巨磁电阻及其原理

物理学前沿——巨磁电阻及其原理

一、概述

磁电阻效应( M a g n e to r e s is ta n e e , M R )是指材料在外磁场下电阻发生改变的物理现象。150年前T .T ho m so n首次发现,常规的铁磁材料,如铁,钻,镍,它们的电阻与磁场和电流的相对方向相关,被称为各向异性磁电阻效应( A n is o tr o Pi c Ma g n e to r e s i st a n e e , A M R )。现在,已经知道A M R效应源于电子的自旋一轨道祸合作用,通常铁磁材料的磁电阻效应很小,只有百分之几。

磁电阻效应在技术应用中非常重要, 特别是在硬盘中作为读出头, 探测硬盘每个磁存储单元产生的微弱磁场。19 5 6年, IBM的科学家Reynold Johnson 发明了世界上第一个计算机硬盘当时采用电磁感应的方法读写信息 ,这种方法需要存储单元产生较强的磁场 ,因此存储单元很大,密度很小,最大只能达到20 M

b/in^2。直到20世纪80年代末期,IBM 在技术上实现了突破, 成功地在硬盘读出头中使用磁电阻效应, 增强了读出头的磁场灵敏度, 使得硬盘的存储密度大幅度提高, 达到了5 G b/in^2。在19 8 8年之前, 人们通常认为磁电阻效应很难再在T homson的基础上有大的提高, 磁场传感器的灵敏度不可能再有质的飞跃, 进

而大幅度的提高硬盘的存储密度, 这意味着磁盘技术将被光盘所淘汰。因此, 当1988年AlbertFert 和Peter Grunberg分别领导的两个独立的研究小组在磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应时, 立刻引起了科学家与企业界的关注。所谓巨磁电阻效应,是指材料在一个微弱的磁场变化下产生很大电阻变化的物理现象。2007年诺贝尔物理学奖授予了独立发现该效应的法国科学家AlbertFert和德国科学家Pe ter Grunberg 。利用材料的巨磁电阻效应,研制出了新一类磁电阻传感器—GM R 传感器。与传统的磁阻传感器相比, GMR传感器具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小等优点, 有广泛的应用前景。

对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通常用电阻变化率Δr/r 描述。研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可达（3~5）%。所谓巨磁电阻（GMR）效应，是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增

大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。

二、巨磁电阻材料的进展

1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe 多层膜中的层间偶合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr 多层膜中发现其Δr/r在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR效应的概念，在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au…..等具有显著GMR

效应的层间偶合多层膜。自1988年发现GMR效应后仅3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜。

1992年人们利用两种磁矫顽力差别大的材料（例如Co和Fe20Ni80）制成Co/Cu/Fe20Ni80/Cu多层膜，他们发现，当Cu层厚度大于5nm时，层间偶合较弱，此时利用磁场的强弱可改变磁矩的方向，以自旋取向的不同来控制膜电阻的大小，从而获得GMR效应，故称为自旋阀。与此同时，1992年A.E.Berkowitz和Chien等人首次发现了Fe、Co与Cu、Ag分别形成二元合金颗粒膜中的磁电阻效应，在低温下其Δr/r可达（40~60%随后陆续出现了Fe-Ag、Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag 等颗粒多层膜。

1993年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比GMR更大的磁电阻效应，即colossal magneto- resistance（CMR）庞磁电阻效应，开拓了GMR研究的新领域。 GMR效应的理论是复杂的，许多机理至今还不清楚；对于这些理论也分为层间交换偶合（IEC）、磁性多层膜的GMR、隧道磁电阻（TMR）等类型，详情可参阅有关文献。

三、巨磁电阻传感器的进展

在发现低磁场GMR效应之后，1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR

器件—自旋阀。同年，美国的IBM公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头，它将磁盘记录密度提高了17倍，达5Gbit/6.45cm2（in2），目前已达11Gbit/6.45cm2（in2）。这种效应也开始用于制造角度、位置传感器；用于数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等领域。作为传感器它具有功耗小、可靠性高、体积小、价格便宜和更强的输出信号等优点。最近已研制出利用CMR效应的位置传感器。

2000年7月在德国的德雷斯顿举行的第3届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议上，关于GMR传感器的论文占论文总数的1/3以上，可见人们的关注程度。

巨磁电阻效应最重要的应用是在计算机硬盘中作为读出头, 它创造了上百亿美元的产值的产业, 这在上文中已经给予介绍。巨磁电阻还可以用于磁场传感器、电压隔离器等, 其中巨磁电阻或隧道磁效应下一个最重要的应用是磁性随机存储器(M a g n e to r e sis ta n c e R a n -d o m A e e e ss Me m o r y, MR A M ) 。M R A M 利用磁性材料的双稳态特性来存储信息, 用磁电阻效应来读出数据,所有的存储单元都集成到集成电路芯片中。这种存储器最大的优点是断电后, 数据依然保存, 不会消失, 而且还具有速度快和功耗低等优良特性。2 0 0 6 年美国飞思卡尔半导体公司最先推出MR A M 芯片, 现在已经生产的最大容量为4 兆。中国科学院物理所韩秀峰研究员的课题组, 也成功的研制出基于隧道磁电阻效应的M R A M 的原型器件, 取得了重大的进展。M R A M 的应用已经逐渐开始, 随着新的技术的引人, 它的容量和速度还在迅速提高, 有望从性能上超过半导体D R A M , 成为一个全新的产业方向。硬盘读出头和M R A M 的应用主要是以金属或绝缘体材料为主。近年来, 随着研究的发展, 人们对自旋的研究又转向了新的材料, 如有机材料、半导体等应用潜力更大的材料。研究发现在这类新自旋材料中自旋扩散长度更长, 而且在无机半导体材料中可以通过电场产生、调控和探测自旋, 全半导体的隧道磁电阻效应已经在实验室实现, 这些进展无疑把自旋电子学的应用推向了更广阔的领域, 为将来新的器件和应用提供更多的可能性。

AlbertFert 和Peter Grunberg发现了巨磁电阻效应, 并迅速的推广和应用, 这使得电子的自旋第一次被得以应用, 吸引了无数科学家的目光。巨磁电阻效应揭示了电子自旋属性的作用, 促进了电子学和磁学两个独立的学科的相互融合, 孕育了自旋电子学的诞生。自旋电子学正处于快速的发展时期, 方兴未艾, 前程无量。巨磁电阻效应是纳米技术的一个分支, 它的成功成为了纳米技术迅速发展的重要推动力。在纳米材料领域, 许多令人振奋的科学发现和技术应用的挑战相互交织, 不断的吸引大批的科学家和工程师共同推动科学技术的发展和进步。