巨磁电阻材料的性质和应用研究现状[稻谷书屋]

1、巨磁电阻材料的性质与应用巨磁电阻材料的性质与应用 研究现状研究现状 1应用分析 目录目录 l一、磁电阻及巨磁电阻简介一、磁电阻及巨磁电阻简介 l二、二、GRM材料的要求及种类材料的要求及种类 l三、巨磁电阻的应用三、巨磁电阻的应用 l四、展望四、展望 2应用分析 一、磁电阻及巨磁电阻简介一、磁电阻及巨磁电阻简介 许多导体材料的电阻是受外加磁场影响的，这种磁许多导体材料的电阻是受外加磁场影响的，这种磁 场改场改 变引起变引起 导体电阻率变化的现象被称为磁电阻导体电阻率变化的现象被称为磁电阻 (Magnetoresistance，MR)效效 应应 。表征磁电阻效应大小的。表征磁电阻效应大小的 物理

2、量为磁阻比物理量为磁阻比(MR比比),其定义如下：其定义如下： 其中，H磁场下的电阻率；0零磁场下的电阻率。 磁磁 电电 阻阻 效效 应应 的的 产产 生有不生有不 同同 的物的物 理机理机 制制 ，按，按 不不 同的同的 物物 理理 机机 制制 可作可作 如如 下下 分类分类 ：正：正 常磁常磁 电阻效应电阻效应 、各、各 向异向异 性性 磁磁 电电 阻效阻效 应应 、巨磁、巨磁 电阻效应电阻效应 、庞磁电阻效应等、庞磁电阻效应等 。 3应用分析 1）正）正 常磁常磁 电电 阻阻 (Ordinary Magnetoresistance，OMR) 效应效应 。普遍存在于所有金属。普遍存在于所有

3、金属 中，它的产生机制是传导中，它的产生机制是传导 电子受到磁场的洛仑兹力的作用而产生螺旋运动电子受到磁场的洛仑兹力的作用而产生螺旋运动 ，从而，从而 使材料的电阻升高使材料的电阻升高 。实际中大部分材。实际中大部分材 料的料的 OMR都比较都比较 小没有实用价值。小没有实用价值。 2）各）各 向向 异异 性性 磁磁 电电 阻（阻（Anisotropic Magnetoresistance ，AMR）效应）效应 。存在于铁磁金属及其合金材料。存在于铁磁金属及其合金材料 中中 ，电，电 阻率随电流和磁化强度的相对取向而不阻率随电流和磁化强度的相对取向而不 同。铁磁金属同。铁磁金属 的的AMR在室

4、温下可以达到在室温下可以达到 23，由于一些磁性材料，由于一些磁性材料 的磁矩可以用很小的磁场来翻转，所以有比较高的灵的磁矩可以用很小的磁场来翻转，所以有比较高的灵 敏敏 度。度。AMR效应已经有了很多的应用效应已经有了很多的应用 ，比如，比如 90年代初期年代初期 计算机读计算机读 出磁头以及各出磁头以及各 种高灵敏度的磁场传感。种高灵敏度的磁场传感。 4应用分析 5应用分析 6应用分析 费尔费尔1938年年3月出生于法国南部小城卡尔卡月出生于法国南部小城卡尔卡 索纳，索纳，1970年在南巴黎大学获博士学位，年在南巴黎大学获博士学位， 1976年开始担任南巴黎大学教授。自年开始担任南巴黎大学

5、教授。自1995年年 以来，费尔还一直担任法国国家科研中心与以来，费尔还一直担任法国国家科研中心与 法国泰雷兹集团组建的联合物理实验室科学法国泰雷兹集团组建的联合物理实验室科学 主管。费尔于主管。费尔于2004年当选法国科学院院士。年当选法国科学院院士。 格林贝格尔格林贝格尔1939年出生于比尔森，年出生于比尔森，1969年在年在 达姆施塔特技术大学获博士学位，达姆施塔特技术大学获博士学位，1972年开年开 始担任德国尤利希研究中心教授。始担任德国尤利希研究中心教授。2004年退年退 休。他的知识产权保护意识比较强。格林贝休。他的知识产权保护意识比较强。格林贝 格尔为此还申请了专利。格尔为此还

6、申请了专利。 7应用分析 “你的计算机硬盘存储能力有多大，你的计算机硬盘存储能力有多大， 他们的贡献就有多大他们的贡献就有多大” ” 世界上第一台计算机世界上第一台计算机 1T硬盘硬盘 8应用分析 二、二、GRM材料的要求及种类材料的要求及种类 l 为了满足应用的要求为了满足应用的要求, 对对GMR材料的主要要求是材料的主要要求是: 1、高的室温高的室温GMR效应效应, 即由外加磁场引起的室温即由外加磁场引起的室温 电阻变化率高电阻变化率高; 2、低的工作磁场低的工作磁场, 即在较低的外加磁场强度下得即在较低的外加磁场强度下得 到高的到高的MR; 3、高的稳定性高的稳定性, 即环境条件即环境条

7、件( 温度、湿度、振动等温度、湿度、振动等) 变化时变化时, MR的变化要尽量小。的变化要尽量小。 l 就目前研究热点的几类就目前研究热点的几类GMR材料材料, 可以说是各有可以说是各有 特点。特点。 已发现具有已发现具有GMR效应的材料主要有效应的材料主要有多层膜多层膜、自旋自旋 阀阀、纳米颗粒膜纳米颗粒膜、磁性隧道结磁性隧道结、非连续多层膜、非连续多层膜、 氧化物陶瓷、熔淬薄带氧化物陶瓷、熔淬薄带等。等。 9应用分析 u多层膜多层膜 各种铁磁层（各种铁磁层（Fe、Ni、Co及其合金）和非磁层（包及其合金）和非磁层（包 括括3d、4d、以及、以及5d非磁金属）交替生长而构成的磁性多非磁金属）

8、交替生长而构成的磁性多 层膜，大多都具有层膜，大多都具有GRM效应，其中尤以多晶（效应，其中尤以多晶（Co/Cu） 多层膜的磁电阻效应最为突出。室温、多层膜的磁电阻效应最为突出。室温、1T磁场下磁场下GMR 值为值为70%，远大于多晶（，远大于多晶（Fe/Cr）。）。 目前最常用的制备金属多层膜的方法主要由溅射、蒸目前最常用的制备金属多层膜的方法主要由溅射、蒸 发和分子束外延发和分子束外延. 10应用分析 多层膜多层膜GMR数值远较数值远较AMR大，为负值，基本为各向大，为负值，基本为各向 同性。其测试方法有两种：同性。其测试方法有两种：CIP（Current-in-plane），即），即 电

9、流沿膜面；电流沿膜面；CPP（Current flowing perpen dicular to the plane），电流与膜面垂直。通常采用），电流与膜面垂直。通常采用CIP方式。因为电子方式。因为电子 的运动是混乱的，可穿越若干层，并经受层内及界面自旋的运动是混乱的，可穿越若干层，并经受层内及界面自旋 相关的散射，总电阻为电子经过各层的各个等效电阻的总相关的散射，总电阻为电子经过各层的各个等效电阻的总 和。在和。在CPP模式下，由于电子是垂直于膜面穿过多层膜，模式下，由于电子是垂直于膜面穿过多层膜， 要经受更多的与自旋相关的杂质和缺陷的散射；另外，非要经受更多的与自旋相关的杂质和缺陷的散

10、射；另外，非 磁金属层的分流效应也被排除，因此垂直模式下可以得到磁金属层的分流效应也被排除，因此垂直模式下可以得到 更大的磁电阻效应更大的磁电阻效应。 u多层膜多层膜 11应用分析 巨磁电阻效应基本原理巨磁电阻效应基本原理 图图1 Fe/Cr多层膜的实验曲线多层膜的实验曲线 (a)磁化曲线，磁化曲线，(b)室温下的巨室温下的巨 磁电阻，磁电阻，(c)低温下的巨磁电阻低温下的巨磁电阻 图图2 铁磁层耦合示意图铁磁层耦合示意图 12应用分析 巨磁电阻效应基本原理巨磁电阻效应基本原理 图图3 多层膜系统等效电阻示意图多层膜系统等效电阻示意图 (a)反铁磁耦合，反铁磁耦合，(b)铁磁耦合铁磁耦合 根根

11、 据据 Mott的的双流体模型双流体模型 （将传导电子分为自旋向（将传导电子分为自旋向 上与向下两类导电载流子上与向下两类导电载流子 的物理图象），若导电的物理图象），若导电 电子自旋方向与局域磁电子自旋方向与局域磁 矩反平行矩反平行 ，则受到非常，则受到非常 强的散射强的散射 ，电阻较大，电阻较大 ； 而当导电电子自旋方向与而当导电电子自旋方向与 局域磁矩平行时局域磁矩平行时 ，则受，则受 到的散射就弱的多到的散射就弱的多 ，电，电 阻较小。阻较小。 13应用分析 图图4 过渡金属态密度函数过渡金属态密度函数N（E）示意图）示意图 为什么不同自旋取向散射率会不同，为什么不同自旋取向散射率会不

12、同， 从从态密度理论出发态密度理论出发可以这样来理解：可以这样来理解： 3d过渡元素金属中，由于量子力学过渡元素金属中，由于量子力学 的交换作用，的交换作用，d能带将分裂为两个能带将分裂为两个 不同自旋取向的次能带，为了简单不同自旋取向的次能带，为了简单 明了起见，图中设明了起见，图中设3d 能带低于费能带低于费 米能级，全被电子所占据，而米能级，全被电子所占据，而3d 带却部分被填充，而磁性金属的饱带却部分被填充，而磁性金属的饱 和磁化强度取决于这两个次能带磁和磁化强度取决于这两个次能带磁 矩之差。显然对自旋向上的传导电矩之差。显然对自旋向上的传导电 子只能在子只能在s带被散射，散射较弱，带

13、被散射，散射较弱， 而对自旋向下的电子除而对自旋向下的电子除s带外，带外，3d 带亦可被散射，散射强，平均自由带亦可被散射，散射强，平均自由 路径短，因此从态密度理论出发，路径短，因此从态密度理论出发， 在上述情况下，当传导电子自旋平在上述情况下，当传导电子自旋平 行于局域磁化矢量时，具有低电阻行于局域磁化矢量时，具有低电阻 特性，反平行时为高电阻态。特性，反平行时为高电阻态。 14应用分析 u多层膜多层膜 多层膜的多层膜的GMRGMR效应的影响因素效应的影响因素 15应用分析 Fe/Cr多层膜巨磁电阻效应多层膜巨磁电阻效应 16应用分析 周期数影响周期数影响 多层膜的多层膜的GMR随总周期数

14、的增加而增大，当总膜厚达随总周期数的增加而增大，当总膜厚达 到与平均自由程相当时，到与平均自由程相当时，GMR值逐渐趋饱和，不再随值逐渐趋饱和，不再随 周期数而增大。随着周期数增加，界面粗糙度增大，界周期数而增大。随着周期数增加，界面粗糙度增大，界 面自旋相关散射作用增强；表面散射作用减弱，界面散面自旋相关散射作用增强；表面散射作用减弱，界面散 射作用权重增强。但也有结果表明，界面粗糙度增大只射作用权重增强。但也有结果表明，界面粗糙度增大只 会导致会导致GMR减小。当然，膜厚增加会影响到多层膜中减小。当然，膜厚增加会影响到多层膜中 晶体的生长情况，不同膜厚产生晶界的变化也将影响到晶体的生长情况

15、，不同膜厚产生晶界的变化也将影响到 GMR的值。的值。 缓冲层与覆盖层缓冲层与覆盖层 为了制备良好的多层结构，常在衬底上沉积为了制备良好的多层结构，常在衬底上沉积510nm的的 缓冲层，如缓冲层，如Fe、Zn、Ru等，这样可改善多层织构，降等，这样可改善多层织构，降 低层厚起伏和界面粗糙度，有利于获得平整的界面。为低层厚起伏和界面粗糙度，有利于获得平整的界面。为 防止氧化，要在表面沉积覆盖层。然而这两种附加层会防止氧化，要在表面沉积覆盖层。然而这两种附加层会 对多层膜的电阻其短路作用和分流作用。对多层膜的电阻其短路作用和分流作用。 17应用分析 温度依赖性温度依赖性 MR比值随温度上升而减小。

16、因为温度上升时引入了更多比值随温度上升而减小。因为温度上升时引入了更多 的散射，如声子、磁振子散射，使电阻率上升，的散射，如声子、磁振子散射，使电阻率上升，MR比值比值 下降。另外，高温附加散射不同于低温下杂质及缺陷散下降。另外，高温附加散射不同于低温下杂质及缺陷散 射，改变了不对称散射因子。再者，磁振子散射导致自射，改变了不对称散射因子。再者，磁振子散射导致自 旋混合效应，从而减弱了巨磁电阻效应。旋混合效应，从而减弱了巨磁电阻效应。 界面结构界面结构 包括界面结构取向、界面粗造度、能使磁性层间发生耦包括界面结构取向、界面粗造度、能使磁性层间发生耦 合作用的针孔效应、界面区不同成分的原子相互渗

17、透的合作用的针孔效应、界面区不同成分的原子相互渗透的 程度等。例如，在程度等。例如，在Ni/Cu和和NiFe/Cu自旋阀结构中，界面自旋阀结构中，界面 原子磁矩因界面原子互扩散而减少并变得杂乱无章，从原子磁矩因界面原子互扩散而减少并变得杂乱无章，从 而导致而导致GMR的显著降低。的显著降低。 18应用分析 u自旋阀自旋阀GMR材料材料 在通常的磁性多层膜中存在较强的层间交换耦合，在通常的磁性多层膜中存在较强的层间交换耦合， 阻碍了相邻磁层中磁矩相对取向发生变化阻碍了相邻磁层中磁矩相对取向发生变化 ，GMR效效 应必须在很高的饱和外磁场应必须在很高的饱和外磁场(10至至20kOe)才能达到才能达

18、到 ， 所以这样的多层膜体系的磁电阻的灵敏度非常小。所以这样的多层膜体系的磁电阻的灵敏度非常小。 1991年年 ，IBM公公 司的司的BDieny提提 出铁磁层出铁磁层/隔离层隔离层/ 铁磁层铁磁层/反铁磁层结反铁磁层结 构构 ，并首先在，并首先在NiFe/Cu/NiFe/FeMn 多层膜多层膜 中发现了低饱和场中发现了低饱和场GMR效应。这种结构的多效应。这种结构的多 层膜利用电子的自旋特性，像阀一样限制电子的移动，层膜利用电子的自旋特性，像阀一样限制电子的移动， 故命名为自旋阀故命名为自旋阀(spin valve)。 19应用分析 自旋阀通常可分为两种基本方式自旋阀通常可分为两种基本方式

19、：一种被非磁层分开：一种被非磁层分开 的两软磁层之一用反铁磁层的两软磁层之一用反铁磁层(如如 MnFe或或 NiO)通过交换通过交换 作用钉扎，如作用钉扎，如 MnFe/FeNi/Cu/FeNi自旋阀多层膜结构自旋阀多层膜结构 ； 另一种是具有不同矫顽另一种是具有不同矫顽 力的两铁磁层力的两铁磁层(通常通常 一软一软 一硬一硬) 用非磁层分开用非磁层分开 。 u自旋阀自旋阀GMR材料材料 “钉扎层钉扎层” “被钉扎层被钉扎层” “自由层自由层” “分隔层分隔层” 第一类自旋阀示意图第一类自旋阀示意图第二类自旋阀示意图第二类自旋阀示意图 “硬磁性层硬磁性层” “软磁性层软磁性层” “分隔层分隔层

20、” 20应用分析 采用第一种方式的采用第一种方式的GMRGMR自旋阀基本结构如下图所示。该类自自旋阀基本结构如下图所示。该类自 旋阀多层膜结构原理上可以分为四层：反铁磁钉扎层，铁旋阀多层膜结构原理上可以分为四层：反铁磁钉扎层，铁 磁被钉扎层，非磁性分隔层和铁磁自由层。其中，自由层磁被钉扎层，非磁性分隔层和铁磁自由层。其中，自由层 和被钉扎层采用软铁磁材料和被钉扎层采用软铁磁材料( (也可采取自由层为软铁磁材也可采取自由层为软铁磁材 料料 ，被钉扎层使用硬铁磁材料的结构，被钉扎层使用硬铁磁材料的结构) )，它们之间的非磁，它们之间的非磁 性金属隔离层性金属隔离层 ，只对自由层和被钉扎层进行磁隔离

21、，而不，只对自由层和被钉扎层进行磁隔离，而不 进行电隔离，改变其厚度可以控制在其两面磁性薄膜之间进行电隔离，改变其厚度可以控制在其两面磁性薄膜之间 的耦合强度，外磁场可以较方便地改变自出层的磁矩而较的耦合强度，外磁场可以较方便地改变自出层的磁矩而较 难改变被钉扎层的磁矩。难改变被钉扎层的磁矩。 “钉扎层钉扎层” “被钉扎层被钉扎层” “自由层自由层” “分隔层分隔层” 第一类自旋阀示意图第一类自旋阀示意图 21应用分析 实例分析：实例分析： FeMn（7nm） Ta NiFe（4.5） Cu（2.2nm） NiFe（6nm） NiFe（6nm）/Cu（2.2nm）/NiFe（4.5） /FeM

22、n（7nm）自旋阀示意图）自旋阀示意图 22应用分析 在磁场强度等于在磁场强度等于NiFe（6nm）层的反向矫顽力的外场作）层的反向矫顽力的外场作 用下，用下， NiFe（6nm）层中的磁化矢量首先翻转，这时，）层中的磁化矢量首先翻转，这时， 在两个在两个NiFe层中的磁化矢量成反平行排列，这就形成了层中的磁化矢量成反平行排列，这就形成了 电子自旋相关散射的高电阻态。如果磁场在反方向上继电子自旋相关散射的高电阻态。如果磁场在反方向上继 续增加，当磁场强度达到某一临界值时，续增加，当磁场强度达到某一临界值时， NiFe（4nm） 层也转向磁场方向，这就形成了电子自旋相关的低电阻层也转向磁场方向，

23、这就形成了电子自旋相关的低电阻 态。态。 自旋阀的磁化曲线（自旋阀的磁化曲线（a）和磁电阻曲线（）和磁电阻曲线（b） 23应用分析 采用第二种方式的采用第二种方式的GMR自旋阀基本结构如下图所示。可自旋阀基本结构如下图所示。可 以用硬铁磁层（如以用硬铁磁层（如PtCo）代替钉扎层和被钉扎层，因为）代替钉扎层和被钉扎层，因为 二者的矫顽力不同，在适当磁场下亦可使相邻铁磁层的二者的矫顽力不同，在适当磁场下亦可使相邻铁磁层的 磁化方向从接近平行变化到平行饱和状态，从而也得到磁化方向从接近平行变化到平行饱和状态，从而也得到 巨磁电阻。相对第一种方式其优点是结构简单，且可选巨磁电阻。相对第一种方式其优点

24、是结构简单，且可选 择抗腐蚀和热稳定性好的硬磁材料，克服了自旋阀的不择抗腐蚀和热稳定性好的硬磁材料，克服了自旋阀的不 耐腐蚀和稳定性差的缺点。它的缺点是硬磁层与自由层耐腐蚀和稳定性差的缺点。它的缺点是硬磁层与自由层 之间存在耦合，自由层的矫顽力增大，因此降低了自旋之间存在耦合，自由层的矫顽力增大，因此降低了自旋 阀的灵敏度。阀的灵敏度。 第二类自旋阀示意图第二类自旋阀示意图 “硬磁性层硬磁性层” “软磁性层软磁性层” “分隔层分隔层” 24应用分析 自旋阀的优点与缺点自旋阀的优点与缺点 优点：磁电阻变化率优点：磁电阻变化率R/R对外磁场的响应呈线性关系，频对外磁场的响应呈线性关系，频 率特性好

25、；低饱和场，工作磁场小；与率特性好；低饱和场，工作磁场小；与AMR相比，电阻随相比，电阻随 磁场变化迅速，因而操作磁通小，灵敏度高；利用层间转磁场变化迅速，因而操作磁通小，灵敏度高；利用层间转 动磁化过程能有效地抑制动磁化过程能有效地抑制Barkhausen噪声，信噪比高。噪声，信噪比高。 缺点：自旋阀多层膜的磁电阻变化量并不大，同时现在面缺点：自旋阀多层膜的磁电阻变化量并不大，同时现在面 临的最大问题是它的抗腐蚀和热稳定性都不太好。临的最大问题是它的抗腐蚀和热稳定性都不太好。 25应用分析 u纳米颗粒结构的纳米颗粒结构的GMR效应效应 金属颗粒膜是指铁磁性金属（如金属颗粒膜是指铁磁性金属（如

26、Co、Fe等）以颗粒的等）以颗粒的 形式分散地镶嵌于非互熔的非磁性金属（如形式分散地镶嵌于非互熔的非磁性金属（如Ag、Cu等）等） 的母体中所构成的复合材料。的母体中所构成的复合材料。 实验室中常采用磁控溅射、离子束溅射等方法，颗粒实验室中常采用磁控溅射、离子束溅射等方法，颗粒 的尺寸大小可以通过控制退火温度或者衬底温度来实现，的尺寸大小可以通过控制退火温度或者衬底温度来实现， 其尺寸范围可在几个纳米到几十个纳米之间任意变化。其尺寸范围可在几个纳米到几十个纳米之间任意变化。 颗粒膜是以微颗粒的形式弥散于薄膜中，不同于合金、颗粒膜是以微颗粒的形式弥散于薄膜中，不同于合金、 化合物，属于非均匀相组

27、成体系。化合物，属于非均匀相组成体系。 颗粒膜示意图颗粒膜示意图 26应用分析 当外加于颗粒膜的磁场为零时，颗粒膜的磁化强度为零，当外加于颗粒膜的磁场为零时，颗粒膜的磁化强度为零， 各铁磁颗粒的磁化方向混乱排列，传导电子受到最大的各铁磁颗粒的磁化方向混乱排列，传导电子受到最大的 散射作用，样品处于大电阻状态，当外磁场增加时，颗散射作用，样品处于大电阻状态，当外磁场增加时，颗 粒膜存在一定的磁化强度，各铁磁颗粒的磁化方向趋于粒膜存在一定的磁化强度，各铁磁颗粒的磁化方向趋于 外磁场方向，传导电子所受散射小，样品电阻降低外磁场方向，传导电子所受散射小，样品电阻降低。 （a）无外加磁场）无外加磁场 （

28、b）外加饱和磁场）外加饱和磁场 颗粒膜中磁化状态颗粒膜中磁化状态 27应用分析 影响影响GMR效应的因素效应的因素 28应用分析 当磁性颗粒体积百分数低时，颗粒数目少，散射中心少，当磁性颗粒体积百分数低时，颗粒数目少，散射中心少， 此外颗粒间距大，如间距大于电子在介质中的平均自由程此外颗粒间距大，如间距大于电子在介质中的平均自由程 时，将降低巨磁电阻效应，因此随着铁磁浓度增加，总的时，将降低巨磁电阻效应，因此随着铁磁浓度增加，总的 趋势是增大巨磁电阻效应的。然而在颗粒浓度增大的同时，趋势是增大巨磁电阻效应的。然而在颗粒浓度增大的同时， 颗粒尺寸亦将变大，当颗粒尺寸超过电子在颗粒内平均自颗粒尺寸

29、亦将变大，当颗粒尺寸超过电子在颗粒内平均自 由程时，又将减低巨磁电阻效应。此外，随着颗粒浓度增由程时，又将减低巨磁电阻效应。此外，随着颗粒浓度增 加，颗粒间相互作用增强，在一定浓度时在颗粒膜中可以加，颗粒间相互作用增强，在一定浓度时在颗粒膜中可以 形成磁畴结构，形成磁畴结构，GMR效应消失，于是在一定铁磁颗粒浓效应消失，于是在一定铁磁颗粒浓 度时将呈现度时将呈现GMR效应极大值。效应极大值。 Co-Ag, Fe-Ag等颗粒等颗粒 膜的巨磁电阻效应与膜的巨磁电阻效应与 组成的关系组成的关系 29应用分析 u隧道磁电阻（隧道磁电阻（TMR）效应）效应 30应用分析 TMR效应的定性解释是效应的定性

30、解释是: 在隧道结中在隧道结中, 磁场克服两铁磁场克服两铁 磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转到磁场方向磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转到磁场方向 而趋于一致而趋于一致, 这时隧道电阻为最小值这时隧道电阻为最小值; 如将磁场减少如将磁场减少 至负至负, 矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转, 两铁两铁 磁层的磁场方向相反磁层的磁场方向相反, 隧道电阻为极大值。隧道电阻为极大值。 隧道结中铁磁层磁化平行与反平行时电子隧隧道结中铁磁层磁化平行与反平行时电子隧 穿情况示意图穿情况示意图 31应用分析 隧道结的优点隧道结的优点 TMR效应具有很高的磁场灵敏度效应具有很

31、高的磁场灵敏度 隧道结中两铁磁层间不存在层间耦合，隧道结的饱和磁场隧道结中两铁磁层间不存在层间耦合，隧道结的饱和磁场 很低，只需要一个很小磁场就可以实现两铁磁层从平行到很低，只需要一个很小磁场就可以实现两铁磁层从平行到 反平行的转变。反平行的转变。 隧道结的电阻可调且范围宽隧道结的电阻可调且范围宽 与多层膜巨磁电阻相比，隧道结具有很高的电阻，其电阻与多层膜巨磁电阻相比，隧道结具有很高的电阻，其电阻 可以通过调整绝缘层厚度在很宽的范围内改变，有利于和可以通过调整绝缘层厚度在很宽的范围内改变，有利于和 外电路实现匹配。外电路实现匹配。 进入时间短进入时间短 隧道巨磁电阻需要的是小电流、低电压信号隧

32、道巨磁电阻需要的是小电流、低电压信号。 32应用分析 三、巨磁电阻的应用三、巨磁电阻的应用 l1、SV-GMR(spin valve)磁头和传感器磁头和传感器 l2、巨磁电阻随机存取存储器、巨磁电阻随机存取存储器 l3、其他方面的应用、其他方面的应用 33应用分析 SV-GMR磁头和传感器磁头和传感器 磁头磁头：硬盘中对盘片：硬盘中对盘片 进行读写工作的工具进行读写工作的工具 用线圈缠绕在磁芯上用线圈缠绕在磁芯上 制成的磁头制成的磁头 通过感应旋转的盘片通过感应旋转的盘片 上磁场的变化来读取上磁场的变化来读取 数据；通过改变盘片数据；通过改变盘片 上的磁场来写入数据上的磁场来写入数据 磁头悬浮

33、在高速转动磁头悬浮在高速转动 的盘片上方，而不与的盘片上方，而不与 盘片直接接触盘片直接接触 34应用分析 局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体 写线圈写线圈 SN I 局部磁化单元局部磁化单元 写线圈写线圈 SN 铁芯铁芯 磁通磁通 磁层磁层 写入写入“0” 写入写入“1” I 磁记录原理磁记录原理(写入写入) 35应用分析 磁记录原理（读出）磁记录原理（读出） N 读线圈读线圈 S 读线圈读线圈 SN 铁芯铁芯 磁通磁通 磁层磁层 运动方向运动方向运动方向运动方向 ss tt ff ee 读出读出 “0” 读出读出 “1” 36应用分析 当硬盘体积不断变当硬盘体积不断变 小，容量却不断变小

34、，容量却不断变 大时，势必要求磁大时，势必要求磁 盘上每一个被划分盘上每一个被划分 出来的独立区域越出来的独立区域越 来越小，这些区域来越小，这些区域 所记录的磁信号也所记录的磁信号也 就越来越弱就越来越弱 。借助。借助 “巨磁电阻巨磁电阻”效应，效应， 人们才得以制造出人们才得以制造出 更加灵敏的数据读更加灵敏的数据读 出头，使越来越弱出头，使越来越弱 的磁信号依然能够的磁信号依然能够 被清晰读出，并且被清晰读出，并且 转换成清晰的电流转换成清晰的电流 变化变化37应用分析 硬盘的发展硬盘的发展 1956 IBM 的科学家的科学家 Reynold Johnson推出推出 的第一个硬盘配备了的

35、第一个硬盘配备了 50个直径约个直径约61厘米的厘米的 铝合金盘片，由于磁铝合金盘片，由于磁 头灵敏度不理想，存头灵敏度不理想，存 储容量十分有限，只储容量十分有限，只 能存储能存储4.4兆数据兆数据 硬盘之父硬盘之父 第一个硬盘第一个硬盘 50个盘个盘 片片 38应用分析 硬盘的发展硬盘的发展 1994 IBM 的科学的科学 家家Stuart Parkin首首 次在次在HDD 中使用中使用 了了GMR 效应的自效应的自 旋阀旋阀(spin valve 简简 称称GMR SV) 结构结构 的读出磁头的读出磁头,取得了取得了 每平方英寸每平方英寸10 亿位亿位 (1Gb/inch2 ) 的的 H

36、DD面密度世界纪面密度世界纪 录录 体积变小，容量变大体积变小，容量变大 Stuart Parkin 39应用分析 硬盘的发展硬盘的发展 p1997年年，IBM生生 产 出 第 一 个 应 用产 出 第 一 个 应 用 “巨磁电阻巨磁电阻”技术技术 的硬盘。并很快引的硬盘。并很快引 发了硬盘的发了硬盘的“大容大容 量、小型化量、小型化”革命革命 p2000年年希捷硬盘希捷硬盘 巨磁电阻硬盘巨磁电阻硬盘 40应用分析 硬盘的发展硬盘的发展 2001年年，美国，美国苹果苹果 公司推出第一代硬公司推出第一代硬 盘式音乐播放器，盘式音乐播放器， 轰动全球轰动全球 今天今天，苹果公司的，苹果公司的 新一

37、代新一代iPod播放器播放器 容量高达容量高达160(8GB 和和16GB )，不管是，不管是 用来听音乐还是看用来听音乐还是看 电影，存储空间都电影，存储空间都 不是问题不是问题 大家都说好！大家都说好！ 41应用分析 硬盘的发展硬盘的发展 目前市场上 销售的最大 容量硬盘是 4TB 硬盘密度随时间的增长硬盘密度随时间的增长 硬 盘 每 英 寸 的 面 密 度 42应用分析 巨磁电阻位移传感器巨磁电阻位移传感器 lGMR传感器具有传感器具有灵敏度高、灵敏度高、 可靠性好、测量范围宽、抗恶可靠性好、测量范围宽、抗恶 劣环境、体积小劣环境、体积小等优点等优点 l位移传感器位移传感器即线性传感器，

38、即线性传感器， 利用巨磁电阻的高灵敏性而测利用巨磁电阻的高灵敏性而测 量位移的变化量位移的变化 l它的基本结构是由钉扎磁性 层（例如Co）、Cu间隔层和 自由磁性层（例如Ni、Fe等易 磁化层）组成的多层膜。由于 钉扎层的磁矩与自由磁层的磁 矩之间的夹角发生变化会导致 SV-GMR元件的电阻值改变， 进而使读出电流发生变化 位移传感器位移传感器 分辨率可达分辨率可达1m级级 43应用分析 巨磁电阻转速传感器巨磁电阻转速传感器 车轮转速传感器车轮转速传感器 当铁齿轮转动时当铁齿轮转动时, 靠靠 近铁齿轮的永磁体的近铁齿轮的永磁体的 磁边缘场的分布会发磁边缘场的分布会发 生变化。在图示位置生变化。

39、在图示位置 放一个放一个GMR薄膜传薄膜传 感器感器, 当铁齿轮旋转当铁齿轮旋转 时时, 它对磁通的变化它对磁通的变化 方向产生感应。这种方向产生感应。这种 GMR薄膜传感器已薄膜传感器已 被用来被用来检测汽车的速检测汽车的速 度度 44应用分析 巨磁电阻生物传感器巨磁电阻生物传感器 生物传感器图示生物传感器图示 生物传感器的应用生物传感器的应用 45应用分析 巨磁电阻生物传感器巨磁电阻生物传感器 把磁性颗粒表面包一层合适的抗把磁性颗粒表面包一层合适的抗 体体, 这种抗体只与特定的被分析这种抗体只与特定的被分析 物物(如病毒如病毒, 细菌等细菌等) 结合结合, 则这些则这些 磁性颗粒可被用作生

40、物示踪。把磁性颗粒可被用作生物示踪。把 由磁性颗粒组成的检测溶液分散由磁性颗粒组成的检测溶液分散 到装有到装有GMR传感组件的集成电传感组件的集成电 路芯片上路芯片上, GMR传感组件本身也传感组件本身也 包上同样的抗体。溶液中的被分包上同样的抗体。溶液中的被分 析物就会与传感器结合析物就会与传感器结合, 并带上并带上 磁标记。磁标记的磁边缘场对磁标记。磁标记的磁边缘场对 GMR组件产生作用并改变其电组件产生作用并改变其电 阻。通过检测这些阻。通过检测这些GMR组件的组件的 电性能电性能, 就能够直接进行检测溶就能够直接进行检测溶 液中的被分析物的浓度等方面的液中的被分析物的浓度等方面的 分析

41、分析 基于磁场生物传感器原理基于磁场生物传感器原理 46应用分析 巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)(MRAM)中的应用中的应用 目前广泛采用的半导体动态存目前广泛采用的半导体动态存 储器储器(DRAM)和静态存储器和静态存储器 (SRAM)机器断电时，所存数机器断电时，所存数 据会全部丢失，且抗辐射性能据会全部丢失，且抗辐射性能 差差 利用利用GMR效应制作的效应制作的MRAM 是采用纳米制造技术，把沉积是采用纳米制造技术，把沉积 在基片上的在基片上的SV-GMR薄膜或薄膜或 TMR薄膜制成图形阵列，形薄膜制成图形阵列，形 成存储单元，以相对两磁性层成存储单元，以相

42、对两磁性层 的平行磁化状态和反平行磁化的平行磁化状态和反平行磁化 状态分别代表信息状态分别代表信息“1”和和“0” 随机存储器 47应用分析 巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用 和现有的半导体和现有的半导体RAM相比，最大的优点相比，最大的优点是非是非 易失、抗辐射、长寿命、结构简单和低成本，易失、抗辐射、长寿命、结构简单和低成本， 基本上可以不限次数的重写。基本上可以不限次数的重写。 由于使用了由于使用了GMR材料，每位尺寸的减少并不材料，每位尺寸的减少并不 影响读取信号的灵敏度，可实现最大的存储影响读取信号的灵敏度，可实现最大的存储 密度。密度。

43、48应用分析 巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用 p写入时改变写入时改变TMR元件的电阻，元件的电阻， 改变改变磁化方向磁化方向 p写入写入“0”时产生与下层同向的磁时产生与下层同向的磁 场。上层磁化方向与下层平行，场。上层磁化方向与下层平行， 电阻就会减小电阻就会减小 p写入写入“1”时正好相反，产生与下时正好相反，产生与下 层反向平行的磁场，从而使上下层反向平行的磁场，从而使上下 两层的磁化方向形成反平行两层的磁化方向形成反平行，此此 时电阻则增大时电阻则增大 p 读取时，则在读取时，则在TMR元件中传导元件中传导 电流电流，通过电流大小确定信号，

44、通过电流大小确定信号 p假如是假如是“0”，由于电阻小，由于电阻小，电流电流 就大；就大； p假如是假如是“1”，由于电阻大，电流，由于电阻大，电流 就小就小 MRAM基本架构示意图 49应用分析 巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用 图中下方左侧是一个晶体管，图中下方左侧是一个晶体管， 当它导通时，电流可流过存储当它导通时，电流可流过存储 单元单元 MTJ(磁性隧道结磁性隧道结)，通过，通过 与参考值进行比较，判断存储与参考值进行比较，判断存储 单元阻值的高低，从而读出所单元阻值的高低，从而读出所 存储的数据存储的数据 当晶体管关断时，电流可流过当晶体

45、管关断时，电流可流过 编程线编程线 1 和编程线和编程线 2(图中图中 Write line 1 和和 Write Line 2)，在它们，在它们 所产生的编程磁场的共同作用所产生的编程磁场的共同作用 下，使自由层的磁场方向发生下，使自由层的磁场方向发生 改变，从而完成编程的操作改变，从而完成编程的操作 MRAM结构 晶体管晶体管 50应用分析 巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用 Honeywell公司是第一家公司是第一家 利用利用GMR材料做存储器芯材料做存储器芯 片的公司片的公司 1995年，年，IBM公司的公司的Tang 等人提出了自旋阀型等人提

46、出了自旋阀型GMR 存储单元设计方案，它采存储单元设计方案，它采 用用NiFe/Cu/NiFe/FeMn自自 旋阀巨磁电阻多层膜作为旋阀巨磁电阻多层膜作为 存储单元条，其开关速度存储单元条，其开关速度 在亚纳秒在亚纳秒(10-10s)数量级。数量级。 2003年，年，Motorola公司发公司发 布了布了4 Mb的的MRAM样品，样品， 其尺寸仅有其尺寸仅有0.55m2。51应用分析 巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用 BIOS芯片芯片 蜂窝电话蜂窝电话 传真机传真机 固态录像机固态录像机 航天航天 52应用分析 巨磁电阻材料及其在汽车传感技术中的应用巨磁电阻材料及其在汽车传感技术中的应用 随着