巨磁電阻效應(yīng)

1、 巨磁電阻效應(yīng)摘要： 巨磁電阻（GMR）效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來即引起各國企業(yè)界及學(xué)術(shù)界的高度重視,GMR效應(yīng)已成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究的熱點之一。它不僅具有重要的科學(xué)意義,而且具有多方面的應(yīng)用價值。目前,GMR效應(yīng)主要用于磁傳感器、隨機存儲器和高密度讀寫磁頭等方面。此外,GMR傳感器在自動化技術(shù)、家用電器、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航、汽車工業(yè)、醫(yī)療等方面都具有廣泛的應(yīng)用前景。在磁場作用下，因磁性金屬內(nèi)部電子自旋方向發(fā)生改變而導(dǎo)致電阻改變的現(xiàn)象，被稱為磁致電阻（Magnetic Resistance，MR）效應(yīng)。鐵磁金屬和合金一般都有磁致電阻現(xiàn)象。磁致電阻效應(yīng)的產(chǎn)生有不同的物理機制，按不同的物理機制可作如下分類：正常

2、磁電阻效應(yīng)、各向異性磁電阻效應(yīng)、巨磁電阻效應(yīng)、摻雜稀土錳氧化物的超巨磁電阻效應(yīng)以及隧道磁電阻效應(yīng)。目前，各向異性磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用最廣，巨磁電阻效應(yīng)、超巨磁電阻效應(yīng)和隧道磁電阻效應(yīng)因性能優(yōu)于各向異 性磁 電阻效應(yīng)而成為研究熱點 ，其中，巨磁電阻（ GaintMagnetoresistance，GMR）效應(yīng)是研究最廣泛、最深入、科研和實用價值最高的磁致電阻效應(yīng)。1，巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)1980 年，美國 IBM 研發(fā)人員利用 MR 技術(shù)研制成功了 MR 的磁阻磁頭，實現(xiàn)了硬盤驅(qū)動器的第一次飛躍。但隨著信息技術(shù)的突飛猛進，對信息存儲容量的要求不斷提高，利用 MR 技術(shù)，即使在很大的磁場作用下，磁致電阻

3、的變化也只有 1%3%，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實際發(fā)展的需求，為此，必須尋找和發(fā)明新的 MR技術(shù)。1986 年，德國的 P.Grnberg 研究小組在真空環(huán)境下通過分子束外延（MBE）技術(shù)，制備了一種“鐵磁/非磁/鐵磁”（Fe/Cr/Fe）三明治式薄膜結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng) Cr 層厚度為 0.9nm 時，材料獲得了很高電阻值。兩年后，法國的A. Fert 研究小組在 Fe（3nm）/Cr（0.9nm）金屬超晶格多層膜中同樣發(fā)現(xiàn)，在一定外磁場存在下，該結(jié)構(gòu)的電阻值發(fā)生急劇變化，當(dāng)外磁場為 2KOe，溫度為4.2K 時，其磁電阻變化率超過 50%。由于 Fe/Cr 多層膜的磁電阻效應(yīng)非常明顯，因此被定義為巨

4、磁電阻效應(yīng)。圖 1-1 為 Fe/Cr 多層膜巨磁電阻效應(yīng)示意圖，由圖中可以看出，在無外加磁場時，磁性層的磁矩呈反平行排列，隨著外加磁場逐漸增大，磁性層的磁矩在外磁場的作用下趨于平行排列，多層結(jié)構(gòu)的電阻隨之減小，當(dāng)外加磁場強度達(dá)到使磁性層磁化飽和時，即磁性層磁矩為平行態(tài)時，電阻減小到最小值，反平行態(tài)時電阻值最大。由于 Fe/Cr 多層膜的磁電阻效應(yīng)非常明顯，因此被定義為巨磁電阻效應(yīng)。2，巨磁電阻效應(yīng)產(chǎn)生機理1936 年科學(xué)家 N.H.Mott 發(fā)現(xiàn)將鐵磁金屬加熱到居里溫度以上，其電阻會發(fā)生顯著增加，Mott通過研究，建立了“雙流體”理論模型（即 Mott 模型），并成功解釋了該現(xiàn)象。Mott

5、模型的基本思想是：（1）電子在傳輸過程中的自旋翻轉(zhuǎn)可忽略，即將電子分成自旋向上和自旋向下兩種獨立的導(dǎo)電通道，類似于并聯(lián)輸運通道；（2）在鐵磁金屬中對磁性有貢獻的 3d 電子自旋取向分為自旋向上與自旋向下兩種，磁性層的磁矩方向取決于自旋電子產(chǎn)生的自旋磁矩的取向；（3）傳導(dǎo)電子在輸運過程中受到的散射取決于磁性層磁矩的取向。巨磁電阻的產(chǎn)生機理可以采用 Mott 模型來闡述。在非磁性金屬中，自旋向上和自旋向下的電子數(shù)是相同的，不存在自旋極化現(xiàn)象，而在鐵磁金屬中，由于量子力學(xué)交換作用，鐵磁金屬的 3d 軌道局域電子能帶發(fā)生劈裂，自旋向上與自旋向下的電子在 Fermi 面處的數(shù)目是不同的，在一定電場的推動

6、下會發(fā)生自旋極化，導(dǎo)致它們對不同自旋取向的傳導(dǎo)電子的散射不同。當(dāng)不同自旋取向的傳導(dǎo)電子經(jīng)過鐵磁層時，被散射的程度取決于鐵磁層磁矩的取向，導(dǎo)致了相鄰鐵磁層在平行態(tài)和反平行態(tài)時電阻值的不同，從而產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)。為了簡化，這里以格林貝格爾實驗中的鐵磁非磁鐵磁的三明治結(jié)構(gòu)，即FeCrFe，為例來介紹。費爾的實驗中的超品格多層膜結(jié)構(gòu)可以用相同的物理機理來解釋。巨磁電阻效應(yīng)通常用兩自旋電流模型來描述。 當(dāng)磁矩平行和反平行時相應(yīng)的態(tài)密度示意圖。當(dāng)兩個鐵磁層磁矩平行時，兩邊費米能級處自旋向下的電子數(shù)都較多，因此在兩個鐵磁非磁界面受到的散射很弱，是低電阻通道，表示為2RL(其中2表示受到兩個界面散射)；相反，

7、自旋向上的電子數(shù)較少，因此在兩個鐵磁非磁界面受到的散射很強，是高電阻通道，表示為2RH。根據(jù)兩自旋電流模型，相應(yīng)的等效電阻如右圖所示。所以，總電阻為2RLRH(RL+RH)。當(dāng)兩個鐵磁層磁矩反平行時(圖2(b)，左邊鐵磁電極費米能級處自旋向下的電子數(shù)較多，對自旋向下的電子，在穿過第一個鐵磁非磁界面時受到的散射較弱，是低電阻態(tài)，RL；但是在第二個鐵磁層中，自旋向下的電子態(tài)密度較少，在鐵磁非磁界面受到的散射很強，是高電阻態(tài)RH，因此，自旋向下的通道的總電阻就是(RL+RH)。相似的，對自旋向上的電子通道，電子在兩個界面處分別受到強散射和弱散射，總電阻為(RL+RH)，如圖3(b)所示，總電阻為(R

8、L+RH)2。所以，磁電阻的大小為1：13，巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)促進了磁電子學(xué)的興起和發(fā)展，GMR 材料的優(yōu)異性能使其在信息記錄及磁電子學(xué)器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，目前其工業(yè)應(yīng)用主要集中在以下幾個方面：（1）巨磁電阻高密度讀出磁頭：在高密度磁記錄信息應(yīng)用領(lǐng)域，傳統(tǒng)的 AMR磁頭的最大磁電阻僅為 6%，磁場靈敏度最大約為 0.4%/Oe，對于微弱的信號無法形成磁電阻，已不能滿足市場的需求。巨磁電阻磁頭的磁電阻值在室溫下高達(dá)30%，磁場靈敏度可達(dá) 1%/Oe，磁頭分辨率得到了很大提高，這意味著即使將信息的磁單位面積大大縮小，磁頭也可以分辨出來，因而在高密度磁記錄信息領(lǐng)域具有很高

9、的應(yīng)用價值。2002 年，F(xiàn)ujitsui 公司采用 CPP-GMR 磁頭和垂直記錄技術(shù)，成功開發(fā)出記錄密度達(dá) 300Gb/in2（46.5Gb/cm2）的超高密度讀出磁頭使 GMR 高密度讀出磁頭的市場價值得到實現(xiàn)，從而開創(chuàng)了信息記錄領(lǐng)域的新紀(jì)元。（2）巨磁電阻傳感器：磁傳感器主要用來檢查磁場的存在、強弱、方向等。由于 GMR 元件的磁電阻變化率大，磁場靈敏度高，可傳感微弱磁場，不僅大大提高了磁傳感器的分辨率、靈敏度、精確性等指標(biāo)，還擴大了磁電阻傳感器的測量和應(yīng)用范圍，在家用電器、汽車、自動控制、物性檢測和生物醫(yī)學(xué)等方面呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。（3）巨磁電阻隨機存儲器：采用 GMR 效應(yīng)制備的巨磁電阻隨機存儲器（MRAM）與傳統(tǒng)半導(dǎo)體隨機存儲器相比，不僅具有非易失性、抗輻射、長壽命和低成本等優(yōu)點，而且其所需電流電壓信號小、響應(yīng)時間短，實現(xiàn)了高存儲密度和快速存取。Honeywell 公司是首個利用 GMR 材料作為存儲器芯