磁电阻材料教材

1、磁电阻材料 法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔因分别独立发现巨磁电阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。 诺贝尔评委会主席佩尔卡尔松用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年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，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。主要内容主要内容巨巨磁电阻效应的应用磁电阻效应的应用巨巨磁电阻材料的种类及其机理磁电阻材料的种类及其机理磁磁电阻电阻效应以及巨磁电阻效应的定义效应以及巨磁电阻效应的定义磁电阻效应的研究历史磁电阻效应的研究历史 巨巨磁电阻效应的磁电阻效应的优势优势磁电阻效应的研究历

2、史磁电阻效应的研究历史1857W. Thomson W. Thomson 发现发现了铁磁多晶体的各向异性磁了铁磁多晶体的各向异性磁电阻电阻效应效应(Anisotropic (Anisotropic MagnetoresistanceMagnetoresistance-AMR)-AMR)。Hunt Hunt 首次提出首次提出利用利用 AMR AMR 效应来制作磁盘系效应来制作磁盘系统的读出统的读出磁头。磁头。19711985IBMIBM将将HuntHunt的想法付诸实践，成功的在硬盘的想法付诸实践，成功的在硬盘读出头中应用磁电阻效应。读出头中应用磁电阻效应。1988至今至今巨磁电阻效应巨磁电阻效

3、应(GMR)(GMR)发现，通常将发现，通常将GMRGMR效应效应的发现作为磁电子学的起点的发现作为磁电子学的起点非连续多层膜、颗粒膜、磁性隧道结、自旋非连续多层膜、颗粒膜、磁性隧道结、自旋阀等具有巨磁电阻效应的材料相继被发现，阀等具有巨磁电阻效应的材料相继被发现，GMRGMR效应的研究向物理学的各个领域渗透。效应的研究向物理学的各个领域渗透。磁电阻效应的定义磁电阻效应的定义 在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致在磁场作用下，磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，称为磁电阻电阻改变的现象，称为磁电阻(magnetoresistance,MR)效应。通效应。通常，

4、材料的常，材料的MR不超过不超过2-3%。磁性金属和合金材料一般都有这种。磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象。磁电阻现象。 表征磁电阻效应大小的物理量为表征磁电阻效应大小的物理量为MR比，其定义由磁电阻系比，其定义由磁电阻系数数给出，公式如下，其中给出，公式如下，其中RH(H)为磁场为为磁场为H时的电阻时的电阻(率率)，R0和和0为磁场为零时的电阻为磁场为零时的电阻(率率)。 =(RH-R0)/R0=(H- 0)/ 0各项异性磁电阻效应的定义各项异性磁电阻效应的定义 铁磁金属和合金多晶体具有各项异性磁电阻效应，铁磁金属和合金多晶体具有各项异性磁电阻效应，即外加磁场方向平行于测试电流方向时

5、测量得到的电即外加磁场方向平行于测试电流方向时测量得到的电阻率与外加磁场方向垂直于测试电流方向时测量得到阻率与外加磁场方向垂直于测试电流方向时测量得到的电阻率不相等的效应。的电阻率不相等的效应。巨磁电阻效应的定义巨磁电阻效应的定义 巨磁电阻是在铁磁和非磁金巨磁电阻是在铁磁和非磁金属材料重复堆叠而成的磁性多属材料重复堆叠而成的磁性多层膜中发现的，其中每一层的层膜中发现的，其中每一层的厚度只有几个原子层。厚度只有几个原子层。巨磁电阻效应的定义巨磁电阻效应的定义 巨巨磁阻效应磁阻效应(GMR)(GMR)是指磁性材料的电阻率在有外磁是指磁性材料的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

6、象。巨场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，产生于层状的磁性薄膜结构。磁阻是一种量子力学效应，产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。最大。巨巨磁电阻效应的优势磁电阻效应的优势 GMR GMR所产生所产生的大幅电阻

7、变的大幅电阻变化可以提高更化可以提高更强的信号强的信号。巨巨磁电阻磁电阻效应的优势效应的优势该该技术可以与技术可以与现代的集成电现代的集成电路技术完美融路技术完美融合合。 巨巨磁电阻材料的种类磁电阻材料的种类颗粒膜颗粒膜磁性多层膜磁性多层膜具有具有钙钛矿型结构的锰氧化物钙钛矿型结构的锰氧化物隧道结巨磁电阻隧道结巨磁电阻自旋阀结构自旋阀结构巨磁电阻材料巨磁电阻材料磁性多层膜的巨磁电阻效应解释磁性多层膜的巨磁电阻效应解释 对于非磁性金属，对于非磁性金属，自旋向上和向下的电子数自旋向上和向下的电子数相等，即电子的自旋是简相等，即电子的自旋是简并的，即不存在自旋极化并的，即不存在自旋极化和净磁矩。但对

8、于铁磁性和净磁矩。但对于铁磁性金属，由于交换作用，导金属，由于交换作用，导致不同自旋取向的两个子致不同自旋取向的两个子能带产生相对位移，使得能带产生相对位移，使得自旋向上的电子数与自旋自旋向上的电子数与自旋向下的电子数不相等，即向下的电子数不相等，即产生了净磁化强度。产生了净磁化强度。磁性多层膜的巨磁电阻效应解释磁性多层膜的巨磁电阻效应解释二流体模型：二流体模型： 在铁磁金属中，导电的在铁磁金属中，导电的s s电子磁性原子磁矩的散射电子磁性原子磁矩的散射作用（即与局域的作用（即与局域的d d电子作电子作用），散射的几率取决于用），散射的几率取决于导电的导电的s s电子自旋方向与固电子自旋方向与

9、固体中磁性原子磁矩方向的体中磁性原子磁矩方向的相对取向。自旋方向与磁相对取向。自旋方向与磁矩方向一致的电子收到的矩方向一致的电子收到的散射作用很弱，自旋方向散射作用很弱，自旋方向与磁矩方向相反的电子则与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用。受到强烈的散射作用。磁性多层膜的制备方法磁性多层膜的制备方法 已报道的制备方法包括分子束外延技术、电沉已报道的制备方法包括分子束外延技术、电沉积法、超高真空蒸发以及磁控溅射等方法。其中，积法、超高真空蒸发以及磁控溅射等方法。其中，磁控溅射法所得到磁控溅射法所得到GMRGMR较大，应用最为普遍。较大，应用最为普遍。自旋阀的巨磁电阻效应解释自旋阀的巨磁电阻效应

10、解释 19911991年，年，B. B. DienyDieny 等人提出了等人提出了“铁磁层非磁隔离层铁磁层非磁隔离层铁磁层反铁磁层铁磁层反铁磁层”的的自旋阀结构，并首先在自旋阀结构，并首先在“NiFeNiFe/Cu/Cu/NiFeNiFe/ /FeMnFeMn”自旋阀中发现了一种低饱和自旋阀中发现了一种低饱和场巨场巨磁电阻磁电阻效应。效应。 发展自旋阀结构的基本思想是：通过降低多层膜间交发展自旋阀结构的基本思想是：通过降低多层膜间交换耦合来实现低场下铁磁层磁化方向的相对变化，以提高换耦合来实现低场下铁磁层磁化方向的相对变化，以提高GMRGMR效应的磁场灵敏度。效应的磁场灵敏度。自旋阀的巨磁电

11、阻效应解释自旋阀的巨磁电阻效应解释 外加磁场为外加磁场为0 0时，自旋阀电阻小；在外加反向磁场的作用下，时，自旋阀电阻小；在外加反向磁场的作用下，自由层首先发生磁化翻转，两磁性层磁矩反平行排列，自旋阀电自由层首先发生磁化翻转，两磁性层磁矩反平行排列，自旋阀电阻阻大。自由层翻转磁场由其各向异性场和大。自由层翻转磁场由其各向异性场和被钉被钉扎层通过非磁性层扎层通过非磁性层产生的耦合作用引起的矫顽场（产生的耦合作用引起的矫顽场（HcHc）和耦合场（和耦合场（HfHf）决定决定。当外。当外加磁场加磁场超过由反铁磁层交换耦合引起的交换偏置场时，被钉扎层超过由反铁磁层交换耦合引起的交换偏置场时，被钉扎层发

12、生磁化翻转发生磁化翻转，自旋，自旋阀电阻变小阀电阻变小。隧道结巨磁电阻效应的解释隧道结巨磁电阻效应的解释 “磁性金属非磁绝缘体磁性金属非磁绝缘体磁性金属磁性金属”的结构称为隧道的结构称为隧道结结。若两若两铁磁电极的磁化方向平行，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一个电极中多数自旋子带的电子将进入另将进入另一个一个电极中的多数自旋电极中的多数自旋子带的空态，同时少数自旋子带子带的空态，同时少数自旋子带的电子也从一个电极的电子也从一个电极进入另进入另一个一个电极的少数自旋子带的空态；电极的少数自旋子带的空态；但但若若两两电极的磁化方向反平行，则电极的磁化方向反平行，则一一个电极个

13、电极中的多数自旋子带电子中的多数自旋子带电子的自旋与另一个电极的少数自旋的自旋与另一个电极的少数自旋子带电子的自旋子带电子的自旋平行平行，这样，一，这样，一个电极中的多数自旋子带的电子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必须在另一个电极中寻找少数自自旋旋子带的空态，因而其隧道电阻子带的空态，因而其隧道电阻必然与两电极磁化方向平行时的必然与两电极磁化方向平行时的电阻有所差别。电阻有所差别。各种典型磁电阻体系的性能比较各种典型磁电阻体系的性能比较巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的应用19561956年，年，IBMIBM的科学家的科学家ReynoldReynold Johnson J

14、ohnson发明了世界上第一个计算发明了世界上第一个计算机硬盘；机硬盘；2020世界世界8080年代末，年代末，IBMIBM成功地在硬盘读出头中使用磁电阻效应；成功地在硬盘读出头中使用磁电阻效应；19881988年，阿尔贝费尔和彼得格林贝格尔分别领导的两个独立小年，阿尔贝费尔和彼得格林贝格尔分别领导的两个独立小组在磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应；组在磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应；19941994年，年，IBMIBM的科学家的科学家ParkinParkin，根据巨磁电阻效应，研制出灵敏度，根据巨磁电阻效应，研制出灵敏度很高的硬盘读出磁头，将硬盘存储密度提高了很高的硬盘读出磁头，将硬盘存储密度提

15、高了1717倍；倍；19971997年，年，IBMIBM推出了基于巨磁电阻效应的商业化硬盘产品推出了基于巨磁电阻效应的商业化硬盘产品；20042004年，希捷公司在硬盘读出头中开始采用隧道磁电阻效应。年，希捷公司在硬盘读出头中开始采用隧道磁电阻效应。 巨巨磁电阻效应的应用磁电阻效应的应用 巨巨磁电阻效应的应用磁电阻效应的应用当记录媒介上的剩余磁场作用于磁头时，自旋阀多层当记录媒介上的剩余磁场作用于磁头时，自旋阀多层膜的自由层磁化强度方向发生改变，电阻的变化通过膜的自由层磁化强度方向发生改变，电阻的变化通过磁头的电流读出。磁头的电流读出。巨巨磁电阻效应的应用磁电阻效应的应用磁磁电阻效应电阻效应的其它应用的其它应用GMR传感器传感器磁随机磁随机存储器存储器电压电压隔离器隔离器巨巨磁电阻效应的应用磁电阻效应的应用磁随机存储器同其他磁记录方式一样磁随机存储器同其他磁记录方式一样是利用磁性材料的不同的磁化状