磁电阻效应的研究进展

磁电阻效应的研究进展

磁阻效应是指在磁体作用下，指导体或半夏的电阻值发生变化的现象。1857年，我首先发现了磁体各向异性磁强（amr）的影响，但没有引起人们的充分关注。1988年，法国巴黎大学的巴西科学家巴基奇首次发现了多层面的磁强效应，这立即引起了国际界工业界和学术界的高度关注。现在它是目前凝聚态物理的热点之一。近20年来，我们在新现象、新材料、新技术的应用等方面取得了一些突破，形成了新学科：磁电学。随着电子和电子技术的快速发展和技术成熟，促进了下一代微磁性材料的发展。磁阻材料在高密度读出磁头磁传感器、微弱磁场测量、各类运动的检测等领域有着宽广的应用,从而成为国际上引人瞩目的研究领域.磁电阻传感器以其特有的优点,广泛应用在磁场测量、数据存储、汽车电子和工业控制的各个领域.磁阻器件品种较多,可分为正常磁电阻、各向异性磁电阻、巨磁电阻等.本文主要介绍上述磁阻器件的原理及其在磁阻传感器中的应用.1磁强效应的基本原则1.1磁场强度的影响正常磁电阻效应来源于磁场对电子的洛仑兹力,导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运动,使电子碰撞几率增加,电阻增大.正常磁电阻效应包括物理磁阻效应和几何磁阻效应,物理磁阻效应又称为磁电阻率,表现为当洛仑兹力和霍尔电场所产生的静电力合力作用的结果平衡时电子的速度V0为V0=VH/(Bjb).V0=VΗ/(Bjb).如果电子运动的速度V>V0时,电子将沿着洛仑兹力作用的方向偏转,使沿着外电场方向的电流密度减小,即由于磁场的存在而增加了电阻,其电阻值随着磁场强度绝对值的增加而增大.其关系式为Δρρ=ρB−ρ0ρ0∝H2μ2,Δρρ=ρB-ρ0ρ0∝Η2μ2,式中:ρ0、ρB分别为无有磁场时的电阻率.H是磁场强度,μ是载流子迁移率.几何磁阻效应是在相同磁场作用下,几何形状不同的半导体片出现电阻值不同变化的现象.实验证明,在弱磁场的作用下,电阻率的相对变化率为RBR0=ρBρ0(1+gμ2B2).RBR0=ρBρ0(1+gμ2B2).在中等磁场下:RBR0=ρBρ0(1+gμnBn)(1<n<2),RBR0=ρBρ0(1+gμnBn)(1<n<2),在强磁场下:RBR0=ρBρ0(1+gμB).RBR0=ρBρ0(1+gμB).g为形状系数,与半导体片长L、宽W和霍尔角有关.为了得到大的电阻值,又提高磁敏电阻的灵敏度,通常采用栅格形结构,即在长条行电阻条中设置许多与电流方向垂直的短路金属条,这些短路金属条的作用是将霍尔电压短路,以获得较大的磁阻效应.由上述可知,Δρ/ρ与μ和B有关,因此选用载流子迁移率比较大的半导体材料,通常采用半导体InSb和InAS作为磁敏材料.可选用陶瓷、微晶玻璃或铁氧体材料作为衬底.对衬底的厚度均匀性有严格的要求,误差不得超过1μm.1.2各向异性磁阻对于铁、钴、镍及其合金等强磁性金属,当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时,电阻几乎不随外加磁场变化,当外加磁场偏离金属的内磁化方向时,此类金属的电阻值将减小,这就是强磁金属的各向异性磁阻效应.在物理机制上,研究学者普遍认为各向异性磁阻效应来源于各向异性散射,各向异性散射是由于电子自旋-轨道耦合和势散射中心的低对称,降低了电子波函数的对称性,从而导致了电子散射的各向异性.铁磁性磁畴在外磁场下各向异性运动,使AMR效应强烈依赖于自发的磁场方向.坡莫合金是典型的各向异性磁电阻材料,坡莫合金薄膜的电阻率ρ依赖于磁化强度M和电流I方向的夹角ϕ,即ρ(ϕ)=ρvertical+(ρparallel-ρvertical)cos2ϕ,式中:ρvertical和ρparallel分别为垂直于M和平行于M的电阻率.玻莫合金(Fe20Ni80)在弱磁场下电阻变化量比较大,因此适合于弱磁场条件下使用.1.3巨磁电阻效应许多物质在外磁场作用下都可观察到磁电阻效应,但一般材料最大只有2%～3%.Baibich等首次报道了Fe/Cr超晶格的磁电阻变化率达到50%,比通常磁电阻效应大一个数量级,而且远远超过多层膜中Fe层磁电阻变化总和,这一现象被称为巨磁电阻效应.巨磁电阻效应只有在纳米尺度的薄膜中才能观测到,因此纳米材料以及超薄膜制备技术的发展使巨磁电阻传感器芯片得以实现.已经发现具有巨磁阻效应的材料有很多种,其特性不同,产生机理也不同.通常可分为磁性多层膜、颗粒膜、隧道巨磁阻、磁性半导体和具有钙钛矿型结构的锰氧化物等.1.3.1电子自旋相关散射多层膜是利用分子束外延或溅射技术生成的铁磁性和非铁磁性薄膜交替重叠的超晶格结构.目前,已经对磁性多层膜提出了许多理论模型,例如Fert等人早期提出的基于磁性金属中导电过程的二流体散射模型,Erich等人提出的量子力学处理方法,Camley等人提出的唯象理论.这些理论的焦点问题是界面的粗糙度所引起的电子自旋相关散射.从经典的角度看,粗糙度引入了界面的反射与透射系数;从量子的角度看,它引入了自旋相关散射势.这些模型中相对比较成熟的是二流体模型,二流体模型的定性解释见参考文献,二流体模型如图1所示.由二流体模型可知,磁性多层膜中相邻磁层的磁矩在外加磁场的作用下成不同角度时,自旋向上和自旋向下的传导电子受到散射程度不同,表现出不同的阻抗,这就是磁性多层膜的巨磁效应的起因.1.3.2微胶囊的新工艺颗粒膜具有微颗粒和薄膜双重特性及其交互作用效应,因此从磁性多层膜巨磁效应的研究延伸到磁性颗粒膜巨磁效应的研究有其内在的必然性.1992年,Chien与Berkowitz分别在Co-Cu及Co-Ag颗粒膜中发现了类似于多层膜磁电阻效应.颗粒膜中的巨磁电阻效应类似于多层膜的情况,起源于自旋相关的杂质离子的散射,主要是磁性颗粒本身之间的相互散射.所不同的是颗粒膜的GMR效应是各项同性的,其垂直磁电阻和纵向磁电阻相同,但在多层膜中,由于退磁因子,二者略有不同.颗粒膜中的颗粒是呈混乱的统计分布,其工艺制备比较简单且较实用.常见的制备方法有共蒸发,共溅射,离子注入等,但实验室常用磁控溅射及粒子束溅射等方法来制备.1.3.3.3.3巨磁阻1975年,Julliere首先在两铁磁层发现了隧道巨磁效应(TunnelingMagnetoresistance,TMR),经过20年的研究,在1995年找到了影响该类磁阻的主要因素为底层铁磁膜的表面粗糙度、界面质量、铁磁膜的畴壁以及这些因素导致的隧穿势垒等.隧道巨磁阻在形式上属于多层膜结构之一,但隧道巨磁阻的磁致电阻机理与多层膜不同,磁性多层膜的巨磁阻效应一般发生在磁性层/非磁层/磁性层之间,其中非磁层为金属层,对于非磁层为半导体或绝缘体材料的磁性多层膜体系,若在垂直于膜面即横跨绝缘体材料层的电压作用下可以产生隧穿电流,便形成了隧道磁电阻效应.巨磁电阻大小与铁磁金属层的自旋极化率有关,磁隧道结这种结构本身电阻率很高,能耗小,性能稳定,所以TMR被认为有很大的应用价值.1.3.4混合价锰系统的磁电化学研究1994年Jin等在LaAlO3单晶基片上外延生长类钙钛矿结构的La1-xCaxMnO3薄膜,在77K和4.77MA/m磁场下的磁电阻变化率为1.27×105%,被称为庞磁电阻(colossalmagnetoresistance,CMR).其主要由于钙钛矿类的亚锰酸(LaMnO3)中的La3+部分被Ca、Ba和Cd等二价离子替换时,呈现出强铁磁性和金属导电性,类钙钛矿的Ln1-xMxMnO3系氧化物具有一个共同特征,在一定温度范围时外磁场可使其从顺磁性或反铁磁性变为铁磁性,在磁性发生转变的同时,其导电特性从半导体态转变为金属态,从而使其电阻率产生巨大的变化.文献提出双交换机理和非磁无序效应相结合的理论模型,较成功地解释了混合价锰氧化物的庞磁电阻效应,取得了和实验结果的定量一致.这类氧化物膜只有在极强磁场作用下,才能显示特大磁电阻效应,因此实用化过程比较难.2gmr在磁电阻传感器检测中的应用在GMR传感器研制以前,使用的磁电阻传感器主要是利用正常磁电阻传感器、各向异性磁电阻传感器以及霍尔传感器.正常磁电阻传感器受温度影响比较大,目前应用已经比较少.AMR材料制成的传感器,具有体积小、灵敏度高、阻抗低、抗恶劣环境、价格低廉等优点.但由于AMR磁电阻率变化小,在检测微弱磁场时受到限制.利用GMR效应的传感器继承了AMR传感器的优点,并且,由于GMR磁电阻变化率大,使它能传感微弱磁场,扩大了磁电阻传感器测量范围和应用,呈现出广阔的应用前景.2.1多层膜磁阻薄膜磁头的研制和发展磁阻材料首先是作为计算机硬盘的读出磁头的磁场传感器而被商业化应用的.采用薄膜磁电阻磁头读取信息,磁场的微弱变化对应着磁电阻的显著变化,是读取高密度磁记录信息较理想的手段.其结构如图2所示,当记录媒质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变化,从而引起磁头电阻的变化,电阻的变化经通过磁头的电流读出.1979年IBM公司宣布研制成功利用电镀薄膜作为磁芯的薄膜磁头.1990年IBM又第一个研制出用于高密度磁记录的复合型磁阻薄膜磁头,在CoPtCr合金薄膜磁记录介质盘上实现了存储面密度0.155Gb/cm2.1994年IBM公司宣布首次利用GMR多层膜研制成计算机硬盘读出磁头,超过现有光盘记录密度.2000年日本富士通成功研制出存储密度为56.3Gb/in2的磁头.近年来,硬盘驱动器的存储密度以每年60%～100%的速度在持续增长,2003年,Sining.Mao研制出了存储密度为15.5Gb/cm2的垂直磁记录读磁头.2001年摩托罗拉宣布研制出GMR磁随机读取存储器(MagneticRandomAccessMemories,MRAM),结构如图3所示,磁随机存储器是以磁电阻特性储存记录信息的,具有非易失性.MRAM和硬盘记录原理类似,也采用磁化方向记录0与1.只要外磁场不变,磁化方向就不会改变.此外,MRAM写入和读取速度可媲美SRAM,达到纳秒量级,同时在记录容量上可与DRAM相抗衡.由于隧道巨磁电阻需要的是小电流、低电压信号,因而,进入时间短.因此利用隧道巨磁电阻效应可以进一步提高存储密度和实现快速存取.这将带动计算机内存储器的一场革命.2.2巨磁电阻角速度传感器InSb磁敏电阻元件是较早应用于角度和角速度检测的磁半导体传感器,这类传感器的核心敏感元件是矩形三端差分型InSb磁敏电阻,与磁性齿轮配合使用.当齿轮转动时,通过磁敏电阻的改变,周期的输出准正弦曲线,输出信号的幅度与转速无关,输出信号的频率与转速有关.InSb磁敏电阻元件由于受温度的影响大,误差较大.后来,巨磁电阻逐渐取代了InSb磁敏电阻元件.巨磁电阻角速度传感器结构示意图如图4所示.图4(a)是带有焊盘的全桥式GMR传感器芯片的结构图,图4(b)是角速度传感器的整体结构图,图4(c)是传感器输出信号图.利用GMR效应,当铁齿轮转动时,靠近铁齿轮的永磁铁边缘场的分布会发生变化,在图4(b)所示的位置放置GMR传感器对磁通变化的方向产生感应.就可以实现非接触角速度和位置检测.2.3异性磁阻检测利用磁阻效应可以进行电流检测,磁电流传感器的基本原理是利用磁场的变化,将其转化为电阻的变化,根据响应变换得到需要测量的电流值.InSb-In电流传感器常采用半桥式结构,被测电流与永磁铁产生的偏置磁场叠加的空间磁场引起半桥电阻改变,通过检测电位的变化可以来测量电流,黄钊洪设计了一种交流电流传感器,被检测的弱电流信号可低至10mA,通频带为7～1800Hz.由于巨磁电阻具有更大的电阻变化率,因此具有更高的检测灵敏度.MichaelVieth报道了一种人造反铁磁的非接触电流检测GMR传感器,能够可靠的检测0～40A的电流.2005年,Laimer提出了一种基于各向异性磁阻效应的可商用的闭环式电流传感器,传感器的带宽为0～1MHz,便于集成,通过专用的ASIC芯片可以减小传感器的体积,温度漂移小于输出信号的1%.2.4巨磁传感器和生物传感近年来,磁敏电阻传感器在生物传感器的应用中越来越广泛,将磁性颗粒表面包上一层抗体,这种抗体只与特定的被分析物结合,因而可附着在生物样本上作为磁性标记.在GMR传感器上也附着同样的磁性标记,当利用传感器检测含有被分析物的溶液时,两磁性标记间磁场的变化将引起巨磁电阻传感器输出的变化,可以进行分析物的检测.J.C.Rife设计的生物传感器的结构如图5所示,图6是该生物传感芯片的光学显微照片,该传感器主要用于生物样本的磁性标记和检测跟踪.谢欣研发了一种以羧基修饰的磁性纳米粒子作为固相载体,从全血唾液和细菌培养基中快速提取基因组DNA并扩增靶基因的通用方法.这种羧基修饰磁性纳米粒子不但可以从样品中富集靶细胞和从细胞裂解液中吸附DNA,而且吸附在纳米磁珠表面的DNA可以不用洗脱而直接作为目标基因PCR扩增的模板,从而通过功能集成简化了从靶细胞富集到靶基因扩增的全过程.2004年,D.K.Wood研制了一种亚微型的用于生物检测的巨磁传感器,估计了该传感器的灵敏度,对