巨磁阻效应的原理及应用

巨磁阻效应的原理及应用

物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR ）。

要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n 、角量子数l 、自旋量子数s ＝1／2，和总角动量量子数j 。主量子数（n=1，2，3，4 …）会视电子与原子核间的距离（即半径座标r ）而定。平均距离会随着n 增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。 角量子数（l=0，1 … n-1）（又称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，l=0的轨道叫s 轨道，l=1的叫p 轨道，l=2的叫d 轨道，而l=3的则叫f 轨道。磁量子数（ml= -l ，-l+1 … 0 … l-1，l ）代表特征值，。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。 从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的第四个量子数—自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。

“我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s 电子传递，其有效质量近乎于自由电子。然而电阻则取决于电子从 s 带跃迁到 d 带的散射过程，因为跃迁几率与终态的态密度成正比，而局域性的 d 带在费米面上的态密度是很大的。 这就是过渡金属电阻率高的原因。这种 s-d 散射率取决于 s 电子与 d 电子自旋的相对取向。

巨磁电阻（GMR ）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。GMR 是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非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。关于这种效应可以用两自选电流模型来解释：

普通磁电阻 (正, 极小, 各向异性)

巨磁电阻 (负, 巨大 , 各向同性)

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1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间耦合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δρ/ρ在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR效应的概念，在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间耦合多层膜。1988年后的3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜如[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]等结构，此后更掀起了GMR效应的研发热潮。

巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向新技术世界的大门——自旋电子学。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，因为它使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 。巨磁电阻效应从发现到器件的商品应用也是一个迅速转化的过程。现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域，还出现了许多GMR 器件，如磁盘驱动器的读写磁头和随机存储器（RAM）等。磁电子新技术的实用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技术的成功开发。发现GMR效应后，在应用电子随机自旋度的道路上迈开了第一步。最近10多年来，对自旋输运电子技术的应用开发取得突飞猛进的进展，收到明显的经济效益和社会效益。现在就将GMR的部分应用列举如下：

1. SV-GMR磁头和传感器

构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀（SpinValve）元件。它的基本结构是由钉扎磁性层（例如Co）、Cu间隔层和自由磁性层（例如NiFe等易磁化层）组成的多层膜。由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR元件的电阻值改变，进而使读出电流发生变化。运用SV-GMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件高1至数个量级，更容易集成化，封装尺寸更小，可靠性更高。它不仅可以取代以前的MR传感器，还可以制成传感器阵列，实现智能化，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征，跟踪地磁场的异常现象等。还有人提出可以作为抗体和生物标本检验的传感元件，应用范围较之MR传感器显著扩大。当前，GMR传感器已在液压汽缸位置传感、真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用。在军事上，GMR传感器有着更加重要的应用价值。美国军方正在研制高g军火用捷联式（Strop Down）MEMS传感器，用在制导、导航和控制（GN ＆C）或时空位置信息（TSPI）中。

2．巨磁电阻随机存取存储器（MRAM）

这是采用纳米制造技术，把沉积在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列，形成存储单元，以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0”；与半导体存储器一样，是用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读出的一种新型磁存储器。MRAM潜在的重要优点是非易失性，抗辐射能力强、寿命长。这些是DRAM、SRAM等半导体存储器所不具备的性能。同时，它又兼有后者具有的大容量、高速存取、低成本、高集成度等特点。因此，MRAM不仅被军事和宇航业界所看重，而且在迅速普及的数码照相、移动电话及多媒体信息处理等广阔的民用市场中得到应用。正因为如此，美、日、欧等发达国家和地区及高新技术产业界都十分重视这项新技术，正投巨资加快产品的商业化

3．至于在无刷直流电机的应用

大家知道，有刷直流电机是用接触碳刷或金属片做整流子供电，使转子旋转。这种接触式整流子因摩擦给电机带来非常不好的影响，比如使用寿命短、噪音大、有火花、产生干扰电磁波等。如果用GMR传感器代替电机的摩擦整流子，那么就可以避免因电刷摩擦而带来的影响，而且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此，它的稳定性和可靠性都非