第7章3磁致电阻材料

1、7.3 磁电阻材料本节主要讲述下面几个方面内容：7.3.1磁电阻效应7.3.2金属超晶格的GMR效应7.3.3自旋阀的GMR效应7.3.4颗粒膜GMR效应7.3.5隧道型TMR效应7.3.6掺杂稀土锰氧化物CMR效应7.3.7磁电阻效应的应用7.3.1 磁致电阻效应磁致电阻效应的大小由MR比表示，定义磁电阻系数为：在外磁场作用下材料的电阻发生变化的现象称为磁电阻(Magnetoresistance,MR)效应。( ,)( ,0)( ,)( ,0)( ,0)( ,0)R T HR TT HTR TT( ,)( ,0)( ,)( ,0)( ,)( ,)R T HR TT HTR T HT H或温度

2、为T，磁场为H时的电阻/电阻率温度为T，磁场为0时的电阻/电阻率正常MR效应和反常MR效应正常MR效应反常MR效应是具有自发磁化强度的铁磁体所特有的现象，其起因认为是自旋-轨道的相互作用或s-d相互作用引起的与磁化强度有关的电阻率变化，以及畴壁引起的电阻率变化。 反常MR效应根据MR效应的的起源机制，材料的磁电阻特性可分为两类：正常磁电阻效应和反常磁电阻效应 存在于所有磁性和非磁性材料中，它是由于载流子在磁场中运动时受到Lorentz力的作用，产生回旋运动，从而增加了电子受散射的几率，使电阻率上升，它与电子的自旋基本无关 区分磁(致)电阻与磁阻磁致电阻，是指导体电阻受磁场影响而变化的现象。磁阻

3、，reluctance，定义为： ，其中 Ni为磁动势，为磁通量/miRNRm与导磁系数成反比，是形式上与欧姆定律中的电阻相似的磁路定律中的一个参量。磁致电阻效应的新发展金属的MR比通常比较小，一般不超过2%3% 1988年在Fe、Cr交替沉积的多层膜中发现了超过50%的MR比，即巨磁电阻效应(GMR)，目前具有GMR效应的材料主要有：多层膜、自旋阀、颗粒膜、非连续多层膜、氧化物超巨磁电阻薄膜等。1993年又在钙钛矿结构的稀土锰氧化物中观测到了庞磁电阻(CMR)效应， =R/R可达103106最近又发现了隧道结磁电阻(TMR)效应，引起世人的极大关注。7.3.2 金属超晶格的GMR效应HHH=

4、0金属超晶格GMR效应的条件C 在铁磁性导体/非磁性导体超晶格中，构成反平行自旋结构；相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场作用下发生改变。A金属超晶格的周期（每一重复层的厚度）应比载流电子的平均自由程短 自旋取向不同的两种电子（向上和向下），在磁性原子上的散射差别必须很大Cu中电子的平均自由程为34nm左右，而Cu等非磁性层的厚度为几纳米GMR多层膜的自旋配置铁磁性层 非磁性隔离层铁磁性层 非磁性隔离层铁磁性层 非磁性隔离层铁磁性层 Ms铁磁性层 非磁性隔离层0H 铁磁性层 非磁性隔离层铁磁性层 非磁性隔离层铁磁性层 非磁性隔离层铁磁性层 Ms铁磁性层 非磁性隔离层SHH铁磁性层：Fe，Co，N

5、i及这些元素构成的合金非磁性导体层：Cu，Ag，Au，Cr等金属Fe/Cr多层膜的GMR效应金属超晶格GMR效应的特征 电阻变化率大； 负效应：随磁场的增强，电阻只是减小而不是增加； 电阻变化与磁化强度-磁场间所成的角度无关； GMR效应对于非磁性导体隔离层的厚度十分敏感； 具有积层数效应；过渡金属能级劈裂交换理论该理论主要是用来解释非整数磁矩问题由于交换作用，对磁矩有贡献的d电子的能带产生劈裂，自旋向上的d电子能带降低到费米能级以下，因此，自旋向下的电子要比自旋向上的少，二者差异造成了铁磁性过渡金属元素原子磁矩的非整数性二流体模型二流体模型内容为： 铁磁金属中，导电的s电子要受到磁性原子磁矩

6、的散射作用（即与局域的d电子作用），散射的几率取决于导电的s电子自旋方向与固体中磁性原子磁矩方向的相对取向。自旋方向与磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱，自旋方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用，而传导电子受到散射作用的强弱直接影响到材料电阻的大小。该理论主要用来解释铁磁性金属导电机理英国科学家、诺贝尔奖获得者N.F.Mott提出电子的体散射电子的界面散射磁性金属超晶格的制备方法 MBE（分子束外延法） 离子束溅射 溅射镀膜 真空蒸镀 电镀7.3.3 自旋阀的GMR效应薄膜电阻与多层膜各层磁矩（自旋）之间相对取向有关的现象称为自旋阀GMR效应优点：低饱和场，工作场小；电阻变化与外磁场

7、呈线性响应；灵敏度高；信噪比高。铁磁层隔离层铁磁层反铁磁层自由层钉扎层自旋阀结构和原理F NiFe（4nm）AF FeMn（7nm）NM Cu（2.2nm）F NiFe（6.2nm）（b）（c）（a）HC1HfHHMR00自旋阀的结构和原理示意图（a）典型的自旋阀结构图；（b）自旋阀的磁滞回线；（c）磁电阻随磁场的变化曲线；自旋阀的种类AFFNMFSubFNMFAFSubAFF1NMF2SubAFF1F2NMF2F1SubAFFNMFNMFAFSubHMNMSMSub（a）（b）（c）（d）（e）（f）自旋阀的种类（a）顶自旋阀；（b）底自旋阀；（c）不同铁磁层的自旋阀；（d）界面工程自旋阀；

8、（e）对称性自旋阀；（f）不同矫顽力的自旋阀7.3.4 颗粒膜GMR效应颗粒膜是将纳米尺寸的铁磁性颗粒（Fe，Co，Ni等）镶嵌于非磁性基质，由于互不固溶，两种组元形成复合薄膜，具有微颗粒和薄膜双重性及其交互作用效应。 颗粒膜的组成结构与多层膜相似，GMR效应的原理与多层膜相同，皆来源于与自旋相关的电子散射；颗粒膜性能比多层膜稍差，制备工艺比多层膜要简单，通常采用射频或直流磁控溅射、离子束或电子束溅射7.3.5 隧道结巨磁电阻（Tunnel Magnetoresistance,TMR）通过两个铁磁金属膜之间的金属氧化物势垒的自旋极化隧穿过程产生GMR效应非铁磁绝缘层 铁磁层A 铁磁层B非铁磁绝

9、缘层 铁磁性层A铁磁性层B HCBHCAH电阻最小HCBHHCA电阻最大优点：饱和磁场低，灵敏度高，能耗低，稳定隧道结结构Fe/Al2O3/Fe隧道结的磁电阻曲线Fe/Al2O3/Fe隧道结的磁电阻曲线样品基片为玻璃，Fe和Al2O3膜的厚度分别为100nm和5.5nm7.3.6 掺杂稀土锰氧化物CMR(庞磁电阻-Colossal Magnetoresiatance)效应在La2/3Ba1/3MnO3钙钛矿型铁磁薄膜中发现室温下可达60%的巨磁电阻效应，在La2/3Ca1/3MnO3和Nd0.7Sr0.3MnO3样品中观察到，在磁场下样品的电阻率下降甚至达到几个数量级。为描述这样巨大的负磁电阻

10、效应，现在一般以R/RH=（R0-RH）/RH来计算磁电阻变化率。由此计算，在La2/3Ca1/3MnO3和Nd0.7Sr0.3MnO3样品中观察到的庞磁电阻比率分别大于105%和106%。由于在类钙钛矿结构的稀土锰氧化物中观测到的磁电阻效应比GMR还大，故而称之为庞磁电阻效应，也有人称其为宏磁电阻、超巨磁电阻、超大磁电阻、极大磁电阻等 磁场诱发反铁磁-铁磁转变 磁场诱发结构相变 7.3.7 磁电阻效应的应用 磁电阻磁头磁电阻随机存储器MRAM示例优点：非易失，抗腐蚀，抗辐射；密度大；寿命长；成本低应用于传感器物体永磁体位置A位置B磁电阻传感器磁电阻位移传感器工作原理磁电阻角速度传感器工作原理

11、传感器永磁体电流角度各种传感器一览CMR的伟大意义 2007年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖今年的诺贝尔物理奖得主的获奖成果，离我们是如此之近。今年的诺贝尔物理奖得主的获奖成果，离我们是如此之近。 法国科学家阿尔贝法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得费尔和德国科学家彼得格林贝格尔因发格林贝格尔因发现现“巨磁电阻巨磁电阻”效应而共同获得效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。 一台一台1954年的体积占满整间屋子的电脑和一个如今非常普通、年的体积占满整间屋子的电脑和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发

12、现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。 1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了一种特殊现象：年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了一种特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上，这变化。由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上，这一效应被称为一效应被称为“巨磁电阻（巨磁电阻（GMR）”效应。根据这一效应效应。根据这一效应开发的小型大容量硬盘已得到广泛应用。开发的小型大容量硬盘已得到广泛应用。 CMR的伟大意义 “巨磁电阻巨磁电阻

13、”效应的发现是全球电子化进程中的一次革命。效应的发现是全球电子化进程中的一次革命。有了这两位科学家的发现，硬盘存储信息的能力大大提高，有了这两位科学家的发现，硬盘存储信息的能力大大提高，这对笔记本电脑、这对笔记本电脑、MP3音乐播放器以及其他便携式媒体播音乐播放器以及其他便携式媒体播放器的发展起到重要作用。放器的发展起到重要作用。 1997年，第一个基于年，第一个基于“巨磁电阻巨磁电阻”效应的数据读出头问世，效应的数据读出头问世，并且很快就此引起了硬盘并且很快就此引起了硬盘“大容量、小型化大容量、小型化”的革命。如的革命。如今，包括在笔记本电脑、微型音乐播放器等各类数码电子今，包括在笔记本电脑、微型音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的大容量硬盘，基本都应用了产品中所装备的大容量硬盘，基本都应用了“巨磁电阻巨磁电阻”效应，这技术已经成为业界新的标准。效应，这技术已经成为业界新的标准。只要在只要在“巨磁电阻巨磁电阻”效