巨磁阻原理及應(yīng)用

巨磁阻效應(yīng)的原理及應(yīng)用摘要：介紹了巨磁阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)、原理及器件應(yīng)用。關(guān)鍵詞：巨磁阻效應(yīng)；原理；磁性材料；磁頭；應(yīng)用。1、引言近年來各種鐵磁／非鐵磁多層結(jié)構(gòu)的巨磁阻(GMR)效應(yīng)引起了實驗和理論工作者的廣泛興趣。人們對GMR效應(yīng)進行了一定程度的深入研究，并且取得了很大的成就。如今一些利用巨磁阻效應(yīng)制造器件的技術(shù)已經(jīng)相當成熟，并且具有非常廣闊的應(yīng)用前景。1997年，全球首個基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭問世。正是借助了巨磁阻效應(yīng)，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現(xiàn)引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今全世界幾乎所有，筆記本電腦、音樂播放器、數(shù)碼相機等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應(yīng)用了巨磁阻效應(yīng)，這一技術(shù)已然成為新的標準。當然巨磁阻的發(fā)現(xiàn)并非偶然，這種效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)建立在長期對交換耦合膜和鐵磁合金電子運輸這兩個相互獨立而又密切相關(guān)的領(lǐng)域所作的系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上。1986年Grunberg等人實驗中發(fā)現(xiàn)在“Fe/Cr/Fe”三明治結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e層之間可以通過Cr層進行交換作用，當Cr層在合適的厚度時，兩Fe層之間存在反鐵磁耦合。在此基礎(chǔ)上，1988年Baibich等人研究了在（001）GaAs基片上用分子束外延（MBE）生長的單晶（001）Fe/Cr/Fe三層膜和（Fe/Cr）超晶格的電子輸運性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當Cr層的厚度為9?時，在4.2K下20kOe的外磁場可以克服反鐵磁層間耦合而使相鄰Fe層磁矩方向平行排列，而此時電流方向平行于膜面的電阻率下降至不加外磁場（即相鄰Fe層磁化矢量反平行排列）時的一半，磁電阻值MR（%）=Δρ/ρHs=(ρ0-ρHs)/ρHs高達100%，其值較人們所熟知的FeNi合金各向異性磁電阻效應(yīng)約大一個量級，故命名為巨磁電阻效應(yīng)（GMR）。上圖為Fe/Cr多層膜在T＝4.2K時的磁電阻磁場關(guān)系。測量電流和磁場方向都沿著層面（110）軸。2、巨磁阻效應(yīng)原理磁致電阻效應(yīng)普遍存在于所有金屬（如Au，Cu等）以及半導體中。所謂磁電阻（MR），即磁致電阻，是指電阻率ρ在外加磁場H下所產(chǎn)生的變化；若電阻增大即為正磁阻效應(yīng)，減小則為負磁阻效應(yīng)。磁電阻通常情況下定義為：MR=Δρ/ρ（0）=ρ[（H）-ρ(0)]/ρ(0)通常其變化量Δρ的大小不僅依賴于磁場的大小，也和材料中電流與磁場的方位有關(guān)，即不同的H和J的夾角，其磁阻效應(yīng)是不一樣的。一般存在兩種磁阻效應(yīng)：徑向磁阻效應(yīng)Δρ∥=ρ∥（H）-ρ∥（0），對應(yīng)于磁場平行于電流方向；橫向磁阻效應(yīng)ΔρT=ρT（H）-ρT（0），對應(yīng)于磁場垂直于電流方向。當然對于薄膜材料，還有第三種位形，即H即垂直電流方向又垂直膜面，表示為Δρ⊥=ρ⊥（H）-ρ⊥（0）。通常金屬中的磁電阻都很小，在1%-3%左右；而在鐵磁／非鐵磁／鐵磁金屬多層膜結(jié)構(gòu)中得到的磁電阻可高達18%—24%,比通常金屬的磁電阻大很多，即巨磁阻效應(yīng)。所謂巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。這種效應(yīng)是一種量子力學效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。在多層膜上GMR效應(yīng)的特點有三個：（1）MR幅值巨大。（2）負磁電阻效應(yīng)（3）各向同性的磁電阻效應(yīng)，即MR與I和H的相對取向無關(guān)或基本無關(guān)。磁性金屬多層膜的巨磁電阻效應(yīng)與磁場的方向無關(guān)，是各向同性的，它僅依賴于相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向，而外磁場的作用不過是改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向，這說明電子的輸運與電子的自旋散射有關(guān)。當鐵磁層的磁矩相互平行時，且鐵磁材料的磁化方向與電子的自旋方向相同時載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻，電流易通過材料。當鐵磁層的磁矩為反平行時，電子的自旋方向與鐵磁材料的磁化方向相反時，與自旋有關(guān)的散射最強，材料的電阻最大FM1MNFM1MNFM2電子自旋方向圖（a）R1R1R2r1r2在圖（a）所示情況下，F(xiàn)M1和FM2表示磁性材料層，NM表示非磁性材料層。磁性材料中的箭頭表示磁化方向，且由圖可知兩個磁性材料的磁化方向相同。電子自旋方向如圖所示。當電子的自選方向與磁性材料的磁化方向相反時，有大電阻R1和R2，當電子的自旋方向與磁性材料的磁化方向相同時，有小電阻r1和r2。電流通過兩層磁性材料薄膜時，R1和R2相當于串聯(lián)，得到一個大電阻；r1和r2相當于串聯(lián)，得到一個小電阻，最后兩條支路并聯(lián)，所以得到較小的電阻。FM1FM1NMFM2電子自旋方向圖（b）R1R1R2r1r2在圖（b）所示情況下，F(xiàn)M1和FM2表示磁性材料層，NM表示非磁性材料層。磁性材料中的箭頭表示磁化方向，且由圖可知兩個磁性材料的磁化方向反向平行。電子自旋方向如圖所示。當電子的自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相反而與第二層磁性材料磁化方向相同時，有大電阻R1，小電阻r2，兩者相當于串聯(lián)，得到一個大電阻。當電子的自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同而與第二層磁性材料磁化方向相反時，有小電阻r1，大電阻R2，兩者相當于串聯(lián)，得一個大電阻。兩條支路并聯(lián)，得到一個大電阻。對于GMR效應(yīng)機制的量子力學模型的簡單介紹：對界面和體散射作統(tǒng)一處理，并且討論表面粗糙對薄膜電阻的影響，并且假設(shè)散射是自旋相關(guān)的?？傻贸龆鄬拥碾妼屎痛烹娮?。將多層膜內(nèi)非均勻結(jié)構(gòu)的平移不變的均勻運輸性質(zhì)，用平均自由程加以表征，后者與傳導電子格林函數(shù)的對角化相關(guān)聯(lián)，而它的位置依賴關(guān)系源于格林函數(shù)的非對角化部分。將格林函數(shù)分成對角和非對角兩部分，并且忽略不同格點的干涉項等，求出溫度為零時的位置相關(guān)的電導率：依據(jù)格林函數(shù)的對角化部分可以求出平均自由程：然后，再在周期T上對σ（z）求平均值，得到平均電導率σH。在平均自由程遠大于或遠小于周期T的極限情況下，可以求出磁電阻的表達式：3、巨磁阻效應(yīng)的應(yīng)用（1）新一代硬盤讀出磁頭巨磁阻效應(yīng)在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有著廣泛的應(yīng)用。利用巨磁電阻效應(yīng)做的磁頭用在計算機硬盤存儲上，使硬盤的記錄密度提高了千倍之多。隨著技術(shù)的發(fā)展，當存儲數(shù)據(jù)的磁區(qū)越來越小，存儲數(shù)據(jù)密度越來越大，這對讀寫磁頭提出更高的要求?，F(xiàn)在，利用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盤讀出磁頭，已經(jīng)把存儲密度提高到560億位/平方英寸。隨著低電阻高信號的TMR的獲得，存儲密度達到了1000億位/平方英寸。正是因為巨磁阻材料，才使得硬盤存儲密度在最近幾年內(nèi)每年的增長速度達到3～4倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在巨磁阻效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。（2）巨磁電阻隨機存取存儲器（MRAM）巨磁電阻隨機存取存儲器是采用納米制造技術(shù)，把沉積在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成圖形陣列，形成存儲單元，以相對兩磁性層的平行磁化狀態(tài)和反平行磁化狀態(tài)分別代表信息“1”和“0”；與半導體存儲器一樣，是用電檢測由磁化狀態(tài)變化產(chǎn)生的電阻值之差進行信息讀出的一種新型磁存儲器。MRAM潛在的重要優(yōu)點是非易失性，抗輻射能力強、壽命長。這些優(yōu)良的性能是DRAM、SRAM等半導體存儲器所不具備的。同時，它還兼有后者具有的大容量、高速存取、低成本、高集成度等特點。因此，MRAM不僅被軍事和宇航業(yè)界所看重，而且在迅速普及的數(shù)碼照相、移動電話及多媒體信息處理等廣闊的民用市場中得到廣泛的應(yīng)用。正因如此，很多發(fā)達國家和地區(qū)及高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)界都十分重視這項新技術(shù)，正投巨資加快產(chǎn)品的商業(yè)化。用GMR效應(yīng)制備的磁隨機存取存儲器作為計算機內(nèi)存芯片將是下一步推進計算機技術(shù)發(fā)展的一場革命，并有可能取代半導體芯片。（3）其它應(yīng)用利用GMR效應(yīng)還可以制作無刷直流電機。這種無刷直流電機不僅避免了因電刷摩擦給電機帶來的不好的影響，而且還可以實現(xiàn)電機高速旋轉(zhuǎn)及其調(diào)速和穩(wěn)速的目的。從而使得使用壽命增長，穩(wěn)定性和可靠性更好。利用GMR效應(yīng)還可研究出磁性二極管、三極管和各種邏輯元件等。與SRAM相比，MRAM芯片尺寸小、價格便宜；與DRAM相比，MRAM能耗低、存儲密度大、讀/寫時間短；與Flash相比，MRAM寫入時間短、使用壽命長。4、結(jié)語巨磁阻效應(yīng)有著廣闊應(yīng)用范圍和重要理論研究價值，作為磁電子學