巨磁电阻效应及其使用
巨磁电阻效应及其应用
实验十七巨磁电阻效应及其应用2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻（Rianr magneto resistance,简称GMR）效应的发现者，法国Paris-Sud大学的物理学家阿贝尔·费尔（Albert Fert）和德国尤里希研究中心物理学家彼得·格伦贝格尔（Peter Grunberg）。
他们于1988年独立作出的发现巨磁阻效应。
诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它计算机硬盘的容量从几百兆，几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。
”凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，他们之间的互相作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。
人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。
量子力学出现后，德国科学家海森伯（W.Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主）明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。
后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如图１７－1所示。
图１７－1 反铁磁有序磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。
这种磁有序状态称为反铁磁性。
法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。
在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子（或其他非金属离子）作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。
另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。
相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。
直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。
1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用
【2017年整理】巨磁阻效应的原理及应用巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance, GMR）是一种物理现象，指在特定条件下，铁磁或亚铁磁材料中的磁电阻发生显著变化的现象。
这种现象在工业和科研领域具有广泛的应用价值，因此了解其原理及在各领域的应用十分重要。
一、巨磁阻效应的原理巨磁阻效应主要由以下几个因素决定：1.交换耦合：当两个磁性材料之间有耦合作用时，它们的磁矩会互相影响。
在特定的条件下，这种耦合作用会使材料的磁电阻发生显著变化。
2.层状结构：巨磁阻材料通常采用多层膜结构，其中每一层都可以作为电流通道。
当电流垂直于膜面流动时，各层中的磁矩会相互作用，导致电阻发生变化。
3.钉扎场：钉扎场是指材料内部由于杂质、缺陷或其他因素引起的局部磁场。
当电流在材料中流动时，钉扎场会对电流产生散射作用，导致电阻增加。
二、巨磁阻效应的应用巨磁阻效应在多个领域具有广泛的应用价值，以下是几个主要应用领域：1.硬盘读取头：巨磁阻材料制成的硬盘读取头是现代计算机和数据中心的核心组件之一。
由于其具有高灵敏度和低噪音的特性，使得硬盘读取头的读取速度和准确性得到大幅提升。
2.磁传感器：巨磁阻材料制成的磁传感器在医疗、工业和科研领域得到广泛应用。
例如，在医疗领域中，磁传感器可用于检测人体内的金属物体和进行磁场导航；在工业领域中，磁传感器可用于检测电动机和发电机的转子位置；在科研领域中，磁传感器可用于研究物质的磁性和电磁场分布。
3.磁场探测器：巨磁阻材料制成的磁场探测器可用于检测弱磁场和高精度测量磁场方向和大小。
例如，在地球物理勘探、生物医学和核磁共振等领域，磁场探测器具有重要应用价值。
4.磁记忆材料：巨磁阻材料制成的磁记忆材料具有高密度、高速度和高可靠性等优点，可用于数据存储和逻辑运算等领域。
与传统的半导体存储器相比，磁记忆材料具有更高的存储密度和更长的使用寿命。
5.磁场调控：巨磁阻效应还可以用于调控磁场分布和方向，从而在多个领域具有潜在的应用价值。
与巨磁电阻效应有关的实例
与巨磁电阻效应有关的实例巨磁电阻效应在现代科技领域中有着广泛的应用，它不仅在磁存储器、磁传感器等领域发挥着重要作用，还在生物医学、环境监测等方面展现出巨大的潜力。
本文将以几个实例来介绍巨磁电阻效应的应用。
一、磁传感器磁传感器是一种能够测量和检测磁场的设备，巨磁电阻效应在磁传感器中得到了广泛应用。
例如，在汽车领域，磁传感器可以用于测量车辆的速度、方向和位置，以实现导航、自动驾驶等功能。
而巨磁电阻效应的磁传感器具有灵敏度高、响应速度快、尺寸小等优点，因此被广泛应用于汽车行业。
二、磁存储器磁存储器是计算机中常用的存储设备，而巨磁电阻效应的磁阻器件在磁存储器中发挥着重要作用。
磁存储器通过改变磁阻器件的电阻来存储和读取数据。
当外加磁场改变磁阻器件的磁化方向时，电阻值也会发生变化。
利用这种巨磁电阻效应，可以实现高密度、高速度的数据存储和读取，提高计算机的性能。
三、生物医学应用巨磁电阻效应在生物医学领域也有着广泛的应用。
例如，在磁共振成像（MRI）中，可以利用巨磁电阻效应的磁传感器来感知人体内的微弱磁场变化，从而实现对人体组织和器官的成像。
此外，巨磁电阻效应还可以用于生物传感器，用于检测生物分子、细胞等微小物质的浓度和活性，有助于疾病的早期诊断和治疗。
四、环境监测巨磁电阻效应在环境监测中也发挥着重要作用。
例如，利用巨磁电阻效应的磁传感器可以测量地震、气候变化等自然灾害的磁场变化，从而提供预警和监测信息。
此外，巨磁电阻效应还可以用于测量和监测水质、空气质量等环境因素，有助于环境保护和资源管理。
巨磁电阻效应在磁传感器、磁存储器、生物医学和环境监测等领域都有着广泛的应用。
它的出现和发展不仅改变了现代科技的面貌，也为人们的生活和工作带来了便利和创新。
随着科技的进步和巨磁电阻效应的不断优化，相信它的应用领域还将不断扩展和深化，给人们的生活带来更多的惊喜和便利。
巨磁阻效应 诺贝尔奖
巨磁阻效应诺贝尔奖巨磁阻效应是指当一些材料受到外部磁场的作用时，其电阻会发生明显的变化。
这种现象最早被发现于1988年，迅速引起了科学界的广泛关注。
由于其重要性和广泛的应用前景，巨磁阻效应在2007年荣获诺贝尔物理学奖。
一、巨磁阻效应的原理巨磁阻效应的基本原理可归结为磁导率变化引起的电阻率变化。
在普通的金属导体中，电子输运主要受到热散射的影响，而在巨磁阻效应材料中，磁散射起主导作用，因此材料的电阻会随着磁场的变化而改变。
二、巨磁阻效应的应用巨磁阻效应的发现为磁存储技术提供了重要的突破口。
传统的硬盘驱动器使用的是磁电传感器，其灵敏度和分辨率有限。
而巨磁阻效应材料制成的传感器则具有更高的精确度和灵敏度，可以使磁存储设备更加可靠和高效。
此外，巨磁阻效应还广泛应用于医学成像、磁性传感器、磁流体阀和数据传输等领域。
通过利用巨磁阻效应，可以制造出更小、更快、更强大的设备，为科技和工程领域带来了巨大的进步。
三、巨磁阻效应的材料目前，已发现的巨磁阻效应材料主要包括铁磁金属和磁隧穿结构。
铁磁金属具有良好的磁导率和磁阻率变化，因此在巨磁阻效应的研究中扮演着重要角色。
而磁隧穿结构由两层铁磁金属之间的绝缘层构成，其电阻对磁场变化极为敏感，具有更高的磁阻率变化。
四、未来展望随着科技的不断发展，巨磁阻效应的应用前景将更加广阔。
人们期待通过巨磁阻效应材料的研究和改进，实现更高容量、更便携、更高速的磁存储设备。
另外，巨磁阻效应在传感器领域也有着巨大的潜力，可以应用于机器人、智能家居和自动驾驶等领域，为人类生活带来更多便利和创新。
总之，巨磁阻效应作为一项重要而又有潜力的科技成果，获得了诺贝尔物理学奖的认可和肯定。
这一发现为磁存储和磁传感技术带来了重要突破，将在未来继续为科技和工程领域的发展做出重要贡献。
巨磁阻效应
巨磁阻效应发展的奠基人
法国科学家阿尔贝· 费尔和德国科学家彼得· 格林贝格尔 因1988年先后各自独立发现“巨磁电阻”效应而共同获得2007 年诺贝尔物理学奖。
阿尔贝· 费尔
彼得· 格林贝格尔
三、巨磁阻效应的应用
巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制使 硬磁盘的体积更小和更灵敏的数据读出头。这使得存 储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使 得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。
硬磁盘存储器的结构
磁记录原理和记录方式
• 磁记录中的“位”和二进制信息中的“位 ”大多数情况下都是对应的：大多数情况 下磁场方向代表“0”，而它的反向磁场代表 “1”，这是一种最容易理解的信号调制方式 ，是很可靠的一种理论理解，可以在理论 分析的时候使用。
原理图
磁记录方式 写入数据
写线圈 I 铁芯 磁通 写线圈 I
二、效应发现
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：有些磁性材料在 非常弱小的磁性变化下就能导致发生非常显 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。
二、请利用巨磁阻材料，设计一个可以实现“通” 、和“断”的装置，并分析该装置可能的一些应用
。
•
“通”和”断“在电脑磁盘读取数据中的设计 图
谢谢大家！
组长：张羲 组员：赵玉平，陈烜，张超，张荣贵，李若 恒，叶顺。
巨磁阻效应及其应用
一、什么是巨磁阻效应？
平行磁化方向(低阻态)
相反磁化方向(高阻态)
巨磁阻效应是指当铁磁材料和非磁性金属层交替组合成的材料在
足够强的磁场中时,电阻突然巨幅下降的一种现象。如果相邻材料中的 磁化方向平行的时候，电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电 阻则会变得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在单层磁 化材料中的散射性质不同而造成的。
巨磁电阻效应及其应用
巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻效应（GMR）是指一种材料在外加磁场作用下，其电导率发生改变，从而导致电阻率发生变化的现象。
这一现象最早是在20世纪50年代由Alfred G. Yelon等人在垂直于金属层面的磁场作用下观察到的。
但直到1988年，Prinz等人才发现了铁磁性薄膜间的GMR现象，这也使得GMR效应引起了科学家们的广泛兴趣。
GMR效应在接下来的几年里得到了深入研究，被发现可以用于高密度数据存储和无线通讯等多种应用中。
GMR效应可以由一系列不同的物理机制所产生。
其中，最为常见的是自旋環境杂化（SEH）和直接交换耦合（DEC）。
在SEH机制下，电流通过一条薄膜时会造成电子的自旋极化，这个自旋极化可以将与之相邻的薄膜中的自旋磁矩引起旋转，导致自旋的损失。
因此，在自旋磁矩方向相同的情况下，电阻率会较小，而在自旋反向的情况下，电阻率会较大。
在DEC机制下，自旋子交换能会通过金属层之间的电场作用而引起自旋磁矩的反向。
这也可以导致GMR效应的体现，但其具体机理仍有待深入探究。
GMR效应在很多领域都具有重要的应用。
其中最为广泛的是在数据存储中的应用。
磁头读取硬盘上的数据时，通过读取与保存数据时的自旋方向差异来区分不同的数据信息。
而GMR头比传统头更加灵敏，因此能够更准确地读取数据，同时也能够提高数据存储的密度。
此外，GMR效应还可以应用于磁性传感器中。
例如，GMR平面传感器可以精确地测量磁场的强度和方向，因此被广泛应用于导航、探矿以及科学实验中。
此外，GMR还可以应用于生物医学领域中的诊断和治疗。
比如在生命科学中，GMR传感器可以用于检测药物和蛋白质的相互作用，在诊断和治疗中也具有潜在的应用价值。
总之，GMR效应是一种基于材料电导率随磁场变化的现象。
其重要的应用领域包括数据存储、磁性传感器以及生物医学等领域。
随着技术的进步和理解的不断深入，GMR效应将有更多广阔的应用前景。
巨磁电阻效应及应用的原理
巨磁电阻效应及应用的原理巨磁电阻效应的定义巨磁电阻效应是指当外加磁场发生变化时，材料的电阻发生改变的现象。
这种现象的发现和研究引发了巨磁电阻效应的探索和应用。
巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应是由磁性材料自旋极化和电子传输的相互作用引起的。
这种效应主要依赖于磁性材料中的自旋极化态以及电子的传输方式。
当磁场施加在磁性材料上时，磁场与材料中的自旋相互作用会引起自旋的重新排列。
自旋的重新排列会导致电子在材料中的传输行为发生变化，从而影响材料的电阻。
这种自旋排列的重新配置会引起电子的散射和反射，从而影响电子的传输路径和速度。
巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的发现和研究为许多实际应用提供了可能。
以下是巨磁电阻效应的一些主要应用：1.磁存储器：巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中，可用于读取和写入数据。
磁存储器可以储存大量的数据，而且巨磁电阻效应能够实现快速、高密度的读写操作。
2.磁传感器：巨磁电阻效应广泛应用于磁传感器中，用于检测磁场的变化。
磁传感器可以用于地理导航系统、磁共振成像仪、汽车导航系统等。
3.磁阻变传感器：巨磁电阻效应还可应用于磁阻变传感器中，用于检测物体的位置、位移和旋转角度。
磁阻变传感器可以应用于汽车制动系统、手持设备的姿态感知等领域。
4.磁阻随机存取存储器（MRAM）：巨磁电阻效应在磁阻随机存取存储器中的应用有很大潜力。
MRAM具有非易失性、低功耗、高速度和高密度等优点。
5.磁阻式角度传感器：巨磁电阻效应还可以应用于磁阻式角度传感器中，用于检测物体的角度变化。
磁阻式角度传感器可以应用于机械臂、机器人和汽车的转向系统等。
巨磁电阻效应的应用范围还在不断扩大，随着磁性材料和电子技术的进一步发展，巨磁电阻效应的新应用也在不断涌现。
总结巨磁电阻效应是材料的电阻在外加磁场变化时发生改变的现象，其实现需要磁性材料的自旋极化与电子传输的相互作用。
巨磁电阻效应的应用广泛，包括磁存储器、磁传感器、磁阻变传感器、磁阻随机存取存储器和磁阻式角度传感器等。
巨磁电阻效应
巨磁电阻效应巨磁电阻效应是一种材料的特殊电学性质，它在磁场的作用下，导致材料电阻发生变化。
这种效应最早于1857年被法国物理学家埃米尔·埃德蒙·皮卡尔发现，并在20世纪80年代得到了进一步的研究和应用。
一、巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应的原理主要基于磁电阻效应和自旋极化效应。
当电流通过材料时，自由电子会受到周围磁场的影响而发生偏转。
当磁场垂直于电流方向时，自由电子的自旋方向和运动方向会发生关联，这也被称为自旋阻尼。
在自旋阻尼的作用下，自由电子的速度和自旋方向会发生变化，导致电子在材料中碰到来自其他自由电子的阻力。
这种阻力会导致材料电阻的增加，从而出现巨磁电阻效应。
二、巨磁电阻效应的应用1. 磁存储技术巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中，例如硬盘驱动器和磁存储芯片。
在磁存储器中，巨磁电阻效应可以使得读取电路能够更加准确地检测到磁场的变化，从而实现数据的读取和写入。
2. 磁传感器由于巨磁电阻效应的敏感性和可控性，它在磁传感器领域得到了广泛的应用。
磁传感器利用巨磁电阻效应可以测量磁场的强度和方向，广泛应用于导航、车辆安全和医疗设备等领域。
3. 电子设备巨磁电阻效应还被应用于电子设备中，例如磁传感器、扬声器和微波器件等。
这些设备利用巨磁电阻效应可以实现电阻的调节和信号的处理。
三、巨磁电阻效应的优势和展望与传统电阻相比，巨磁电阻效应有以下几个优势：1. 效应大：巨磁电阻效应的变化幅度可达到几十倍甚至上百倍。
2. 快速响应：巨磁电阻效应的响应速度可以达到纳秒级别。
3. 高稳定性：巨磁电阻效应是一种内禀的性质，不受温度和时间的影响。
随着科技的不断进步和应用场景的拓宽，巨磁电阻效应在各个领域都有很大的发展潜力。
未来，随着材料科学和纳米技术的进一步发展，相信巨磁电阻效应将有更加广泛的应用，为人们的生活带来更多便利和创新。
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巨磁电阻效应及其应用
一、实验目的
1. 了解GMR效应的原理。 2. 测量GMR的磁阻特性曲线。 3. 了解GMR模拟传感器的结构、特点，采用GMR传感器测量电流。
二、实验仪器
巨磁阻实验测试仪 基本特性组件 电流测量组件
三、实验原理
1 GMR效应的原理 根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰 撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无 规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平 均自由程长，电阻率低。电阻定律 R=ρl/S中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是 忽略了边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径 约为0.3nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。 电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在 1936年，就有理论指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远 小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流 的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。 在图1所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加 足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变 成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。 有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。 其一，界面上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状 态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行）， 电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致， 电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。 其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上 下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态 如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电 流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜 的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并 联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。 图2是图1结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有 一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱 和区域。磁阻变化率 ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线 有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。 2 GMR磁阻特性测量 图3 磁阻特性测量实验原理图 将GMR置于螺线管磁场中，磁场方向平行于膜平面，磁阻两端加5伏电压。GMR铁磁膜初始磁 化方向垂直于磁场方向，调节线圈电流，从负到正逐渐增大磁场强度，记录磁阻电流并计算磁阻。 再逐渐减小磁场强度，记录对应数值。不同外磁场强度时电阻的变化反映了GMR的磁阻特性，同一 外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性。 3 GMR模拟传感器结构及电流测量 在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的装过程中以及安装结束后进行高中资料试卷调整试验；通电检查所有设备高中资料电试力卷保相护互装作置用调与试相技互术关，通系电1，力过根保管据护线0生高不产中仅工资22艺料22高试可中卷以资配解料置决试技吊卷术顶要是层求指配，机置对组不电在规气进范设行高备继中进电资行保料空护试载高卷与中问带资题负料22荷试，下卷而高总且中体可资配保料置障试时23卷，23调需各控要类试在管验最路；大习对限题设度到备内位进来。行确在调保管整机路使组敷其高设在中过正资程常料1工试中况卷，下安要与全加过，强度并看2工且55作尽22下可2都能护1可地关以缩于正小管常故路工障高作高中；中资对资料于料试继试卷电卷连保破接护坏管进范口行围处整，理核或高对者中定对资值某料，些试审异卷核常弯与高扁校中度对资固图料定纸试盒，卷位编工置写况.复进保杂行护设自层备动防与处腐装理跨置，接高尤地中其线资要弯料避曲试免半卷错径调误标试高方中等案资，，料要编5试求写、卷技重电保术要气护交设设装底备备4置。高调、动管中试电作线资高气，敷料中课并3设试资件且、技卷料中拒管术试试调绝路中验卷试动敷包方技作设含案术，技线以来术槽及避、系免管统不架启必等动要多方高项案中方；资式对料，整试为套卷解启突决动然高过停中程机语中。文高因电中此气资，课料电件试力中卷高管电中壁气资薄设料、备试接进卷口行保不调护严试装等工置问作调题并试，且技合进术理行，利过要用关求管运电线行力敷高保设中护技资装术料置。试做线卷到缆技准敷术确设指灵原导活则。。：对对在于于分调差线试动盒过保处程护，中装当高置不中高同资中电料资压试料回卷试路技卷交术调叉问试时题技，，术应作是采为指用调发金试电属人机隔员一板，变进需压行要器隔在组开事在处前发理掌生；握内同图部一纸故线资障槽料时内、，设需强备要电制进回造行路厂外须家部同出电时具源切高高断中中习资资题料料电试试源卷卷，试切线验除缆报从敷告而设与采完相用毕关高，技中要术资进资料行料试检，卷查并主和且要检了保测解护处现装理场置。设。备高中资料试卷布置情况与有关高中资料试卷电气系统接线等情况，然后根据规范与规程规定，制定设备调试高中资料试卷方案。