巨磁阻效应

巨磁阻材料简介高一物理林炳发2007年物理诺贝尔奖法国科学家阿尔贝·费尔（左）和德国科学家彼得·格林贝格尔（右）先后独立发现了“巨磁电阻”效应。•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。•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、什么是巨磁阻效应?二、它是怎样发现的?三、产生这种效应的物理机制是什么?四、在应用方面有哪些意义和前景?1.磁电阻效应•材料的电阻随着外加磁场的变化而改变的效应。•磁性金属和合金一般都有磁电阻现象。材料的电阻大小不但受外加磁场大小的影响,而且受外加磁场与材料中电流之间相对方向的影响,故称为各向异性磁电阻(AMR)效应。•通常以材料电阻的相对改变量来表示磁电阻的大小,即用△R/R(0)表示。•△R=R(B)-R(0)•对于传统的铁磁导体,如Fe、Co、Ni及其合金等,在大多数情况下,磁电阻效应很小(约3%或更低)2.巨磁阻效应（GMR）•在某种条件下，电阻变化的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”。•在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中。•在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体。常见于锰钙钛矿化合物。3.“超巨磁阻效应”（CMR）二、巨磁阻效应的发现过程•磁阻效应最初于1856年由开尔文爵士发现。1、Fe和Ni放在磁场中,发现这些磁性材料在磁场作用下,沿着磁场方向测得的电阻增加,垂直于磁场方向测得的电阻减小。2、电阻增加或减小的幅度约在1%~2%之间。•20世纪70年代,固体物理学家应用纳米技术,能够制备出不同质地的强磁纳米膜和弱磁纳米膜。纳米级的薄膜,其厚度仅有数个原子层。•1988年,法国巴黎大学的费尔教授所在的研究小组与德国尤利希研究中心的彼得-格林贝格尔的研究小组分别意外地发现了非常巨大的磁电阻效应。多层磁膜的材料，这种材料是由厚度仅为几个原子的铁磁纳米材料薄膜与非磁性金属纳米膜层叠而成。•格林贝格尔的研究小组在最初的工作中只是研究了由铁、铬、铁三层材料组成的结构物质，实验结果显示电阻下降了1.5%。而费尔的研究小组则研究了由铁和铬组成的多层材料，使得电阻下降了50%。•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、巨磁阻效应产生的机制•该效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，物理根源归因于磁性导体中与传导电子的自旋相关的散射。1、电子电子有没有自旋？2、电子的自旋•根据泡利不相容原理（在一个原子中,不能有两个或两个以上的电子处在完全相同的量子态）和以及光谱的精细结构（反常塞曼效应），在1925年，不到25岁的年轻大学生乌伦贝克和高斯米提出了电子自旋的大胆假设，认为电子除了有轨道运动以外，还存在着由自身属性所决定的固有运动，称为电子自旋运动。SN原子射线SN斯特恩-盖拉赫实验：一束银原子通过非均匀的磁场，发现银原子分裂为两束。通常人们会把自旋理解为电子自身的转动，但这种图像是不成立的，理由可归纳如下：1.迄今为止的实验，未发现电子有尺寸的下限，即电子是没有大小的；2.如果把电子自旋考虑为刚体绕自身的转动的话，即假设自旋是某种经典的对应，我们解出的角动量量子数只能是整数，因此无法解释偶数条条纹；3.如果把电子自旋设想为有限大小均匀分布电荷球围绕自身的转动的话，电荷球表面切线速度将超过光速，与相对论矛盾；•英国物理学家N.F.Mott(诺贝尔奖获得者)指出:在磁性物质中,电子和磁性导体中原子的磁撞几率(自旋相关的散射)取决于电子自旋和磁性原子磁矩的相对取向,如果电子的自旋反平行于磁性导体的磁化方向,其散射就较强,这些电子的电阻将比平行自旋的电子的电阻来得大。左面和右面的材料结构相同，两侧是磁性材料薄膜层（红色），中间是非磁性材料薄膜层（蓝色）左侧：当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。体系的总电阻较小20世纪人类最伟大的成就是微电子工业的崛起,但从物理的观点来看,它仅仅是利用了电子具有电荷这一特性。电子不仅具有电荷,同时又具有自旋！磁电子学所涉及的主要是与自旋相关的输运性质,自旋极化是磁输运的核心。磁电子学是用磁场控制载流子自旋的运动。半导体自旋电子学则研究如何利用半导体的载流子电荷与自旋这两个自由度,既用电场又用磁场来控制载流子的输运。自旋电子学在研究巨磁电阻效应的过程中,迅速发展起来一门新兴的学科——自旋电子学(Spintronics)。自旋电子学包括磁电子学与半导体自旋电子学两个方面。巨磁电阻效应发现的意义及应用•费尔和格鲁伯格的系统因为昂贵和复杂仅适用于实验室研究；在GMR的工业产品化进程中一位在美国工作的英国人起了重要作用.他的名字叫斯图亚特·帕金，他发现应用相对简单的阴极镀膜方法构造的GMR系统依然可以很好地工作，而不必构造完美的纳米膜.应用这种技术，在1997年第一块GMR硬盘问世，之后GMR磁头迅速成为硬盘生产的工业标准。巨磁电阻的发现，打开了一扇通向极具价值的科技领域的大门，其中包括数据存贮和磁传感器.如今全世界有数以千计的科学家正致力于磁电子学及其应用的研究.GMR读出磁头在计算机信息存储中的应用•在98年左右，巨磁阻磁头开始被大量应用于硬盘当中，从那时起，短短的几年时间里，硬盘的容量就从4G提升到了当今的几个T以上。下面按时间的先后顺序分别介绍历史上的三项重要的磁头技术，每一项在当时都具有划时代的意义，它们分别是：感应磁头、磁阻磁头和巨磁阻磁头。•盘片上涂有磁性物质，这些磁性物质是由无数的“磁畴”组成的，每个磁畴都有S/N两极，像一个小磁铁。磁畴•从原子结构来看，铁原子的最外层有两个电子，会因电子自旋而产生强耦合的相互作用。这一相互作用的结果使得许多铁原子的电子自旋磁矩在许多小的区域内整齐地排列起来，形成一个个微小的自发磁化区，称为磁畴。•在无外磁场时，各磁畴的排列是不规则的，各磁畴的磁化方向不同，产生的磁效应相互抵消，整个磁质不呈现磁性。1.感应磁头•读、写操作都是基于“电磁感应”原理的。•读取数据时，磁头和盘片发生相对运动，金属切割磁力线，金属中会产生“感应电势”。感应电流的方向就代表了磁记录位的磁场的方向。缺点•随着存储密度的提高，磁记录位越来越小，感应磁头的体积也必须同时缩小，这样才能确保不会读取到相邻的磁记录位的信息。但是，靠切割磁力线所产生的电流是十分微弱的，磁头越小，读取到的信号也就越微弱，而且越容易受到干扰。2.磁致电阻磁头•磁阻磁头是基于“磁阻效应”的。•当磁性材料处于一个外部磁场中时，如果磁场的方向和磁性材料中电流的方向不同，那么该磁性材料的电阻会随着施加于它的磁场的强度而变化•磁阻磁头采用多层膜结构。磁阻磁头的最大缺点就在于磁阻变化率低，通常不会超过5%，虽然经历了很多次改进，但这个缺点仍然没有彻底解决。3、巨磁电阻磁头•巨磁阻效应可分为基于半导体氧化物的巨磁阻效应以及基于多层金属膜的巨磁阻效应。•巨磁阻效应可分为基于半导体氧化物的巨磁阻效应以及基于多层金属膜的巨磁阻效应。硬盘中的巨磁阻磁头属于后者。•巨磁阻磁头的核心部分是四层膜：自由膜、非磁性膜、引线膜和反铁磁膜。自由膜的作用是对盘片上的磁记录信息作响应。•通过检测电阻的变化就可以得到反映磁记录位的磁场方向和磁通强度的函数•不久的将来，我们将会用上使用“隧道磁致电阻”效应的硬盘，而早在93年，比巨磁阻效应更强的“庞大磁致电阻”效应就已经被发现了，其磁阻变化率大于99%。所以说，在可以预见的未来，硬盘的存储密度仍然会保持飞速的增长，其应用的物理效应也会越来越微观，越来越复杂。GMR在随机存储(MRAM)中的应用•从20世纪70年代开始,内存广泛采用的随机存储器(RAM)主要是半导体动态存储器(DRAM)和静态存储器(SRAM)。•人们用GMR研制成了巨磁电阻随机存储器(MRAM),优点是断电后数据依然保存,不会消失。巨磁电阻传感器的应用•磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向和变化。•当今,在家用电器、汽车、自动控制等方面涉及到的角度、转速、加速度、位移等物理量的测控,均可以利用GMR磁传感器件来实现•汽车刹车的抱死系统(ABS)•谢谢