医学知识 材料物理 龙毅版 3-8 磁性测量方法 巨磁阻效应 学习课件

3.8磁性测量方法磁性信号测量仪器样品球沿检测线圈方向做小幅振动时，在线圈中感应电动势正比于在x方向的磁通量的变化样品的振动方程：线圈中感应电动势：r：小线圈位置，A：线圈平均截面积；Vs：样品体积实际测量时通常用已知磁化强度的标准样品来进行相对测量。样品体积以直径代替：检测线圈中的电压与样品的饱和磁化强度Ms成正比3.8.2材料的交流（动态）磁性测量平均电动势：1.伏安法1.电桥法1.电桥法法国科学家阿尔贝·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。

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(magnetoresistance,MR)效应。通常，材料的MR不超过2-3%。磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象。

表征磁电阻效应大小的物理量为MR比，其定义由磁电阻系数η给出，公式如下，其中RH(ρH)为磁场为H时的电阻(率)，R0和ρ0为磁场为零时的电阻(率)。

η=(RH-R0)/R0=(ρH-ρ0)/ρ0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，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的电阻率不相等的效应。巨磁电阻效应的定义

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层膜中发现的，其中每一层的厚度只有几个原子层。巨磁电阻效应的定义

巨磁阻效应(GMR)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。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，材料的电阻最大。巨磁电阻效应的优势GMR所产生的大幅电阻变化可以提高更强的信号。巨磁电阻效应的优势该技术可以与现代的集成电路技术完美融合。

巨磁电阻材料的种类颗粒膜磁性多层膜具有钙钛矿型结构的锰氧化物隧道结巨磁电阻自旋阀结构磁性多层膜巨磁电阻材料磁性多层膜的巨磁电阻效应解释对于非磁性金属，自旋向上和向下的电子数相等，即电子的自旋是简并的，即不存在自旋极化和净磁矩。但对于铁磁性金属，由于交换作用，导致不同自旋取向的两个子能带产生相对位移，使得自旋向上的电子数与自旋向下的电子数不相等，即产生了净磁化强度。磁性多层膜的巨磁电阻效应解释二流体模型：

在铁磁金属中，导电的s电子磁性原子磁矩的散射作用（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收到的散射作用很弱，自旋方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用。各种典型磁电阻体系的性能比较巨磁电阻效应的应用1956年，IBM的科学家ReynoldJohnson发明了世界上第一个计算机硬盘；20世界80年代末，IBM成功地在硬盘读出头中使用磁电阻效应；1988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；1994年，IBM的科学家Parkin，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17倍；1997年，IBM推出了基于巨磁电阻效应的商业化硬盘产品；2004年，希捷公司在硬盘读出头中开始采用隧道磁电阻效应。

巨磁电阻效应的应用

巨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。巨磁电阻效应的应用磁电阻效应的其它应用GMR传感器磁随机存储器电压隔离器掌握：1.磁性的起源：基本磁学量、磁性系统的单位、自由原子的磁矩、材料中的原子磁矩、磁性的分类；2.磁性特征：磁畴壁、磁畴、不均匀和多晶磁畴结构、单畴结构、磁滞回线、磁导率、矫顽力、剩磁等物理意义与影响因素；3.自发磁化理论：铁磁材料的自发磁化理论、亚