巨磁阻效应跟其在自旋电子学方面的运用
巨磁电阻效应及应用实验报告
巨磁电阻效应及其应用2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。
诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。
”凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。
人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。
量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。
图 1 反铁磁有序后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误!未找到引用源。
所示。
则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。
这种磁有序状态称为反铁磁性。
法国科学家奈尔(L.E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。
在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。
另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。
相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。
直接交换作用的特征长度为0.1～0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。
1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。
1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。
巨磁电阻效应及在物理实验中的应用
图５中可以看出，线性最佳范围应在外磁感应强 度０．１５～１．０ ｍＴ，精确测量时可选外磁感应强度在该 范围内。从图５所显示的巨磁电阻Ｒ（Ｂ）与磁感应强 度日关系数据可知：①当磁感应强度曰增加时，巨磁 电阻阻值Ｒ（日）减小；②当磁感应强度Ｂ增加到某一 值Ｂ。时，巨磁电阻中所有磁矩方向均与外磁场方向一 致，这时就达到了电阻阻值饱和，外磁场增加，巨磁电 阻阻值不变。上述这两个特点只能用多层膜巨磁电阻 的自旋电子学理论才能解释。
它是由４个相同的巨磁电阻（Ｒ。＝Ｒ：＝Ｒ，＝Ｒ。＝Ｒ）组
成的直流电桥结构，Ｒ：和Ｒ。由高导磁率的材料（坡莫 合金层）覆盖屏蔽，阻值对外磁场无响应。Ｕ＋端和Ｕ．
端间开路，∥。。和０端为待测电阻的两端，当传感器处 于外磁场时，Ｒ２＝Ｒ４＝Ｒ；Ｒｌ＝Ｒ３＝Ｒ＋ＡＲ，ＡＲ为外磁 场磁感应强度为口时，单个巨磁电阻的电阻改变量；
万方数据
地急剧增加。他们认为，巨磁电阻效应是一种全新的 物理现象，其物理根源可能归因于磁性导体中传导电 子的自旋相关散射口－。巨磁电阻效应的发现极大地 推动了凝聚态物理学和信息存储领域的发展，并逐渐 形成了一门新的学科——磁电子学（又称自旋电子 学）。巨磁电阻效应的研究不仅在学术界引起了广泛 的关注，在经济领域也取得了巨大的成功，计算机上使 用的巨磁电阻（ＧＭＲ）读出磁头在多媒体信息库、网络 服务等方面已经产生了巨大的商业价值和深远的影 响，利用磁电阻效应制成的各类磁传感器，也将在汽 车工业、国防、航天等方面创造出巨大的社会财富。
万方数据
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Ｖ －一
（ｂ）郐铁磁层磁矩平行排列 图２电子受散射示意图
凝聚态物理中的自旋电子学：探索自旋电子学材料与器件在信息存储与处理中的应用
凝聚态物理中的自旋电子学：探索自旋电子学材料与器件在信息存储与处理中的应用摘要自旋电子学作为凝聚态物理的前沿领域，利用电子的自旋自由度，为信息存储和处理带来了革命性的突破。
本文深入探讨自旋电子学材料与器件的特性、工作原理以及在信息存储与处理中的应用。
通过分析巨磁阻效应、自旋注入、自旋霍尔效应等关键技术，以及磁性随机存储器（MRAM）、自旋场效应晶体管（SFET）等新型器件的研发进展，本文旨在展示自旋电子学在提高存储密度、降低功耗、实现新型计算架构等方面的巨大潜力。
引言传统的电子学主要利用电子的电荷自由度进行信息的存储和处理。
然而，随着器件尺寸的不断缩小，摩尔定律逐渐逼近极限，电荷存储和传输面临着功耗、发热等问题。
自旋电子学（Spintronics）应运而生，通过利用电子的自旋自由度，为信息存储和处理提供了新的思路和方法。
自旋电子学不仅可以克服传统电子学的瓶颈，还具有非易失性、高速度、低功耗等优势，为未来信息技术的发展带来了新的机遇。
自旋电子学材料自旋电子学材料是指具有自旋相关特性的材料，如铁磁材料、反铁磁材料、亚铁磁材料、半导体材料等。
这些材料的自旋特性可以通过外加磁场或电流进行调控，从而实现对电子自旋的操控。
1. 铁磁材料：铁磁材料具有自发磁化强度，其电子自旋方向在宏观上呈现一致性。
常见的铁磁材料包括铁、钴、镍及其合金。
2. 反铁磁材料：反铁磁材料的相邻原子磁矩方向相反，宏观上不表现出磁性。
反铁磁材料在自旋电子学中具有重要的应用，如自旋阀、自旋霍尔效应器件等。
3. 亚铁磁材料：亚铁磁材料的相邻原子磁矩方向相反，但大小不等，宏观上表现出较弱的磁性。
亚铁磁材料在磁存储器件中具有重要应用。
4. 半导体材料：半导体材料的自旋特性可以通过掺杂磁性杂质或利用自旋轨道耦合效应进行调控。
自旋电子学半导体材料在自旋场效应晶体管、自旋发光二极管等器件中具有重要应用。
自旋电子学器件自旋电子学器件是指利用电子自旋特性进行信息存储和处理的器件。
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance, GMR）是一种物理现象，指在特定条件下，铁磁或亚铁磁材料中的磁电阻发生显著变化的现象。
这种现象在工业和科研领域具有广泛的应用价值，因此了解其原理及在各领域的应用十分重要。
一、巨磁阻效应的原理巨磁阻效应主要由以下几个因素决定：1.交换耦合：当两个磁性材料之间有耦合作用时，它们的磁矩会互相影响。
在特定的条件下，这种耦合作用会使材料的磁电阻发生显著变化。
2.层状结构：巨磁阻材料通常采用多层膜结构，其中每一层都可以作为电流通道。
当电流垂直于膜面流动时，各层中的磁矩会相互作用，导致电阻发生变化。
3.钉扎场：钉扎场是指材料内部由于杂质、缺陷或其他因素引起的局部磁场。
当电流在材料中流动时，钉扎场会对电流产生散射作用，导致电阻增加。
二、巨磁阻效应的应用巨磁阻效应在多个领域具有广泛的应用价值，以下是几个主要应用领域：1.硬盘读取头：巨磁阻材料制成的硬盘读取头是现代计算机和数据中心的核心组件之一。
由于其具有高灵敏度和低噪音的特性，使得硬盘读取头的读取速度和准确性得到大幅提升。
2.磁传感器：巨磁阻材料制成的磁传感器在医疗、工业和科研领域得到广泛应用。
例如，在医疗领域中，磁传感器可用于检测人体内的金属物体和进行磁场导航；在工业领域中，磁传感器可用于检测电动机和发电机的转子位置；在科研领域中，磁传感器可用于研究物质的磁性和电磁场分布。
3.磁场探测器：巨磁阻材料制成的磁场探测器可用于检测弱磁场和高精度测量磁场方向和大小。
例如，在地球物理勘探、生物医学和核磁共振等领域，磁场探测器具有重要应用价值。
4.磁记忆材料：巨磁阻材料制成的磁记忆材料具有高密度、高速度和高可靠性等优点，可用于数据存储和逻辑运算等领域。
与传统的半导体存储器相比，磁记忆材料具有更高的存储密度和更长的使用寿命。
5.磁场调控：巨磁阻效应还可以用于调控磁场分布和方向，从而在多个领域具有潜在的应用价值。
巨磁阻效应的原理及应用
巨磁阻效应的原理及应用物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。
磁性金属和合金材料一般都有这种现象。
一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR ）。
要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。
种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。
表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数I、自旋量子数s= 1 /2,和总角动量量子数j。
主量子数（n=1 , 2, 3, 4…）会视电子与原子核间的距离（即半径座标r）而定。
平均距离会随着n增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。
角量子数（1=0, 1…n-1）（又称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。
在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。
有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，1=0的轨道叫s轨道，1=1的叫p轨道，1=2的叫d轨道，而1=3的则叫f轨道。
磁量子数（ml= -I, -I+1…0…1-1 , I）代表特征值，。
这是轨道角动量沿某指定轴的射影。
从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。
然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。
所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的第四个量子数一自旋量子数。
这假设以后能被相对论性量子力学所解释。
我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s电子传递，其有效质量近乎于自由电子。
然而电阻则取决于电子从s带跃迁到d带的散射过程，因为跃迁几率与终态的态密度成正比，而局域性的d带在费米面上的态密度是很大的。
这就是过渡金属电阻率高的原因。
这种s-d散射率取决于s电子与d电子自旋的相对取向。
巨磁电阻（GMR ）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
巨磁电阻效应及其应用
巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻效应（GMR）是指一种材料在外加磁场作用下，其电导率发生改变，从而导致电阻率发生变化的现象。
这一现象最早是在20世纪50年代由Alfred G. Yelon等人在垂直于金属层面的磁场作用下观察到的。
但直到1988年，Prinz等人才发现了铁磁性薄膜间的GMR现象，这也使得GMR效应引起了科学家们的广泛兴趣。
GMR效应在接下来的几年里得到了深入研究，被发现可以用于高密度数据存储和无线通讯等多种应用中。
GMR效应可以由一系列不同的物理机制所产生。
其中，最为常见的是自旋環境杂化（SEH）和直接交换耦合（DEC）。
在SEH机制下，电流通过一条薄膜时会造成电子的自旋极化，这个自旋极化可以将与之相邻的薄膜中的自旋磁矩引起旋转，导致自旋的损失。
因此，在自旋磁矩方向相同的情况下，电阻率会较小，而在自旋反向的情况下，电阻率会较大。
在DEC机制下，自旋子交换能会通过金属层之间的电场作用而引起自旋磁矩的反向。
这也可以导致GMR效应的体现，但其具体机理仍有待深入探究。
GMR效应在很多领域都具有重要的应用。
其中最为广泛的是在数据存储中的应用。
磁头读取硬盘上的数据时，通过读取与保存数据时的自旋方向差异来区分不同的数据信息。
而GMR头比传统头更加灵敏，因此能够更准确地读取数据，同时也能够提高数据存储的密度。
此外，GMR效应还可以应用于磁性传感器中。
例如，GMR平面传感器可以精确地测量磁场的强度和方向，因此被广泛应用于导航、探矿以及科学实验中。
此外，GMR还可以应用于生物医学领域中的诊断和治疗。
比如在生命科学中，GMR传感器可以用于检测药物和蛋白质的相互作用，在诊断和治疗中也具有潜在的应用价值。
总之，GMR效应是一种基于材料电导率随磁场变化的现象。
其重要的应用领域包括数据存储、磁性传感器以及生物医学等领域。
随着技术的进步和理解的不断深入，GMR效应将有更多广阔的应用前景。
巨磁电阻效应及应用的原理
巨磁电阻效应及应用的原理巨磁电阻效应的定义巨磁电阻效应是指当外加磁场发生变化时，材料的电阻发生改变的现象。
这种现象的发现和研究引发了巨磁电阻效应的探索和应用。
巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应是由磁性材料自旋极化和电子传输的相互作用引起的。
这种效应主要依赖于磁性材料中的自旋极化态以及电子的传输方式。
当磁场施加在磁性材料上时，磁场与材料中的自旋相互作用会引起自旋的重新排列。
自旋的重新排列会导致电子在材料中的传输行为发生变化，从而影响材料的电阻。
这种自旋排列的重新配置会引起电子的散射和反射，从而影响电子的传输路径和速度。
巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的发现和研究为许多实际应用提供了可能。
以下是巨磁电阻效应的一些主要应用：1.磁存储器：巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中，可用于读取和写入数据。
磁存储器可以储存大量的数据，而且巨磁电阻效应能够实现快速、高密度的读写操作。
2.磁传感器：巨磁电阻效应广泛应用于磁传感器中，用于检测磁场的变化。
磁传感器可以用于地理导航系统、磁共振成像仪、汽车导航系统等。
3.磁阻变传感器：巨磁电阻效应还可应用于磁阻变传感器中，用于检测物体的位置、位移和旋转角度。
磁阻变传感器可以应用于汽车制动系统、手持设备的姿态感知等领域。
4.磁阻随机存取存储器（MRAM）：巨磁电阻效应在磁阻随机存取存储器中的应用有很大潜力。
MRAM具有非易失性、低功耗、高速度和高密度等优点。
5.磁阻式角度传感器：巨磁电阻效应还可以应用于磁阻式角度传感器中，用于检测物体的角度变化。
磁阻式角度传感器可以应用于机械臂、机器人和汽车的转向系统等。
巨磁电阻效应的应用范围还在不断扩大，随着磁性材料和电子技术的进一步发展，巨磁电阻效应的新应用也在不断涌现。
总结巨磁电阻效应是材料的电阻在外加磁场变化时发生改变的现象，其实现需要磁性材料的自旋极化与电子传输的相互作用。
巨磁电阻效应的应用广泛，包括磁存储器、磁传感器、磁阻变传感器、磁阻随机存取存储器和磁阻式角度传感器等。
巨磁电阻GMR是自旋电子学产生的基石
自旋极化电子的特性
lsd
A.电子的输运性质
低温下电子弹性散射的平均时间间隔10-13 秒， 非弹性散射的平均时间间隔10-11 秒， 极化电子自旋保持原有极化方向 平均自由程10nm。 相位干涉长度1m。
的平均间隔时间10-9 秒，
自旋扩散长度100m。
室温下自旋扩散长度
自旋向上↑ 自旋向下↓ 钴 5.5nm 0.6nm 铁 1.5nm 2.1nm FeNi 4.6nm 0.6nm 金银铜铝 1-10m
电子的自旋通常只有在磁性原子附近通过交换作用或者通过自旋 -轨道耦合与杂质原子或者缺陷发生相互作用被退极化。
自旋极化电子的特性
B.电子自旋极化度
当电子通过铁磁金属时，电子由简并态，变成向上(+1/2)和向下(-1/2) 的非简并态，极化度表示为
磁 化 方 向
3d 4s
P=45%
铁磁体
自旋极化度
Co/Cu
Fe/Cr
反铁磁耦合(H=0)
金属多层膜的巨磁电阻
Phys.Rev.Lett.61(1988)2472
A.Fert
G. Binasch, P. Grünberg, et al., PRB 39 (1989) 4828.
1990年Parkin et al 多层膜的交换耦合振荡效应和巨磁电阻效应
磁化强度反平行，RAP电阻大
RAP RP MR% % RP
GMR自旋阀SV
1990年 Shinjo 两种不同矫顽力铁磁层的自旋阀结构
1991年
Dieny
用反铁磁层钉扎一层铁磁层的自旋阀结构
J.Appl.Phys.69(1991)4774
Ag 2 nm FeMn 15 nm FeNi 15 nm Cu 2.6 nm FeNi 15 nm
巨磁电阻效应的原理及应用
巨磁电阻效应的原理及应用1. 巨磁电阻效应的介绍巨磁电阻效应（Giant Magnetoresistance，GMR）是一种描述材料电阻随外加磁场变化的现象。
GMR的发现被认为是短距离存储技术的突破，对磁敏感材料和磁传感器的发展具有重要意义。
2. 巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应的产生与磁性多层膜结构中存在的顺磁性层和铁磁性层之间的相互作用有关。
当外加磁场改变时，磁性多层膜中的磁性层会发生磁矩的重排和旋转，从而导致电子的自旋定向与电子传输方向的关系发生变化。
这种变化会导致电阻的变化，即巨磁电阻效应的产生。
3. 巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：3.1 磁存储器巨磁电阻效应在磁存储领域发挥着重要作用。
由于巨磁电阻效应的出现，磁存储器的读写速度得到了显著提高。
传统磁存储器需要通过读写头的接触来读取数据，而采用巨磁电阻效应材料制成的磁存储器只需通过测量电阻值的变化来完成数据读取，大大提高了读取速度和数据存取密度。
3.2 磁传感器巨磁电阻效应材料常常被用于制作磁传感器。
巨磁电阻效应材料的电阻值随外加磁场的变化而变化，因此可以利用巨磁电阻效应材料制成的传感器来测量磁场的强度和方向。
磁传感器在航空航天、交通运输、医疗设备等领域中得到了广泛应用。
3.3 磁电阻随机存取存储器（MRAM）巨磁电阻效应也被应用于磁电阻随机存取存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）的制造。
MRAM是一种新型的非易失性存储器，兼具闪存和DRAM的优点。
相比传统存储器技术，MRAM具有读取速度快、功耗低、抗辐射等优势。
3.4 理论研究与材料改进巨磁电阻效应的研究也对材料科学领域有着重要意义。
科学家们通过对巨磁电阻效应的原理和机制的研究，不断改进巨磁电阻材料的性能和稳定性，以实现更高的电阻变化率和更佳的传感特性。
4. 结论巨磁电阻效应作为一种重要的磁电效应，具有广泛的应用前景。
巨磁电阻效应及其应用(42014030708323483)
巨磁电阻效应及其应用【思考题】1什么是磁电阻效应和巨磁电阻效应？巨磁电阻效应的发现对物理学和技术应用有什么重要贡献?2为什么铁磁材料中电子散射与电子自旋状态有关？3为什么非磁性层的厚度会影响巨磁电阻效应大小？用RKKY理论理解此现象。
4如何用双电流模型解释磁性多层膜的巨磁电阻效应？该模型除解释巨磁电阻效应外还有哪些应用？5磁性多层膜与自旋阀磁电阻在薄膜结构、性能与应用方面有什么不同？6磁硬盘记录的原理是什么？为什么磁电阻的应用能大大提高磁记录的密度和读写速度？7将多层膜制成GMR元件时一般将其几何结构光刻成微米宽度迂回形状，目的是什么？8将GMR元件用作传感器时，采用桥式电路有什么好处？9在GMR桥式电路中，有时在电桥对角位置的两个电阻表面加磁屏蔽，有时不加，其原因是什么？10如何提高GMR传感器的灵敏度？如何用磁电阻效应测量导线中的电流？11对磁性样品测量应注意哪些问题？为什么先将样品磁化到饱和再进行测量？如何判断样品已经被磁化到饱和状态？12你认为巨磁电阻效应的发现者能获得诺贝尔物理学奖的理由是什么？13如果你自己要制备一个有巨磁电阻效应的磁性多层膜，薄膜结构应满足那些条件？【引言】2007年12月10日，法国物理学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国物理学家彼得·格伦贝格（Peter Crünberg）分别获得了一枚印着蓝白红标志的2007年诺贝尔物理奖章,他们各自独立发现的巨磁阻效应（giant magnetoresistance, GMR）[1，2]。
早在一百多年前，人们对铁磁金属的输运特性受磁场影响的现象，就做过相当仔细的观测。
莫特的双电流理论，把电子自旋引入对磁电阻的解释，而巨磁电阻恰恰是基于对具有自旋的电子在磁介质中的散射机制的巧妙利用。
目前巨磁电阻传感器已应用于测量位移、角度等传感器、数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等很多领域，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件等优点。
巨磁阻效应及其在自旋电子学方面的应用
巨磁阻效应及其在自旋电子学方面的应用巨磁阻效应（GMR）是指在引入薄膜和多层膜晶体学领域中，利用磁性材料的巨磁阻效应来实现高灵敏度的磁传感器和高容量的存储技术。
巨磁阻效应是一种基本的物理现象，它能够改变材料电导率，从而使材料的电阻率随磁场变化。
它得到了广泛的应用，在磁性材料的测量、传感、存储以及自旋电子学等方面具有广阔的应用前景。
巨磁阻效应的应用1. 磁传感器巨磁阻效应可用于制造磁传感器，如磁阻计、磁导弹波传感器和磁触头等。
这些传感器可以用于检测磁场的变化，包括用于测量和控制电机和发电机的磁场、磁卡读头以及其他磁场测量和控制应用。
这些传感器具有高精度、高速度和低噪音等特点。
2. 存储器巨磁阻效应可用于制造高密度磁存储器。
从最初的几百兆字节到现在的几百千兆字节，磁存储器的容量已经有了巨大的提高。
随着存储芯片的微型化和集成化，巨磁阻效应在存储器方面的应用变得更加有效。
3. 自旋电子学自旋电子学是一种奇近效应现象，是一种可以利用操纵电子自旋的电学和磁学技术的新型电子学。
自旋最根本的特征是它自身具有磁矩，可以与晶体中的磁场相互作用。
不同于传统的基于电子电荷的电子学技术，自旋电子学技术的研究将有望在未来的纳米电子学和计算机中得到广泛应用。
巨磁阻效应将成为未来自旋电子学的重要组成部分，可以用于制造自旋电子学器件，如磁性电阻、磁隧道结、自旋阻抗和自旋导体等。
自旋电子学也受到了越来越多的关注，它可能会打破德鲁德电子传导中的阻抗序列，提高信息处理的速度，解决低功耗、高速度和高容量存储器的问题。
总结巨磁阻效应从上个世纪90年代开始逐渐得到关注并得到了广泛的应用，其首次在高密度磁盘驱动器中被使用并取得了巨大的成功。
随着技术的不断发展和深入研究，巨磁阻效应展现出了越来越多的潜力，将成为未来高精度和高容量磁传感器、存储器以及自旋电子学器件的重要组成部分。
巨磁电阻效应及应用实验报告
巨磁电阻效应及应用实验报告巨磁电阻效应及应用实验报告引言在现代科技领域中，材料科学的发展一直是一个重要的研究领域。
巨磁电阻效应作为一种重要的磁电效应，在材料科学中具有广泛的应用前景。
本实验旨在探究巨磁电阻效应的原理和特性，并通过实验验证其在实际应用中的可行性。
一、巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应是指在外加磁场作用下，材料电阻发生变化的现象。
这一效应的发现对磁性材料的研究和应用带来了革命性的变化。
巨磁电阻效应的原理主要是基于磁矩自旋相互作用和电子传输过程中的自旋极化效应。
当外加磁场作用于材料时，磁矩会发生定向排列，导致电子在材料中传输时会受到不同程度的散射，从而改变了材料的电阻。
二、实验方法1. 实验材料准备本实验选用了一种常见的巨磁电阻材料，如铁磁合金。
首先，将铁磁合金样品切割成适当的尺寸，并对其进行表面清洁处理，以确保实验的准确性。
2. 实验装置搭建将铁磁合金样品固定在实验装置中，并连接电源和电流计，以便测量电阻的变化。
同时，设置一个可调节的磁场装置，用于施加外加磁场。
3. 实验步骤首先，将实验装置置于零磁场环境中，测量铁磁合金样品的初始电阻。
然后，逐渐增加外加磁场的强度，并测量相应的电阻值。
记录每个磁场强度下的电阻值，并绘制电阻-磁场曲线。
三、实验结果与分析通过实验测量得到的电阻-磁场曲线如下图所示。
从图中可以看出，在外加磁场作用下，铁磁合金样品的电阻发生了明显的变化。
随着磁场的增加，电阻呈现出逐渐减小的趋势。
图1：电阻-磁场曲线根据实验结果可以发现，铁磁合金样品在外加磁场作用下呈现出典型的巨磁电阻效应。
这是由于外加磁场改变了材料中磁矩的排列方式，导致电子在传输过程中受到不同程度的散射，从而改变了电阻值。
四、巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应在实际应用中具有广泛的潜力。
其中最典型的应用就是磁存储技术。
通过利用巨磁电阻效应，可以实现高密度、高速度的磁存储器件。
此外，巨磁电阻效应还可以应用于传感器、磁场测量和磁性材料的研究等领域。
巨磁阻效应的原理及应用
巨磁阻效应的原理及应用1. 引言巨磁阻效应（Giant Magneto Resistance，简称GMR）是一种材料特性，是指在外加磁场下，材料电阻发生大幅度变化的现象。
由于其在信息存储、传感器等领域具有广泛的应用，因此对其原理及应用进行深入研究和了解具有重要意义。
2. 巨磁阻效应的原理巨磁阻效应源于磁性多层结构材料中的自旋阻尼效应和磁性交换效应。
当多层结构材料中的两个磁性层之间被非磁性层隔开时，自旋极化电流通过这些层会引起阻尼之间的传递，导致电阻发生变化。
巨磁阻效应的原理可以用以下几点进行解释：•磁性多层结构：采用多层薄膜结构，其中包含不同磁性层和非磁性层。
•自旋极化电流：施加自旋极化电流时，电子的自旋会对电子传输产生影响。
•自旋阻尼效应：自旋极化电流通过磁性层时，会与该层磁矩发生相互作用，引起自旋的阻尼。
•磁性交换效应：自旋极化电流引起的自旋阻尼会与相邻磁性层之间的磁性交换作用产生耦合，导致电阻变化。
3. 巨磁阻效应的应用3.1 磁存储器巨磁阻效应在磁存储器中有广泛应用。
磁存储器利用外加磁场的变化，改变磁性多层结构材料中的电阻，从而存储和读取信息。
巨磁阻效应的高灵敏度和可控性，使得磁存储器具有更高的容量和更快的速度。
3.2 磁传感器巨磁阻效应也可以应用于磁传感器中。
磁传感器利用材料的电阻变化来感应磁场的变化。
巨磁阻传感器具有高灵敏度、宽工作范围和低功耗的特点，广泛应用于磁测量、地磁导航和磁生物学等领域。
3.3 磁电阻头巨磁阻效应还可以用于磁电阻头的制造。
磁电阻头是读取硬盘驱动器中存储信息的装置，利用材料电阻的变化来感知磁场中的数据。
巨磁阻效应的高灵敏度和稳定性，使得其在磁电阻头中有广泛的应用。
3.4 其他应用领域除了上述应用领域，巨磁阻效应还可应用于磁生物学、磁传导等领域。
例如，巨磁阻效应可以用于生物传感器中，实现对生物磁场的检测和分析。
此外，巨磁阻效应还可以用于磁传导器件中，实现磁传导的控制和调节。
巨磁电阻效应的原理及其应用
Ｍ ａ ｎ ｔ ｅｄ（ Ｇ） ｇ ｅｉ ｆ ｌ ｋ ｃｉ
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图 １ （ ） 温 时 Ｆ ／ ／ ｅ三 层 膜 电 阻 随 磁 场 的 变 化 ， ａ室 ｅ Ｃｒ Ｆ 插 图 是 三 层 膜 的 结 构 示 意 图 。 （ ） 温 下 （ ｅ Ｃｒ ｂ低 Ｆ／ ） 多 层 膜 的 磁 电 阻 ， 图 为 样 品 的 结 构 示 意 图 插
在 １８ ９ ８年 之 前 ， 们 通 常 认 为 磁 电 阻 效 应 很 难 再 在 人
Ｔｏ ｏ ｈ ｍｓ ｎ的基 础 上 有 大 的提 高 ， 场传 感 器 的 灵 敏度 不 磁 可 能再 有 质 的 飞 跃 ， 而 大 幅 度 的 提 高 硬 盘 的 存 储 密 进 度 ， 意 味着 磁 盘 技 术 将 被 光 盘 所 淘 汰 。因 此 ， １ ８ 这 当 ９８
元很大， 密度 很 小 ， 大 只能 达 到 ２ ／Ｉ 。直 到 ２ 最 ０ Ｍｂ ｉ２ １ ０世 纪８ ０年 代末 期 ，Ｂ 在 技 术 上 实 现 了突 破 ， 功 地 在 硬 ＩＭ 成
盘读 出头 中使 用 磁 电 阻 效 应 ， 强 了读 出 头 的 磁 场 灵 敏 增 度 ， 得硬 盘 的存储 密 度 大 幅 度 提 高 ， 到 了 ５Ｇｂ 。 使 达 ／
１ 引 言
磁 电阻 效 应 （ ｇ ｅｏ ｅｉｔｎ ｅ Ｍａ ｎ ｔｒｓｓａ ｃ ，ＭＲ） 指 材 料 在 是 外 磁 场 下 电 阻 发 生 改 变 的 物 理 现 象 。 １ ０ 年 前 Ｔ． ５ Ｔｈ ｍｓ ｎ首 次 发现 ， ｏ ｏ 常规 的 铁磁 材 料 ， 铁 、 、 ， 们 如 钴 镍 它 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 （ ｉ ｔｏ ｉ Ｍａ ｎ ｔｒｓ ｔｎ ｅ Ａｎｓ ｒ ｐｃ ｏ ｇ ｅｏ ｅｉ ａ ｃ ，ＡＭＲ） ｓ 。
巨磁电阻效应及其应用(42014030708323483)
巨磁电阻效应及其运用123为什么非磁性层的厚度会影响巨磁电阻效应大小？用RKKY理论懂得此现象.4若何用双电流模子解释磁性多层膜的巨磁电阻效应？该模子除解释巨磁电阻效应外还有哪些运用？5磁性多层膜与自旋阀磁电阻在薄膜构造.机能与运用方面有什么不合？6磁硬盘记载的道理是什么？为什么磁电阻的运用能大大进步磁记载的密度和读写速度？7将多层膜制成GMR元件时一般将其几何构造光刻成微米宽度径直外形,目标是什么？8将GMR元件用作传感器时,采取桥式电路有什么利益？9在GMR桥式电路中,有时在电桥对角地位的两个电阻概况加磁屏障,有时不加,其原因是什么？10若何进步GMR传感器的敏锐度？若何用磁电阻效应测量导线中的电流？11对磁性样品测量应留意哪些问题？为什么先将样品磁化到饱和再进行测量？若何断定样品已经被磁化到饱和状况？12你以为巨磁电阻效应的发明者能获得诺贝尔物理学奖的来由是什么？13假如你本身要制备一个有巨磁电阻效应的磁性多层膜,薄膜构造应知足那些前提？【引言】2007年12月10日,法国物理学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国物理学家彼得·格伦贝格（Peter Crünberg）分别获得了一枚印着蓝白红标记的2007年诺贝尔物理奖章,他们各自自力发明的巨磁阻效应（giant magnetoresistance, GMR）[1,2].早在一百多年前, 人们对铁磁金属的输运特点受磁场影响的现象,就做过相当细心的不雅测. 莫特的双电流理论,把电子自旋引入对磁电阻的解释,而巨磁电阻恰好是基于对具有自旋的电子在磁介质中的散射机制的奇妙运用.今朝巨磁电阻传感器已运用于测量位移.角度等传感器.数控机床.汽车测速.非接触开关.扭转编码器等许多范畴,与光电等传感器比拟,它具有功耗小,靠得住性高,体积小,能工作于良好的工作前提等长处.运用巨磁电阻效应在不合的磁化状况具有不合电阻值的特色,可以制成随机存储器（MRAM）,其长处是在无电源的情形下可持续保存信息.巨磁电阻效应在高技巧范畴运用的另一个重要方面是微弱磁场探测器.巨磁电阻薄膜材料的广泛运用, 也是纳米材料的第一项现实运用, 它使得人们对磁性尤其是纳米尺寸的磁性薄膜介质之输运特点的研讨有了突飞大进的成长,由此带来盘算机存储技巧的革命性变更, 从而深入地改变了全部世界.【试验目标】经由过程纳米构造层状薄膜的巨磁电阻效应及不合构造的GMR传感器特点测量和自旋阀磁电阻测量,懂得磁性薄膜材料和自旋电子学的有关常识,并由磁电阻和巨磁电阻的汗青成长, 及症结人物解决问题的思惟办法,熟悉诺贝尔物理奖项目巨磁电阻的道理.技巧,和对科学技巧成长的重要进献.领会试验的设计与实行,懂得其道理和办法,体验科学发明的精华与快活,促进学生慢慢形成体系的物理思惟,期望由此启示学生对物理科学和高新技巧的浓重兴致.【试验道理】一磁电阻与巨磁电阻效应磁电阻MR（magneto-resistance 的缩写符号）效应是指物资在磁场的感化下电阻产生变更的物理现象.磁电阻效应按磁电阻值的大小和产活力理的不合可分为：正常磁电阻效应(Ordinary MR: OMR).各向异性磁电阻效应(Anisotropic MR: AMR).巨磁电阻效应(giant MR: GMR)和庞磁电阻效应(Colossal MR: CMR)等.表征磁电阻效应大小的物理量为MR,其界说有两种,分别为：（1）式中R(0)为外加磁场为零时样品电阻,R(H)为不合外加磁场下样品电阻,R(Hs)为外加磁场使薄膜磁化饱和时样品的电阻.第一种界说的磁电阻比率低于100%,以为电阻的变更来源于反铁磁性的电阻,缺点是H = 0时其实不老是完全反铁磁耦合态.第二种界说以为电阻的变更来源于铁磁态电阻,更经常运用于盘算.巨磁电阻效应是指在必定的磁场下材料电阻急剧减小,一般减小的幅度比平日磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍.为了强调磁电阻的明显变更,在 “磁电阻”之前加上“巨”（“giant”）,称为“巨磁电阻”（“GMR”）.巨磁电阻效应是在1988年由 A. Fert 研讨团队的Baibich 等人和 Grunberg团队的 Binash 等人同时发明.两个团队都是运用分子束外延分别发展Fe/Cr 超晶格和 Fe/Cr/Fe 三层膜体系,当临近两层Fe 层的磁化偏向随外加磁场由反平行改变成平行状况时,薄膜电阻敏捷降低的现象.图 1 是Baibich 等人所不雅察到 Fe/Cr 超晶格在 4.2 K 下电阻随磁场的变更关系.因为该电阻降低的值异常明显,被称为巨磁电阻效应.之后人们在Fe/Cu,Fe/Al,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag 和Co/Au 等许多纳米构造的多层膜中都不雅察到明显的巨磁阻效应.留意到图 1 中非磁性层的厚度对巨磁电阻效应有明显的影响.Parkin 等人在1990年不雅察到Fe/Cr 多层膜中,MR 值随相邻磁性层的交换耦合而变更[3].交换耦合是指两种不合的磁性材料彼此亲密接触,或被一个足够薄的层（一般小于 6 nm ）分隔,自旋信息可以在两种磁性材料间传递,使它们的磁矩有一优先的相对取向.若它们的自旋偏向雷同,为铁磁性耦合,若其自旋偏向图1 A. Fert 小组制备的3个Fe/Cr 超晶格在 温度为4.2K 时的磁电阻曲线相反,则为反铁磁性耦合.在磁性多层膜中,只有当Cr层厚度使零磁场时相邻磁性层成反铁磁性耦合,磁电阻达最大值.假如非磁性隔层的厚度比平均电子自由程大得多时,GMR效应会消掉.之后Parkin等体系研讨了以3d 金属 Fe, Co, Ni 及其合金作为铁磁层（FM）层的FM/NM/FM 构造( 个中 NM 为非磁性层)多层膜中非磁性层厚度对巨磁电阻效应的影响. 发明当改变非磁性层厚度时,相邻铁磁层间交换耦合消失长程振荡效应,并且这种经由非磁性 NM 层的交换耦合随 NM 层厚度的变更而振荡的现象被证实是广泛的.图 2为不合温度制备的三种 Fe/Cr构造体系中GMR比率跟着铬层厚度的变更曲线[3].么非磁性层的厚度会影响磁性层之间的交换耦合？要懂得这些现象,就须要懂得铁磁资估中与电子自旋相干的散射.莫特的双电流模子理论和RKKY交换感化.二巨磁电阻效应的物理来源及理论解释1物资磁性对电阻的影响电阻的本质是电子在物体中活动时受到散射.导电材料电阻率的大小是由个中自由电子的平均自由程决议的.资估中自由电子的平均自由程越短, 其电阻率越大;反之,自由电子的平均自由程越长,材料的电阻率越小.要评论辩论铁磁性对电阻的影响,必须引入电子自旋的概念. 作为费米子,电子可以取正负1/2 两种自旋.典范的铁磁物资为过渡族元素,例如铁.锰.钴.这些元素的3d 电子壳层都未填满,它们的自旋取向屈服洪德定章,即总自旋值（所有电子自旋之和）在泡里道理许可的前提下, 取最大值.例如锰有5个 3d 电子,正好填充3d 壳层的一半,他们都邑取正1/2 自旋.如许就会空出别的5 个负1/2 自旋的电子态.留意所谓正负取向,是针对一个参照体系而言.在有外加磁场时,这个磁场就是参照偏向.磁化,就是 3d 电子的自旋沿磁场取向.铁磁金属晶体的原子磁矩来自其未满 d 壳层电子的自旋,价电子为传导电子,平均散布于晶体中,并可以在全部晶体中传播.d 电子把材料磁性与电子的输运性质接洽起来,空 d 态可被与 d 轨道上电子自旋偏向相反的 4s传导电子临时占领,导致一个与电子自旋相干和轨道角动量相干的散射进程.铁磁资估中承担输运的 4s 电子正（负） 1/2 自旋各占一半,因为泡利不相容道理和洪特规矩,只有某些特定自旋的传导电子有很大的几率弛豫到3d 壳层的负（正）1/2 自旋态,而3d 电子被约束于原子处,不介入导电,所以这个弛豫进程,使自由电子变成了约束电子, 就成为磁性资估中一种重要的散射机制而影响电阻率. 铁磁资估中4s传导电子向3d 局域态的弛豫,称为磁散射或s – d 散射.在铁磁资估中,电阻率有三部分的进献,分别源于杂质缺点r,晶格振动L(T), 和磁散射M(T), 暗示为：(T) = r + L(T) + M(T) （2）2N. F. Mott 理论和磁性多层膜巨磁电阻的理论解释巨磁电阻效应是因为不合自旋极化电子具有不合电传输行动所产生,这种不合性初次在1936年被Mott不雅察到[4].在一般非磁性资估中,不合自旋偏向的传导电子在传输进程中是无法分辩的.铁磁性金属材料在足够低温下,电子自旋弛豫长度（即移动中电子自旋偏向保持不变的距离）远弘远于平均自由程,是以在评论辩论电子输运进程时,假定散射进程中移动的电子自旋偏向保持不变是合理的.于是将铁磁金属资估中电子按自旋取向分成两类处理,与本体材料磁化偏向平行与反平行的自旋电子在传输进程是可以分辩的,且平行与反平行自旋通道以并联方法进献电导率,此效应称为双电流模子（the two-current model）.总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻.GMR效应的物理来源为电子自旋对电子在铁磁性资估中传导进程的影响.Mott提出因为铁磁性资估中自旋能带的决裂,导致不合自旋的电子有不合的传导行动.过渡金属中的电导率 = n e2/m,个中暗示自旋向上或向下,n为费米能级上电子态密度,为自旋弛豫时光,m为有用质量.与费米能级上电子状况有关.费米能级上有两类电子：一类是巡游性强的s 电子,它的能带宽,有用质量接近自由电子;另一类是比较局域的 d 电子,其能带窄,有用质量大于自由电子,所以,电流重要由s 电子传递.但是,s 电子态密度远小于 d 电子. 是以, s-s 电子间散射可以疏忽;s-d 电子间散射进程才是主导的机制.因为铁磁金属 d 电子的两种自旋取向的电子数量不等,散射进程必须包管自旋守恒,所以 s-d 电子散射进程就与电子间自旋的相对取向有关,这个进程称为自旋极化的电子输运进程.这就是1936年N.F.Mott 提出的过渡金属电子输运的物理模子.在N.F.Mott与H.Jones合著的名著“The Theory of theproperties of Metals and Alloys”中, 即用上述物理模子解释过渡金属的电导率[5]：“我们对过渡金属的电导率有了如下熟悉：电流由 s 电子传递,其有用质量近于自由电子.然而电阻则取决于电子从s 带跃迁到d 带的散射进程.因为跃迁几率与终态态密度成正比,而局域性的d 带在费米面上态密度是很大的,这就是过渡金属电阻率高的原因.”“ 这种 s-d 散射率取决于s 电子与 d 电子自旋的相对取向.”A . Fert 在发明GMR 效应的论文[2]中引述了Mott 的上述理论来解释他所不雅察到的巨磁电阻效应,之后Mott理论成为巨磁电阻和相干效应的物理基本.按照Mott的双电流模子,传导电子分为自旋向上和自旋向下的电子,多层膜中非磁性层对这两种状况的传导电子的影响是雷同的,而磁层的影响却完全不合.当相邻铁磁层反平行时,假如s 电子的自旋与第一铁磁层中局域 d 电子的自旋平行,则几乎不受散射,但它与相邻铁磁层中局域d 电子的自旋反平行,就受到强烈的散射（即填充到空置的与本身自旋雷同的态）.所以两相邻磁层的磁矩偏向相反时,两种自旋状况的传导电子, 或者在第一个磁层即因磁矩与之相反而到强烈散射, 或者在穿过磁矩与其自旋偏向雷同的磁层后,必定鄙人一个磁层处碰到与其偏向相反的磁矩,并受到强烈的散射感化,如许两种自旋态的电子分别在某一层受到强散射, 宏不雅上表示为高电阻状况（图3-1）;假如施加足够大的外场,使得磁层的磁矩都沿外场偏向分列（图3-2）,则自旋与其磁矩偏向雷同的电子受到的散射小,只有偏向相反的电子受到的散射感化强,宏不雅上表示出低电阻状况.图 3-1和图 3-2中右侧的图暗示对应高阻态和低阻态的等效电路图.图3-1 零磁场时传导电子的活动状况图 3-2 磁场使磁性层磁化饱和时传导电子的活动状况巨磁电阻原由是树立在电子自旋保持不变(不产生反转)的前提下,若消失自旋反转,巨磁电阻效应将很大削弱.因而,磁电子学或自旋电子学的器件的特点长度应当小于自旋集中长度,才干包管有用工作.自旋集中长度平日在几十到几百纳米规模,因具体材料而不合.半导体的自旋集中长度比金属的要长,磁性杂质和磁有关的元激发轻易导致自旋反转和自旋集中长度减小,由此可以懂得自旋输运和巨磁电阻的概念和纳米构造是慎密相干的.3 RKKY交换感化人们早就知道过渡金属铁.钴.镍可以或许消失铁磁性有序状况.量子力学消失后,德国科学家海森伯(W. Heisenberg,1932年诺贝尔奖得主)明白提出铁磁性有序状况源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换感化,其来源是相邻原子波函数消失着电子交换而引起的能量,称为交换积分,通经常运用 J 暗示.只有当当两原子接近,电子云有交叠时才有不等于零的交换积分 J, 是以这个交换感化是短程的,称为直接交换感化.一般只能产生在固体中的比来邻原子之间,直接交换感化的特点长度为0.1—0.3nm.若 J > 0,消失交换感化的电子自旋平行分列时体系能量低,表示为铁磁性.若 J < 0, 则电子自旋反平行时体系能量低,表示为反铁磁性.后来发明许多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状况,即在有序分列的磁资估中,相邻原子因受负的交换感化,自旋为反平行分列,如图 4 所示.磁矩虽处于有序状况,但总的净磁矩在不受外场感化时仍为零.这种磁有序状况称为反铁磁性.法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为体系地研讨反铁磁性而获1970年诺贝尔奖.在解释反铁磁性时以为,化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介,将比来的磁性原子的磁矩耦合起来,这是间接交换感化.别的,在稀土金属中也消失了磁有序,个华夏子的固有磁矩来自4f电子壳层.相邻稀土原子的距离弘远于4f电子壳层直径,所以稀土金属中的传导电子担当了中介,将相邻的稀土原子磁矩耦合起来.局域电子之间经由过程传导电子作序言产生间接交换感化的机制由Ruderman, Kittel, Kasuya 和 Yosida 各自自力树立的模子来描写,平日被称为RKKY模子.因为局域电子与传导电子的交换感化,使局域电子地点处及其四周自旋向上的电子密度与自旋向下的电子密度不合,导致传导电子的自旋产生极化.传导电子在空间的自旋极化由两种自旋的电子密度差决议.若以磁性原子为中间,距离磁性原子 R 处两种自旋电子的密度差用（R） = ( R ) - ( R )暗示.RKKY交换模子给出[6]:(3)个中为自旋向上和向下的电子浓度,(4)这个方程描写了传导电子自旋密度从源点随距离变更的阻尼振荡.在距离较大时可近似为：(5)图 5 给出两种自旋的密度差随分开中间局域电子距离的变更[7].由此可见,假如以局域电子为中间,传导电子的自旋极化随距离的变更振荡式衰减,这是一种长程振荡进程.产生这种振荡自旋极化的势能是中间磁性粒子定域化的磁矩,它与传导电子自旋相干的交换感化 J 对自旋向上和向下电子有不合影响.中间磁性原子的局域电子使其四周的传导电子产生自旋极化,自旋极化的传导电子又会和临近磁性原子中的局域电子产生波函数重叠,产生直接交换感化.这种直接交换积分为一正值,所以介入直接交换感化的两个电子的自旋应平行取向.于是第二个磁性原子中局域电子自旋的偏向便由其地点地位决议：当它的地位在 为正的规模内时,它的自旋向上,与第一个磁性原子中的局域电子的自旋偏向雷同,表示为铁磁性;反之,当它的地位在 为负的规模内时,它的自旋偏向向下,与第一个磁性原子中的局域电子自旋的偏向相反,表示为反铁磁性.这就是RKKY 交换感化的根本物理进程[7].RKKY 交换感化有两个最重要的特色：（1）交换耦合感化是长程的.耦合长度弘远于直接交换感化请求的波函数直接叠交的原子间距;（2）原子间距相对于传导电子自旋密度周期散布的渺小变更可能使间接交换强度产生大的变更甚至改变符号.是以RKKY 互相感化随原子间图 5 RKKY 交换感化示意图 （a ）在中间局域电子临近新增长的传导电子波函数;（b ）两种自旋的密度差随分开中间局域电子距离的变更距变更可以产生铁磁性.反铁磁性的自旋有序极化.从RKKY 交换感化和双电流模子剖析呈现巨磁电阻效应的纳米磁性多层膜,很轻易懂得非磁性层的厚度对巨磁电阻效应的影响.磁性层间的交换耦合感化随层间间距即非磁性层厚度而消失震动衰减,导致巨磁电阻效应随非磁性层厚度消失震动衰减现象.4 自旋阀磁电阻多层膜GMR 构造简略,工作靠得住,磁阻随外磁场线性变更的规模大,在制造模仿传感器方面得到广泛运用.在数字记载与读出范畴,为了使GMR 材料的饱和磁场( Hs) 降低, 人们除了采取降低耦合强度及选用优质软磁作为铁磁层等门路外,还提出了非耦合型夹层构造. 1991 年,B. Dieny 运用反铁磁层交换耦合,提出了自旋阀构造[8] ,并起首在(NiFe/ Cu/ NiFe/ FeMn) 自旋阀中发明了一种低饱和场巨磁电阻效应.自旋阀是GMR 效应的一个具体运用.它由一个非磁性导体分隔两个磁性层.与Fe/Cr 一类多层膜体系中平日很强的反铁磁交换感化比拟,自旋阀的磁性层不耦合或弱耦合.是以,可以使磁电阻在几十个奥斯特而不是几千个奥斯特的磁场中产生变更. 自由层 中间导电层被钉扎层钉扎层 自旋阀SV-GMR 构造及磁电阻变更自旋阀构造的SV-GMR(Spin valve GMR)由钉扎层,被钉扎层,中心导电层和自由层构成,如图 6 所示.个中,钉扎层运用反铁磁材料,被钉扎层运用硬铁磁材料,铁磁和反铁磁材料在交换耦合感化下形成一个偏转场,此偏转场将被钉扎层的磁化偏向固定,不随外磁场改变.自由层运用软铁磁材料,它的磁化偏向易于随外磁场迁移转变.如许,很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向,对应于很高的敏锐度.制造时,使自由层的初始磁化偏向与被钉扎层垂直,磁记载材料的磁化偏向与被钉扎层的偏向雷同或相反（对应于0或1）,当感应到磁记载材料的磁场时,自由层的磁化偏向就向与被钉扎层磁化偏向雷同（低电阻）或相反（高电阻）的偏向偏转,检测出电阻的变更,就可肯定记载材料所记载的信息,硬盘所用的GMR磁头就采取这种构造.这种自旋阀具有如下长处:1) 磁电阻变更率ΔR/ R 对外磁场的响应呈线性关系, 频率特点好; 2) 饱和场低, 敏锐度高.【试验仪器与试验办法】试验仪器包含 GMR 传感器.巨磁电阻试验仪稳压电源.恒流源.螺线管.电压表.电流表.根本特点测量组件.电流测量组件.角位移组件.磁卡读写组件.巨磁电阻试验仪包含稳压电源.恒流源.电压表.电流表.稳压电源供给测量所须要的电压,恒流源为螺线管供电供给测量所需的磁场,电压表和电流表分别用于测量 GMR 的电压或电流.在将GMR 构成传感器时,为了清除温度变更等情形身分对输出的影响,一般采取桥式构造,图 7是某型号传感器的构造.对于电桥构造,假如4个GMR 电阻对磁场的响应完全同步,就不会有旌旗灯号输出.图 7 中,将处在电桥对角地位的两个电阻R3.R4 笼罩一层高导磁率的材料如坡莫合金,以屏障外磁场对它们的影响,而R1.R2 阻值随外磁场改变.设无外磁场时4个GMR 电阻的阻值均为R,R1.R2 在外磁场感化下电阻减小ΔR,简略剖析标明,输出电压：UOUT = UINΔR/（2R-ΔR ）（6）屏障层同时设计为磁通集合器,它的高导磁率将磁力线集合在R1.R2电阻地点的空间,进一步进步了R1.R2 的磁敏锐度.从图 7 的几何构造还可见,巨磁电阻被光刻成微米宽度径直状的电阻条,以增大其电阻至kΩ数量级,使其在较小工作电流下得到适合的电压输出.测量所用磁场可以用电磁铁,也可以用螺线管.本试验用螺线管线圈供给变更磁场.GMR 传感器置于螺线管的中心.由理论剖析可知,无穷长直螺线管内部轴线上任一点的磁感应强度为：B = μ0nI（7） 图7 GMR 模拟传感器结构图R 2 R 1 R 3 R 4 输出－ 输出＋输入＋输入－b 电路连接 a 几何结构 磁通聚集器式中n为线圈密度,I为流经线圈的电流强度,为真空中的磁导率.采取国际单位制时,由上式盘算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉＝10000高斯）.根本特点组件由GMR模仿传感器,螺线管线圈及比较电路,输入输出插孔构成.用以对GMR的磁阻特点和磁电转换特点进行测量.测量时GMR传感器置于螺线管的中心.一MR磁阻特点曲线测量与剖析为加深对巨磁电阻效应的懂得,我们对构成GMR模仿传感器的磁阻进行测量.将根本特点组件的功效切换按钮切换为“巨磁阻测量”,此时被磁屏障的两个电桥电阻R3,R4被短路,而R1,R2并联.将电流表串连进电路中,测量不合磁场时回路中电流的大小,就可盘算磁阻.测量道理如图 8 所示.因为巨磁图8磁阻特点测量道理图阻传感器具有磁滞现象,在试验中应留意恒流源只能单偏向调节,不成回调.不然测得的试验数据将不精确.测量磁电阻特点曲线时留意测出零磁场临近电流或电阻转折点的数值.依据螺线管上标明的线圈密度,由公式（7）盘算出螺线管内的磁感应强度B.由欧姆定律R=U/I 盘算不合磁场下的电阻.以磁感应强度B作横坐标,电阻为纵坐标作出磁阻特点曲线.依据磁电阻界说盘算其GMR 的值.不雅察曲线特色,用物理道理解释其变更纪律.应当留意,因为模仿传感器的两个磁阻是位于磁通集合器中,使磁阻敏锐度大大进步.二GMR 模仿传感器的磁电转换特点测量图 9 理图.理论上讲,外磁场为零时,GMR传感器的输出应为零,但因为半导体工艺的限制,4个桥臂电阻值不必定完全雷同,导致外磁场为零时输出不必定为零,在有的传感器中可以不雅察到这一现象.依据螺线管上标明的线圈密度,由公式（7）盘算出螺线管内的磁感应强度B.以磁感应强度B 作横坐标,电压表的读数为纵坐标作出磁电转换特点曲线.图10 是某GMR 模仿传感器的磁电转换特点曲线.统一外磁场强度下输出电压的差值反应了材料的磁滞特点.三 GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特点曲线测量将GMR 模仿传感器与比较电路,晶体管放大电路集成在一路,就构成图9模仿传感器磁电转换特点试验道理 图10 GMR 模拟传感器的磁电转换特性输出/V 磁感应强度/高斯 －30 －20 －10 0 10 20 30。
巨磁电阻效应与自旋电子学
新材料探索
科研人员不断探索新型磁性材料，以 提高巨磁电阻效应的灵敏度和稳定性。
器件微型化
自旋电子学
巨磁电阻效应作为自旋电子学中的重 要组成部分，推动了自旋电子学领域 的发展，有望在未来实现更高效、更 低能耗的电子器件。
随着微纳加工技术的发展，巨磁电阻 效应器件的微型化程度不断提高，为 新一代电子器件的发展提供了可能。
自旋传感器利用巨磁电阻效应 将磁场变化转化为电信号的变 化，从而实现磁场的高精度测 量。
巨磁电阻效应的应用提高了自 旋传感器的性能，包括更高的 灵敏度、更快的响应速度以及 更好的稳定性。
04 巨磁电阻效应与自旋电子 学的未来展望
提高巨磁电阻效应的灵敏度
巨磁电阻效应的灵敏度是衡量其性能的重要指标，提高其灵敏度有助于实现更精确的磁信息读取和存 储。
通过控制自旋场效应晶体管中的电流方向，可以实现不同自旋极化的电子注入，进 而实现信息的存储和传输。
巨磁电阻效应的应用提高了自旋场效应晶体管的性能，包括更高的开关速度、更低 的能耗以及更好的稳定性。
巨磁电阻效应在自旋传感器中的应用
自旋传感器是自旋电子学中的 另一种重要器件，利用巨磁电 阻效应可以实现磁场的高灵敏 度检测。
20世纪80年代，巨磁电阻效应 的发现为自旋电子学的发展奠定
了基础。
20世纪90年代，自旋阀和磁隧 道结等自旋电子器件的研制成功， 推动了自旋电子学的快速发展。
进入21世纪，自旋电子学在信 息存储、逻辑运算、传感器等领
域的应用研究不断取得突破。
自旋电子学的研究领域
自旋注入与输运
研究如何将自旋极化的电流注 入到其他材料中，以及如何实
现自旋的输运和操控。
自旋逻辑器件
利用自旋极化电流实现逻辑运 算的器件设计及制备。
巨磁电阻效应与自旋电子学
Write “ 0 ”
Write “ 1 ”
优点：断电时存储的信息不丢失
2 自旋电子材料的重要效应:
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(NiFe) (Al-O) NM(Cu(001) )
S1
S2
FM(Co(001))
小硬盘中的大发现——“巨磁电阻”效应 1997年，第一个基于“巨磁电阻”效应的数 据读出头问世，并很快引发了硬盘的“大容量、 小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐 播放 器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上 都应用了“巨磁电阻”效应，这一技术已然成为 新的标准。 瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一项发 明于上世纪70年代的技术，即制造不同材料的超 薄层的技术，使得人们有望制造出只有几个原子 厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同 材料薄膜构成的结构，因而只要在“巨磁电阻” 效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能 够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。
40
MR(%)
10 8 6 4 2 0 100 150 200 250 300
30
M(emu/g)
Tc=303K 20
10
350
400
0 450
T(K)
**磁性多层膜与磁性超晶格 Fe/Cr, Co/Cu, Fe/Ag
Spin-valve-type structures
Tunneling barrier
S0
AFI
17
EF
S0+Sm
Um
U
16
Si Sj
FMM
15
(a)
14
(b)
S1 S1
巨磁阻效应及其在自旋电子学方面的应用
巨磁阻效应及其在自旋电子学方面的应用郭瑞瑞 SA08002033 物理系所谓磁电阻(magnetoresistance ,MR) 效应,是指某些铁磁性材料在受到外加磁场作用时引起电阻变化的现象。
对于传统的铁磁导体,如Fe 、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)。
而巨磁阻效应(giant magnetoresistance ,GMR) ,是指在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中,电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象. 其值较Fe 、Ni 合金各向异性磁电阻效应约大一个数量级。
巨磁阻效应现在已经成为凝聚态物理五大热点之一，2007年物理学诺贝尔奖就授予了发现巨磁阻效应得法国科学家阿尔贝.菲尔和德国科学家彼得.格林贝格尔[1]。
W.Thom son在1857年首先发现了铁磁多晶体的各项异性磁效应(AMR, Anisotrop ic Magnetoresistance)。
1988 年,法国巴黎大学的菲特教授领导的课题组和德国尤利希研究中心的格林伯格教授的课题组几乎同时独立发现了巨磁电阻效应(GMR) [2] [3]。
20世纪90年代，人们在Fe/Cu,Fe/Al,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。
1993年，德国西门子公司的Helmolt等人在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中观察到了60%的巨磁电阻效应，随后在La2/3Ca1/3MnO3 中观察到了105%的巨磁阻效应。
1995年熊光成等人在美国Maryland大学发现钙钛矿型锰氧化物在77K，8 T 时GMR达到了创纪录的106%。
近来在许多其他物理系统中也发现了更大的磁电阻效应及有关的物理现象, 颗粒膜磁电阻效应、隧道磁电阻效应( Tunneling Magnetoresistance , TMR) 以及锰钙钛矿化合物的庞磁电阻效应( Colossal Magnetore resistance ,CMR) 相继被发现或取得重大的进展。
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矿产资源开发利用方案编写内容要求及审查大纲
矿产资源开发利用方案编写内容要求及《矿产资源开发利用方案》审查大纲一、概述
㈠矿区位置、隶属关系和企业性质。
如为改扩建矿山, 应说明矿山现状、
特点及存在的主要问题。
㈡编制依据
(1简述项目前期工作进展情况及与有关方面对项目的意向性协议情况。
(2 列出开发利用方案编制所依据的主要基础性资料的名称。
如经储量管理部门认定的矿区地质勘探报告、选矿试验报告、加工利用试验报告、工程地质初评资料、矿区水文资料和供水资料等。
对改、扩建矿山应有生产实际资料, 如矿山总平面现状图、矿床开拓系统图、采场现状图和主要采选设备清单等。
二、矿产品需求现状和预测
㈠该矿产在国内需求情况和市场供应情况
1、矿产品现状及加工利用趋向。
2、国内近、远期的需求量及主要销向预测。
㈡产品价格分析
1、国内矿产品价格现状。
2、矿产品价格稳定性及变化趋势。
三、矿产资源概况
㈠矿区总体概况
1、矿区总体规划情况。
2、矿区矿产资源概况。
3、该设计与矿区总体开发的关系。
㈡该设计项目的资源概况
1、矿床地质及构造特征。
2、矿床开采技术条件及水文地质条件。