巨磁电阻效应

巨磁电阻效应摘要：巨磁电阻（GMR）效应自发现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视,GMR效应已成为当前凝聚态物理研究的热点之一。它不仅具有重要的科学意义,而且具有多方面的应用价值。目前,GMR效应主要用于磁传感器、随机存储器和高密度读写磁头等方面。此外,GMR传感器在自动化技术、家用电器、卫星定位、导航、汽车工业、医疗等方面都具有广泛的应用前景。在磁场作用下，因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，被称为磁致电阻（MagneticResistance，MR）效应。铁磁金属和合金一般都有磁致电阻现象。磁致电阻效应的产生有不同的物理机制，按不同的物理机制可作如下分类：正常磁电阻效应、各向异性磁电阻效应、巨磁电阻效应、掺杂稀土锰氧化物的超巨磁电阻效应以及隧道磁电阻效应。目前，各向异性磁电阻效应的应用最广，巨磁电阻效应、超巨磁电阻效应和隧道磁电阻效应因性能优于各向异性磁电阻效应而成为研究热点，其中，巨磁电阻（GaintMagnetoresistance，GMR）效应是研究最广泛、最深入、科研和实用价值最高的磁致电阻效应。1，巨磁电阻效应的发现1980年，美国IBM研发人员利用MR技术研制成功了MR的磁阻磁头，实现了硬盘驱动器的第一次飞跃。但随着信息技术的突飞猛进，对信息存储容量的要求不断提高，利用MR技术，即使在很大的磁场作用下，磁致电阻的变化也只有1%～3%，这远远满足不了实际发展的需求，为此，必须寻找和发明新的MR技术。1986年，德国的P.Grünberg研究小组在真空环境下通过分子束外延（MBE）技术，制备了一种“铁磁/非磁/铁磁”（Fe/Cr/Fe）三明治式薄膜结构，研究发现，当Cr层厚度为0.9nm时，材料获得了很高电阻值。两年后，法国的A.Fert研究小组在Fe（3nm）/Cr（0.9nm）金属超晶格多层膜中同样发现，在一定外磁场存在下，该结构的电阻值发生急剧变化，当外磁场为2KOe，温度为4.2K时，其磁电阻变化率超过50%。由于Fe/Cr多层膜的磁电阻效应非常明显，因此被定义为巨磁电阻效应。图1-1为Fe/Cr多层膜巨磁电阻效应示意图，由图中可以看出，在无外加磁场时，磁性层的磁矩呈反平行排列，随着外加磁场逐渐增大，磁性层的磁矩在外磁场的作用下趋于平行排列，多层结构的电阻随之减小，当外加磁场强度达到使磁性层磁化饱和时，即磁性层磁矩为平行态时，电阻减小到最小值，反平行态时电阻值最大。由于Fe/Cr多层膜的磁电阻效应非常明显，因此被定义为巨磁电阻效应。2，巨磁电阻效应产生机理1936年科学家N.H.Mott发现将铁磁金属加热到居里温度以上，其电阻会发生显著增加，Mott通过研究，建立了“双流体”理论模型（即Mott模型），并成功解释了该现象。Mott模型的基本思想是：（1）电子在传输过程中的自旋翻转可忽略，即将电子分成自旋向上和自旋向下两种独立的导电通道，类似于并联输运通道；（2）在铁磁金属中对磁性有贡献的3d电子自旋取向分为自旋向上与自旋向下两种，磁性层的磁矩方向取决于自旋电子产生的自旋磁矩的取向；（3）传导电子在输运过程中受到的散射取决于磁性层磁矩的取向。巨磁电阻的产生机理可以采用Mott模型来阐述。在非磁性金属中，自旋向上和自旋向下的电子数是相同的，不存在自旋极化现象，而在铁磁金属中，由于量子力学交换作用，铁磁金属的3d轨道局域电子能带发生劈裂，自旋向上与自旋向下的电子在Fermi面处的数目是不同的，在一定电场的推动下会发生自旋极化，导致它们对不同自旋取向的传导电子的散射不同。当不同自旋取向的传导电子经过铁磁层时，被散射的程度取决于铁磁层磁矩的取向，导致了相邻铁磁层在平行态和反平行态时电阻值的不同，从而产生巨磁电阻效应。为了简化，这里以格林贝格尔实验中的铁磁／非磁／铁磁的三明治结构，即Fe／Cr／Fe，为例来介绍。费尔的实验中的超品格多层膜结构可以用相同的物理机理来解释。巨磁电阻效应通常用两自旋电流模型来描述。当磁矩平行和反平行时相应的态密度示意图。当两个铁磁层磁矩平行时，两边费米能级处自旋向下的电子数都较多，因此在两个铁磁／非磁界面受到的散射很弱，是低电阻通道，表示为2RL(其中2表示受到两个界面散射)；相反，自旋向上的电子数较少，因此在两个铁磁／非磁界面受到的散射很强，是高电阻通道，表示为2RH。根据两自旋电流模型，相应的等效电阻如右图所示。所以，总电阻为2RLRH／(RL+RH)。当两个铁磁层磁矩反平行时(图2(b))，左边铁磁电极费米能级处自旋向下的电子数较多，对自旋向下的电子，在穿过第一个铁磁／非磁界面时受到的散射较弱，是低电阻态，RL；但是在第二个铁磁层中，自旋向下的电子态密度较少，在铁磁／非磁界面受到的散射很强，是高电阻态RH，因此，自旋向下的通道的总电阻就是(RL+RH)。相似的，对自旋向上的电子通道，电子在两个界面处分别受到强散射和弱散射，总电阻为(RL+RH)，如图3(b)所示，总电阻为(RL+RH)／2。所以，磁电阻的大小为[1]：[1]3，巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的发现促进了磁电子学的兴起和发展，GMR材料的优异性能使其在信息记录及磁电子学器件等领域有着广阔的应用前景，目前其工业应用主要集中在以下几个方面：（1）巨磁电阻高密度读出磁头：在高密度磁记录信息应用领域，传统的AMR磁头的最大磁电阻仅为6%，磁场灵敏度最大约为0.4%/Oe，对于微弱的信号无法形成磁电阻，已不能满足市场的需求。巨磁电阻磁头的磁电阻值在室温下高达30%，磁场灵敏度可达1%/Oe，磁头分辨率得到了很大提高，这意味着即使将信息的磁单位面积大大缩小，磁头也可以分辨出来，因而在高密度磁记录信息领域具有很高的应用价值。2002年，Fujitsui公司采用CPP-GMR磁头和垂直记录技术，成功开发出记录密度达300Gb/in2（46.5Gb/cm2）的超高密度读出磁头使GMR高密度读出磁头的市场价值得到实现，从而开创了信息记录领域的新纪元。（2）巨磁电阻传感器：磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向等。由于GMR元件的磁电阻变化率大，磁场灵敏度高，可传感微弱磁场，不仅大大提高了磁传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标，还扩大了磁电阻传感器的测量和应用范围，在家用电器、汽车、自动控制、物性检测和生物医学等方面呈现出广阔的应用前景。（3）巨磁电阻随机存储器：采用GMR效应制备的巨磁电阻随机存储器（MRAM）与传统半导体随机存储器相比，不仅具有非易失性、抗辐射、长寿命和低成本等优点，而且其所需电流电压信号小、响应时间短，实现了高存储密度和快速存取。Honeywell公司是首个利用GMR材料作为存储器芯片的公司，之后IBM、摩托罗拉、西门子和INESC等都开始加紧研究。IBM公司的Tang等人提出了自旋阀GMR设计方案，采用NiFe/Cu/NiFe/MnFe自旋阀巨磁电阻多层膜作为存储单元，使存储速度达到亚纳秒（10-10s）数量级，为计算机内存储器的研究指明了新的研究方向。