关于巨磁阻效应的研究综述

关于巨磁阻效应的研究综述logo[物理论文]相关背景•2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度，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阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。巨磁阻又称特大磁电阻，庞磁电阻等，其MR(磁电阻)可高达10^6%！诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。他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。目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。正如一位中国科研人员所言：“看看你的计算机硬盘存储能力有多大，就知道他们的贡献有多大了。”或许我们这才明白，司空见惯的笔记本电脑、MP3、U盘等消费品，居然都闪烁着耀眼的科学光芒。诺贝尔奖并不总是代表着深奥的理论和艰涩的知识，它往往就在我们身边，在我们不曾留意的日常生活中。一、基本知识•众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区。•磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特（bit）信息，即0或1。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。当磁头“扫描”过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有信息的原始译码。•最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。然而，随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种磁头，磁致电阻的变化仅为1%～2%之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆位。硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。•1997年，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了巨磁阻效应，这一技术已然成为新的标准。二、发现过程早在1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应（GiantMagneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。费尔的实验结果横坐标为磁化强度，纵坐标为磁化时电阻与无磁化时电阻的比值；三条曲线分别显示了三种不同厚度结构的铁、铬薄膜层。三、效应概念及原理所谓巨磁阻效应，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，它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。FM（蓝色）表示磁性材料，NM（橘色）表示非磁性材料，磁性材料中的箭头表示磁化方向；Spin的箭头表示通过电子的自旋方向；R（绿色）表示电阻值，绿色较小表示电阻值小，绿色较大表示电阻值大。巨磁阻效应示意图来自剑桥大学的一位物理学家TonyBland介绍说：“这些材料一开始看起来非常玄妙，但是最后发现它们有非常巨大的应用价值。它们为生产商业化的大容量信息存储器铺平了道路。同时它们也为进一步探索新物理——比如隧穿磁阻效应、自旋电子学以及新的传感器技术——奠定了基础。但是大家应该注意到的是：巨磁阻效应已经是一种非常成熟的旧技术了，目前人们感兴趣的问题是如何将隧穿磁阻效应开发为未来的新技术宠儿。”四、效应应用•1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，创下了世界记录。硬盘的容量从4GB提升到了600GB或更高。•采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高到560亿位/平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。随着低电阻高信号的TMR的获得，存储密度达到了1000亿位/平方英寸。•除读出磁头外，巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中现如今,移动硬盘、MP3播放器等磁盘驱动设备随处可见,每天我们都可以将这些小巧精致的科技产品放在衣袋中随身携带，随时享受它们给我们带来的便利和快乐，然而为了这一时刻的到来，伟大的公司与伟大的科学家一起，都付出了难以计算的智慧和辛劳！作为一名大学生，我们应时刻牢记自己的天职，努力学习，多观察，多思考，求实创新，为社会和人类做出自己的贡献！！！谢谢观赏！logo