巨磁阻材料
超巨磁电阻薄膜物理及应用
超巨磁电阻薄膜物理及应用摘要：由于在外界温度变化和磁场作用下表现出巨大的磁电阻效应(CMR)，超巨磁电阻材料成为一个热点研究课题。
CMR材料在硬盘读出磁头，随机存储器上极具潜力，在磁传感器、光热辐射探测器、场效应晶体管及磁制冷等方面的应用也崭露头角。
首先介绍了CMR薄膜材料的结构和机理，接着详细讨论了它们在器件应用上，尤其是在激光感生电压热电电压效应(LITV)、Bolometer、传感器等有关方面的应用进展。
最后展望了CMR薄膜未来的应用前景。
引言众所周知，许多物质在外磁场作用下都可观察到磁致电阻效应，但一般材料最大只有2％～3％。
l988年，法国巴黎大学的巴西学者Baibich等⋯首次报道了Fe／Cr超晶格的磁电阻变化率达到50％，比通常的磁电阻效应大一个数量级，而且远远超过多层膜中Fe层磁电阻变化的总和，这一现象被称为巨磁电阻效应(GiantMagnetoresistance，简记为GMR)。
此后，人们相继在自旋阀，颗粒膜，非连续膜和隧道结以及钙钛矿锰氧化物薄膜中发现了巨磁电阻效应。
值得关注的是，1993年，Helmolt等在LaBaMnO3薄膜中观察到了更巨大的负磁阻效应，其MR效应可达到l0 ％～l0。
％，引起了物理、计算机、材料和自动控制等领域的众多科学家的极大兴趣，因为这预示了巨磁电阻效应的研究不仅由金属、合金样品扩展到了氧化物材料，还提出许多前沿的物理问题，这无疑将对巨磁电阻材料的实际应用起到巨大的推动作用。
随后的进一步研究发现，掺杂稀土锰氧化物在磁场下的反常输运性质不同于金属磁性超晶格样品中的巨磁电阻效应，而是与氧化物高温超导体中电子的强关联和输运更相近。
因而，掺杂稀土锰氧化物的磁电阻随外磁场变化的现象又称为超巨磁电阻效应(ColossalMagnetoresistance，CMR)，并与强关联物理联系在一起。
本文简单介绍了超巨磁电阻材料的结构和机理，着重讨论了近年来CMR材料在LITV 器件，Bolometer，传感器及磁随机存储器等方面的应用进展，最后展望了CMR材料的发展前景。
巨磁电阻的应用
参考文献
[1] 钟喜春,曾德长,魏兴钊,顾正飞. 巨磁电阻材料的研究 与应用[J]. 金属功能材料. 2002(03) [2] 赵燕平,由臣,宁保群. 巨磁电阻材料及应用[J]. 天津理 工学院学报. 2003(03) [3] 于广华,朱逢吾,赖武彦. 巨磁电阻材料及其在汽车传感 技术中的应用[J]. 新材料产业. 2003(08)
三巨磁电阻材料的应用现状1巨磁电阻传感器2巨磁阻磁记录读出磁头3巨磁电阻随机存储器mram1巨磁电阻传感器巨磁电阻传感器采用惠斯登电桥和磁屏蔽技术传感器基片上镀了一层很厚的磁性材料这层材料对其下方的巨磁电阻形成屏蔽不让任何外加磁场进入屏蔽的电阻器
一、巨磁电阻效应的定义
所谓巨磁电阻效应,是指材料的电阻率将受磁化状态 的变化而呈现显著改变的现象。一般定义为 GMR=[(P0-PH)/P0]×100% 其中,PH为在磁场H作用下材料的电阻率,P0指无外磁场作 用下材料的电阻率.
三、巨磁电阻材料的应用现状
1、巨磁电阻传感器 2、巨磁阻磁记录读出磁头 3、巨磁电阻随机存储器(MRAM)
1、巨磁电阻传感器
巨磁电阻传感器采用惠斯登 电桥和 磁屏蔽技术，传感器基 片上镀了一层很厚的磁性材料， 这层材料对其下方的巨磁电阻形 成屏蔽，不让任何外加磁场进入 屏蔽的电阻器。惠斯材料上方，受外加磁 场影响是电阻减少，而R2和R4 在磁性材料下方，被屏蔽阻值不 变。
巨磁电阻传感器由于具有巨大的GMR值和较大的磁场 灵敏度,表现出更强的竞争能力。 它大大提高传感器的分辨率,灵敏度、精确性等指标, 特别是在微弱磁场的传感方面,如可用于伪钞识别器等方 面,则显出更大的优势。更广泛的应用是各类运动传感器, 如对位置、速度、加速度、角度、转速等的传感,在机电 自动控制、汽车工业和航天工业等方面有广泛的应用。
巨磁阻效应,霍尔效应原理
霍尔效应的原理 在导体上外加与电流方向 垂直的磁场，会使得导线中的电子与电洞受到 不同方向的劳伦兹力而往不同方向上聚集，在 聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此一 电场将会使后来的电子电洞受到电力作用而平 衡掉磁场造成的劳伦兹力，使得后来的电子电 洞能顺利通过
霍尔效应
不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建 电压称为霍尔电压。
方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为 a,b,d，磁场垂直ab平面。电流经过ad，电流I = nqv(ad)，n为电荷密度。设霍尔电压为VH，导体 沿霍尔电压方向的电压方向的电场为VH / a。设磁 场强度为B。 Fe = Fm qVH/ a = qvB VH / a = BI / (nqad） VH = BI / (nqd)
பைடு நூலகம் 庞磁电阻效应
具有显著磁电阻效应的磁性材料。强磁性材料在受到外加磁场 作用时引起的电阻变化，称为磁电阻效应。不论磁场与电流方 向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应。前者（平行）称为纵 磁场效应，后者（垂直）称为横磁场效应。一般强磁性材料的 磁电阻率（磁场引起的电阻变化与未加磁场时电阻之比）在室 温下小于8％，在低温下可增加到10％以上。已实用的磁电阻 材料主要有镍铁系和镍钴系磁性合金。室温下镍铁系坡莫合金 的磁电阻率约1％～3％，若合金中加入铜、铬或锰元素，可使 电阻率增加；镍钴系合金的电阻率较高，可达6％。与利用其 他磁效应相比，利用磁电阻效应制成的换能器和传感器，其装 置简单，对速度和频率不敏感。磁电阻材料已用于制造磁记录 磁头、磁泡检测器和磁膜存储器的读出器等。
霍尔效应 霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物 理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年 在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于 外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流 方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便 是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。 （如下图）
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。
巨磁阻效应及其在自旋电子学方面的应用
巨磁阻效应及其在自旋电子学方面的应用巨磁阻效应（GMR）是指在引入薄膜和多层膜晶体学领域中，利用磁性材料的巨磁阻效应来实现高灵敏度的磁传感器和高容量的存储技术。
巨磁阻效应是一种基本的物理现象，它能够改变材料电导率，从而使材料的电阻率随磁场变化。
它得到了广泛的应用，在磁性材料的测量、传感、存储以及自旋电子学等方面具有广阔的应用前景。
巨磁阻效应的应用1. 磁传感器巨磁阻效应可用于制造磁传感器，如磁阻计、磁导弹波传感器和磁触头等。
这些传感器可以用于检测磁场的变化，包括用于测量和控制电机和发电机的磁场、磁卡读头以及其他磁场测量和控制应用。
这些传感器具有高精度、高速度和低噪音等特点。
2. 存储器巨磁阻效应可用于制造高密度磁存储器。
从最初的几百兆字节到现在的几百千兆字节，磁存储器的容量已经有了巨大的提高。
随着存储芯片的微型化和集成化，巨磁阻效应在存储器方面的应用变得更加有效。
3. 自旋电子学自旋电子学是一种奇近效应现象，是一种可以利用操纵电子自旋的电学和磁学技术的新型电子学。
自旋最根本的特征是它自身具有磁矩，可以与晶体中的磁场相互作用。
不同于传统的基于电子电荷的电子学技术，自旋电子学技术的研究将有望在未来的纳米电子学和计算机中得到广泛应用。
巨磁阻效应将成为未来自旋电子学的重要组成部分，可以用于制造自旋电子学器件，如磁性电阻、磁隧道结、自旋阻抗和自旋导体等。
自旋电子学也受到了越来越多的关注，它可能会打破德鲁德电子传导中的阻抗序列，提高信息处理的速度，解决低功耗、高速度和高容量存储器的问题。
总结巨磁阻效应从上个世纪90年代开始逐渐得到关注并得到了广泛的应用，其首次在高密度磁盘驱动器中被使用并取得了巨大的成功。
随着技术的不断发展和深入研究，巨磁阻效应展现出了越来越多的潜力，将成为未来高精度和高容量磁传感器、存储器以及自旋电子学器件的重要组成部分。
巨磁阻材料用途
巨磁阻材料用途答案：1.磁场传感器：巨磁阻材料可以被制成灵敏度高、稳定性好的磁场传感器，常用于汽车、航空、仪器仪表等领域。
2.磁信息存储：巨磁阻材料具有磁记忆效应，可以用于生产磁盘、磁带等磁信息存储介质。
3.生物医学：巨磁阻材料可以被制成高灵敏度的生物传感器，用于生物医学领域中的分子识别、病原体检测、细胞成像等方面。
4.电磁屏蔽：巨磁阻材料可以吸收磁场中的能量，用于制作电磁屏蔽材料，可以保护电子设备免受磁场干扰。
巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。
随着纳米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化要求测量系统也要微型化。
在21世纪，超导量子相干器件、超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中的主要角色。
其中以巨磁电阻效应为基础设计超微磁场传感器，要求能探测10-2T至10-6T的磁通密度。
如此低的磁通密度在过去是无法测量的，特别是在超微系统测量如此微弱的磁通密度十分困难，纳米结构的巨磁电阻器件可以完成这个任务。
延伸：一、巨磁阻材料的定义和发展史巨磁阻材料是指那些在外加磁场下，电阻值受磁场强度影响极大的材料。
其电阻率约在0.1-10T的磁场范围内，会出现明显的变化，且随着磁场强度的增加而增加。
该材料的发现可以追溯到20世纪60年代中期，当时荷兰Philips公司的一位工程师发现了这种特殊的电阻变化现象，这也是巨磁阻材料得名的由来。
自此以后，人们开始对这种材料进行研究，并发现其在许多领域都具有重要应用价值。
二、巨磁阻材料的特性1.灵敏度高：巨磁阻材料的电阻率在外加磁场的作用下会发生很大变化，这种变化可以用来检测磁场的强度和方向，因此在磁场传感器中得到广泛应用。
2.稳定性好：巨磁阻材料的电阻率变化对温度、时间和频率的依赖性较低，其性能相对稳定，因此可以用于制作耐用的磁场传感器和磁信息存储器。
3.具有磁记忆效应：巨磁阻材料中的磁矩方向可以保持相对稳定，在磁极性反转后仍能保持原来的状态，这种磁记忆效应可以应用于磁介质中。
巨磁电阻及其原理
物理学前沿——巨磁电阻及其原理一、概述磁电阻效应( M a g n e to r e s is ta n e e , M R )是指材料在外磁场下电阻发生改变的物理现象。
150年前T .T ho m so n首次发现,常规的铁磁材料,如铁,钻,镍,它们的电阻与磁场和电流的相对方向相关,被称为各向异性磁电阻效应( A n is o tr o Pi c Ma g n e to r e s i st a n e e , A M R )。
现在,已经知道A M R效应源于电子的自旋一轨道祸合作用,通常铁磁材料的磁电阻效应很小,只有百分之几。
磁电阻效应在技术应用中非常重要, 特别是在硬盘中作为读出头, 探测硬盘每个磁存储单元产生的微弱磁场。
19 5 6年, IBM的科学家Reynold Johnson 发明了世界上第一个计算机硬盘当时采用电磁感应的方法读写信息 ,这种方法需要存储单元产生较强的磁场 ,因此存储单元很大,密度很小,最大只能达到20 Mb/in^2。
直到20世纪80年代末期,IBM 在技术上实现了突破, 成功地在硬盘读出头中使用磁电阻效应, 增强了读出头的磁场灵敏度, 使得硬盘的存储密度大幅度提高, 达到了5 G b/in^2。
在19 8 8年之前, 人们通常认为磁电阻效应很难再在T homson的基础上有大的提高, 磁场传感器的灵敏度不可能再有质的飞跃, 进而大幅度的提高硬盘的存储密度, 这意味着磁盘技术将被光盘所淘汰。
因此, 当1988年AlbertFert 和Peter Grunberg分别领导的两个独立的研究小组在磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应时, 立刻引起了科学家与企业界的关注。
所谓巨磁电阻效应,是指材料在一个微弱的磁场变化下产生很大电阻变化的物理现象。
2007年诺贝尔物理学奖授予了独立发现该效应的法国科学家AlbertFert和德国科学家Pe ter Grunberg 。
利用材料的巨磁电阻效应,研制出了新一类磁电阻传感器—GM R 传感器。
巨磁电阻效应
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.
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。
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
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。
S
N
S
原子射线
N
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；
巨磁电阻
哪些材料能够产生巨磁电阻效应 1,在掺杂钙钛矿型锰氧化物 R1-xAxMnO3 中发现巨磁电阻（GMR）， 其中 1989 年 在掺杂钙钛矿型锰氧化物 R1-xAxMnO3（其中 A 为二价碱土金属离子，如 Ca2+、Sr2+、 Ba2+等，R 为三价稀土金属离子，如 La3+、Pr3+、Tb3+、Sm3+等）中发现巨磁电阻（GMR）， 由于其在磁记录、磁传感器等方面潜在的应用前景，以及金属-绝缘体相变等所涉及的强关 联效应，使该类化合物吸引了物理学界的广泛注意。2,钙钛矿型锰氧化物 La1-xCaxMnO3 具有较大的磁热效应七十年代末至八十年代初，人们在半导体材料以及顺磁材料中发现了由 量子相干效应（由于无序而加强的载流子库仑相互作用）导致的正磁电阻，并建立了一套基 于无序的理论来解释所观察到的实验现象。去年, Manyala 在 Fe1-XCoXSi 中首次观察到铁 磁材料中的由量子相干效应导致的正磁电阻。另一方面，人们又在 1997 年首次发现钙钛矿 型锰氧化物 La1-xCaxMnO3 具有较大的磁热效应后[40,41]，钙钛矿型锰氧化物的磁热效应 引起了人们的注意。3,La07Pb03MnO3 单晶样品的由量子相干效应导致的正磁电阻效应、 A05Sr05MnO3 (A= Pr, Nd) 的巨磁热效应、多晶锌铁氧体和多晶 NiXFe1-XS 的巨磁电阻效 应
在多层膜巨磁电阻结构中，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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
S
N
S
原子射线
N
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；
3. “超巨磁阻效应”（CMR）
•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。
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N i 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。
巨磁阻材料简介
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。
• 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。
• 英国物理学家N. F. Mot t ( 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）
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。
• 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。
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.
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
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。
• 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
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
•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。
• 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。
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。
• 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。
• 谢谢
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
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。
• 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)
• 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。
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。
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。
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。