很大（）和各向同性。各向同性是指磁阻的大小与外磁场的方向无关，这是因为巨磁阻的机理与磁场导致的洛伦兹力是无关的。

已经发现具有巨磁阻效应的材料有很多，其特性不同，产生的机理也不同。粗略的来说，可以分为以下几类：

1.1、磁性多层膜

巨磁阻多层膜由适当的铁磁层（如Fe, Co, Ni等）和非铁磁层（如Cu, Cr, Ag等）相间生长而成。由于磁晶各向异性，在外磁场作用下，沿着易轴和难轴方向的磁阻曲线是不一致的。目前提出了许多理论来解释这一现象。这些理论的焦点问题是界面的粗糙度所引起的电子自选相关散射。从经典角度看，粗糙度引入了界面的反射与透射系数；从量子角度看，它引入了自旋相关散射势。

目前常用的制备方法有分子束外延、电沉积法和超高真空蒸发以及磁控溅射。其中磁控溅射法所得到的GMR较大，应用最为普遍。

1.2、颗粒膜

颗粒膜中的巨磁阻效应在2005年左右被发现。它通常是指微颗粒（纳米量级）弥散于薄膜中所产生的复合膜，如常见的Fe, Co微粒嵌于Ag, Cu等薄膜中构成。而颗粒膜都属于非均匀相组成的体系，颗粒膜中的异相界面对电子运输性质和电、磁、光等特性都有明显的影响。颗粒膜与多层膜有许多相似之处，二者都属于二相或者多相复合非均匀体系。但颗粒膜中的颗粒是呈混乱的统计分布，其工艺制备比较简单实用，常见的方法有共蒸发、共溅射、离子注入等。但实验室常用的磁控溅射及粒子束溅射等方法来制备。颗粒膜中的巨磁阻效应主要来自界面电子散射，而颗粒膜内部的的电子散射对巨磁阻效应贡献是较小的。磁性颗粒膜巨磁阻效应存在的问题是：由于铁磁颗粒处于超顺磁态，获得巨磁阻效应需要非常高的饱和磁场。

一些实验研究了在某一温度下，巨磁阻效应随颗粒浓度而变化的情况。首先，岁颗粒浓度提高，巨磁阻效应也提高，在某一浓度下巨磁阻效应达到最大值。随着颗粒浓度的进一步提高，巨磁阻效应反而下降。另外有一些试验，则研究了颗粒尺寸（即退火温度）与巨磁阻效应之间的关系。研究表明，存在最值的退火温度（即适当的颗粒尺寸）使巨磁阻效应最大。

1.3、具有钙钛矿结构的锰氧化物

它是以金属-氧化物为基的化合物，具有类似的钙钛矿型结构。为了与传统的金属多层膜类型的巨磁阻材料（GMR）相区别，称锰氧化物类型的巨磁阻材料为CMR. 此种巨磁阻材料是继铜氧化物高温超导材料发现以来的又一重大发现。早期研究表明，当它处于Neel温度以下时，Mn粒子的磁矩在a-b面上呈铁磁性排列，沿c轴方向呈反铁磁性排列。呈铁磁性排列的Mn-O层被无磁性的La-O层所隔开。这种磁有序结构是本征的，类似于铁磁性金属/非磁性金属多层膜中的情形。

1.4、磁性半导体

磁性半导体由于具有特别高的载流子迁移率也就显示出巨磁阻的特性。当外磁场强度使磁通量大于1T并且温度高于绝对温度100度时，对于本征区未掺杂或者低掺杂的，它的磁阻遵从，式中和分别为电子和空穴的迁

移率。由于迁移率较高，因而磁阻很大。但是，低磁场下也观测到很大的磁阻，原因尚不明确。

1.5、隧道巨磁阻

它在形式上属于多层膜结构之一，由于导电机理的特点，常将它作为单独一类。磁性多层膜的巨磁阻效应一般发生在磁性层/非磁层/磁性层之间，其中非磁层为金属层。对于非磁层为半导体或绝缘材料的磁性多层膜体系，若在垂直于膜面即横跨绝缘材料层的电压作用下可以产生隧穿电流，便形成了隧道磁电阻效应。“磁性金属/非磁绝缘体/磁性金属”的隧道结构，如果两铁磁电极的磁化方向平行，一个电极中多数自旋子带的电子将进入另一个电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一电极进入另一电极子带的空态，此时隧穿几率大；如果两电极的磁化方向反平行，则一个电极中的多数子带的自旋与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋平行，这样隧道电导过程中一个电极中的多数自旋子带的电子将进入另一电极的少数子带的空态，即一个电极中的多数自旋子带的电子必须在另一个电极中寻找少数目的空态，此时隧穿几率最小。

隧道巨磁阻的磁场灵敏度非常高，因为隧道巨磁阻效应的饱和磁场非常低，磁电阻灵敏度高，同时，磁隧道结这种结构本身电阻率很高，能耗小，性能稳定，所以隧道巨磁阻被认为有很大的价值。

2 巨磁阻效应在工业上的应用

计算机从发明之初到现在，其技术的飞速发展是有目共睹的：从最早的庞然大物ENIAC