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到现在的智能手机（Smart Phone）。

随着中央处理器（CPU）处理能力的提高，多媒体，例如图片、音频以及视频被越来越多的在网络上传播，同时也就带来了大容量存储设备的需求：从最早的5英寸软盘，再到3.5英寸软盘，如主机般大的只有几百兆存储容量的磁盘，到今天只有手掌大却有1~2TB（1TB=1024GB，1GB=1024MB，1MB=1024KB）存储容量的磁盘，存储设备的飞速发展，使网络多媒体文件的传输成为了可能。

而大容量磁盘的出现，归根到底还要依赖于巨磁阻效应。

事实上，在美国前总统克林顿2000年7月向国会提交的美国国家纳米技术启动计划中，电脑硬盘磁头的巨磁阻读传感器已被作为纳米技术在信息存储技术中的第一个应用实例而提出。

然而，当时的巨磁阻效应只是在一维（纵向）实现了纳米尺度，即磁性薄膜材料的“自旋阀”纳米多层膜结构，其横向线宽还超过.巨磁阻效应读头由屏蔽层、巨磁阻传感器以及引线/永磁偏置层组成。

屏蔽层可屏蔽相邻位磁信号及杂散磁场的影响，其效果与读头缝隙宽度有关。

永磁偏置层提供横向磁场，抑制铁自由层中磁畴结构的产生，使铁自由层的此话适量只随外场转动磁化，而不会出现畴壁移动方式磁化，消除读头信号的巴克豪森噪音。

显然，磁盘记录密度的提高要求提高线密度和道密度，即减小线宽和道宽，读头缝隙和读头磁性宽度也应相应的减小，由微米尺寸进入纳米尺寸。

自1999年巨磁阻效应磁头电脑硬盘进入市场以来，适应上述要求的磁头芯片微加工，如纳米精度薄膜沉积和纳米线宽光刻等技术突飞猛进，不断在中多个学术领域挑战极限。

目前的磁盘已经能做到单碟1TB的存储容量，即. 更大容量的磁盘仍在研发中。

而这一切的成果，都要归功于巨磁阻效应。

除了计算机存储设备，即磁盘上的应用，以及利用巨磁阻传感器测量三相电流，这两个重要的应用之外，巨磁阻效应传感器也可用作控制信号，例如电子式电表、过流保护、直流无刷电机、速度和位置检测装置、计数装置、磁性编码器、磁性接近开关、过流保护器等。

譬如巨磁阻效应可以用来测量电力系统三相电流。

由电工原理知，电流流过无限长导线时，在导线的周围产生磁场，并且周围某点的磁场强度大小与该点和导线的垂直距离成反比、与导线上流过的电流成正比，即.巨磁阻传感器是一种测量气场强度的元件，与其他器件不同的是，它直接测量磁场强度而不是感应磁场的变化率，所以测量直流电流也是合适的。

与传统的同向磁阻和霍尔元件相比，巨磁阻传感器有灵敏度高、热稳定性好、体积小、输出线性度好、可靠性高、成本低等特点；同时巨磁阻传感器产生的输出电压要大很多，一般比传统磁电阻效应大一个数量级以上（这也是巨磁电阻名字的由来），并且输出电压与频率的大小是无关的。

对于电力系统来说，三相导线可以近似看成无限长的直导线。

由上面的公式可以知道，巨磁阻传感器所在点的磁场强度，即，其中为一个常系数。

由巨磁阻传感器的输出特性可知，传感器的输出电压与该点地磁场强度呈线性关系，即传感器的输出电压满足关系式，式中和均为常系数。

所以，如果令，则巨磁阻传感器的输入输出关系式为，式中k、c均为常数；i（单位为A）是流过导线的电流；d（单位为mm）是巨磁阻传感器与导线的垂直距离；u（mV）是传感器输出电压的峰值，经过两倍放大后得到（系数k、c将在试验中获得）。

所以，如果已知巨磁阻传感器的输入输出关系式中的系数k和c，通过对传感器输出电压进行一系列处理，就可以得到到线上通过电流的大小，这就是利用巨磁阻传感器测量三相电流的基本原理。

另外巨磁阻类材料中发现的激光感生热电电势效应（LITV）为巨磁阻类材料的应用开辟了新的领域。

基于LITV原理的激光功率/能量计和光热探测器，除了响应时间快（~ns量级）、工作频谱范围宽以及无需外置电源的优点外，还具有良好的稳定性及可扩展性，且器件小巧、简易，制作成本低廉，与传统的热探测器及半导体光子型探测器相比有特别的应用价值和市场前景。

另外薄膜材料温度转变点达到室温（302K）也是一个突破。

通过微电子制造工艺的优化以及材料制备工艺的不断完善，提高器件的稳定性，很好地控制和降低噪声，提高信噪比，则工作于室温条件下的非制冷bolometer的广泛应用将指日可待1制备相应的上述两类器件的阵列元件，对成像类的应用也是非常值得关注的。