隧道磁电阻
隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用
隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用摘要本文概述了隧道磁电阻（TMR）效应的技术原理，着重介绍了基于TMR 效应的传感器的工作原理和性能特性，分析了其存在的优势和不足，展望了TMR 技术在电力系统中的应用前景。
关键词隧道磁电阻效应；传感器；电力系统0引言传感测量技术贯穿了电力系统发电、输电、变电、配电、用电和调度等主要环节，是实现电力系统智能化的必要条件[1]。
传感器技术的进步与材料学中新发现密切相关。
隧道磁电阻效应是近年新发现的物理现象，本文主要讨论隧道磁电阻技术在电力系统传感测量中的应用。
1磁电阻效应1.1巨磁电阻效应图1 Fe/Cr多层膜电阻与磁场的关系磁电阻效应是指由磁场引起的材料电阻率发生变化的现象，其变化大小的比率称为磁电阻变化率，记为MR=Δρ/ρ(H)=[ρ(0)-ρ(H)]/ρ(H)。
大多数磁性金属都存在磁电阻效应效应，但MR值很小，一般低于3%，因此实用性较低。
1988年，科学家在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应(Giant MagnetoResistance Effect，GMR效应)（图1）。
GMR效应的MR值接近50%，因此很快实现工业应用并成为大容量硬盘制造的关键技术。
2007年发现GMR效应的两位科学家获得了诺贝尔物理奖[2]。
GMR技术已应用于多种磁敏传感器中，但由于层间交换耦合导致饱和磁场较高，影响了基于GMR技术的传感器的敏感度。
1.2 隧道磁电阻效应随着GMR效应研究的深入，在铁磁层/非磁绝缘层/铁磁层类型磁性隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）（图2）中发现了隧道磁电阻效应（Tunnel MagnetoResistance Effect，TMR效应），其MR值可以达到400%。
ＴＭＲ效应来源于电子自旋相关的隧穿效应，即当两铁磁层平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，磁性隧道结为低阻态；若两磁性层反平行时，一个磁性层中的多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，这种状态的隧穿电流比较小，是高阻态。
第三讲自旋电子学课件
近似：电子与（热激发）自旋波散射可以忽略， （低于居里点） 只考虑电子与磁性离子自旋间的散射。 （s－d散射）
约定：与磁矩同方向的电子处于主要子带（majority）
相反方向自旋电子处于次要子带（minority）
两流体模型（2）
自旋相关散射(磁电阻效应)
FM(Ni-Fe)
S1
S2
(Al-O)
NM(Cu(001))
FM(Co(001))
上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态
Capping layer
Free layer
Tunnel barrier Reference layer Spacer layer Pinned layer Pinning layer
当然 D d 2 0 不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的）
定义 TMR I I I
分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示）
第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极 p2 D2 D2 D2 D2
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
隧道磁电阻
隧道磁电阻效应的物理机制
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d ）
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
tmr磁传感器使用方法
tmr磁传感器使用方法【原创版4篇】《tmr磁传感器使用方法》篇1TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
以下是一般性的TMR 磁传感器使用方法:1. 连接电路：将TMR 磁传感器的输出引脚连接到电路中，通常需要连接一个电源和一个输出电路，如示波器或数据采集器。
2. 校准传感器：在使用TMR 磁传感器之前，需要对其进行校准，以确保其输出准确。
校准可以通过使用已知的磁场强度进行，也可以使用特殊的校准设备。
3. 放置传感器：将TMR 磁传感器放置在需要测量磁场的位置，通常需要将其固定在稳定的支架上，以确保其位置不变。
4. 收集数据：将TMR 磁传感器的输出连接到数据采集器或示波器等设备上，收集传感器输出的数据。
可以根据需要对数据进行处理和分析。
5. 调整传感器：根据实际需要，可以对TMR 磁传感器进行调整，以优化其性能。
例如，可以调整传感器的灵敏度或阈值等参数。
不过，TMR 磁传感器的使用方法可能会因具体的应用场景而有所不同。
《tmr磁传感器使用方法》篇2TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
下面是TMR 磁传感器的一般使用方法:1. 准备材料:TMR 磁传感器、磁铁、电源和示波器等。
2. 连接电路：将TMR 磁传感器连接到电路中，一般需要连接电源正负极和输出信号线。
注意连接时要注意正负极，避免连接错误。
3. 调整传感器：将磁铁放置在TMR 磁传感器的不同位置，观察传感器输出信号的变化。
通过调整磁铁的位置和方向，可以校准传感器的测量范围和灵敏度。
4. 测量磁场：将TMR 磁传感器放置在待测磁场的位置，记录传感器输出信号的变化。
根据传感器的输出信号和磁场的强度和方向之间的关系，可以计算出待测磁场的强度和方向。
5. 数据分析：通过对测量数据的分析，可以得到更多的信息，例如磁场的分布、变化规律等。
《tmr磁传感器使用方法》篇3TMR(隧道磁电阻) 传感器是一种基于磁电阻效应的磁头传感器，可以测量磁场的强度和方向。
隧道磁电阻效应中的两种不同的理论方法
首先报道在 铁磁体 绝缘体
铁磁体 结 构的 磁 性隧 道 结 Fe Ge Co 中 就发 现 了 TRM, 并给出了一个简单的计算 TMR 的公式 R = R AP - R P = 2 PP , R R AP 1+ PP
( 1)
. 1994 年, 在类钙钛
其中 R P 和 R AP 分别代表两铁磁层磁化方向平行和 反平行时的电阻, P 和 P 分别为两边铁磁层中传导 电子的自旋极化率 , P = ( N ( E F ) - N ( E F ) ) ( N ( E F ) + N ( E F ) ) , N ( E F ) 和 N ( E F ) 分别代表费 米面附近自旋向上和向下的电子密度 . 使用隧道哈 密顿方法可以得到 Julliere 的公式 . ( 1) 式与一些实 验符合得很好 , 后来的很多研究也是从此公式出发 或以此为基础发展出来的. 之后, Gu 等人
关键词: 隧道磁电阻, Slonczewski 模型 , 隧道哈密顿方法 , 势垒 PACC: 7210 Miyazaki 和 Tezuka 以及 Moodera 等人
[ 6] [ 7]
分别在 Fe
1 引
言
Al2 O3 Fe 和 CoFe Al2O3 Co 组成隧 道结中 获得了 较 高的 TMR. 由于研究表明 , TMR 与两边 铁磁层的自 旋极化率有关 , 于是两边的铁磁性金属被换成自旋 极化率更高的钙钛矿结构的物质如 La0 67 Sr0 33MnO3 , 因为锰氧化物具有几乎完全自旋极化的传导电子, TMR 大大增加 , Lu 等人 发现在由 La0 67 Sr0 33 MnO3 SrTiO3 La 0 67 Sr0 33 MnO3 组成的隧道结中, 在只有几十 个高斯的饱和外磁场下 , 磁电阻率高达 83% . 同时 对其颗粒膜也进行了研究 . 另外 , 铁磁 超导隧道 [ 10] 结中的 TMR 也是研究的一个热点 . 1975 年 , Julliere
磁电阻效应实验报告
一、实验目的1. 理解磁电阻效应的基本原理和现象。
2. 掌握磁电阻效应实验的基本操作和数据处理方法。
3. 分析磁电阻效应在不同材料中的表现，了解其应用前景。
二、实验原理磁电阻效应是指当金属或半导体材料受到磁场作用时，其电阻值发生变化的现象。
根据磁电阻效应的原理，本实验主要分为以下三个部分：1. 磁阻效应：当磁场垂直于电流方向时，电阻值随磁场强度的增加而增加。
2. 巨磁电阻效应（GMR）：在多层膜结构中，由于电子的隧穿效应，当相邻两层膜的磁化方向相反时，电阻值显著降低。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）：在隧道结中，当电子隧穿穿过绝缘层时，电阻值随磁场强度的变化而变化。
三、实验仪器与材料1. 实验仪器：磁电阻效应实验仪、磁场发生器、电流表、电压表、信号发生器、示波器、计算机等。
2. 实验材料：磁阻材料、多层膜材料、隧道结材料等。
四、实验步骤1. 磁阻效应实验：（1）将磁阻材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析磁阻效应。
2. 巨磁电阻效应（GMR）实验：（1）将多层膜材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析巨磁电阻效应。
3. 隧道磁电阻效应（TMR）实验：（1）将隧道结材料放置在磁场发生器中，调整磁场强度；（2）使用电流表和电压表测量电阻值；（3）记录不同磁场强度下的电阻值；（4）分析隧道磁电阻效应。
五、实验数据与结果1. 磁阻效应实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 1500.3 2000.4 2500.5 3002. 巨磁电阻效应（GMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 53. 隧道磁电阻效应（TMR）实验数据：磁场强度（T）电阻值（Ω）0.1 1000.2 500.3 200.4 100.5 5六、实验分析与讨论1. 磁阻效应实验结果表明，随着磁场强度的增加，磁阻材料的电阻值逐渐增加。
稀磁半导体超晶格中的隧道磁电阻
。 此外关于稀磁半导 ， 现讨论稀磁半导体
体超晶格的研究也已经开始
［12 ］
超晶格中隧道磁电阻随势垒的个数和势垒强度的 稀磁半导体中的自旋极化 变化。最近的实验表明，
［3 ， 13 —17 ］ ， 其自旋相干长度超过 100 μm 因此将 输运，
2012 年 9 月 4 日收到 作者简介： 马 mail： majun@ live． com。 军。E-
［21 ］
。 而在各种磁隧道结中，
由稀磁半导体组成的磁隧道结成了理论和实验研 。 近来 有 报 导 指 出 在 温 度 为 8K 时，GaMnAs / AlAs / GaMnAs 隧道结中观察到的隧道磁电阻超过 70%
［7 ］
。 所以 GaMnAs 的能带可以
用图 1 来表示， 包括了自旋劈裂的轻空穴能带和重 分别为多数自旋重空穴 （ HH + ） 载流子能 空穴能带， 带、 少数自旋重空穴 （ HH － ） 载流子能带、 多数自旋 轻空 穴 （ LH + ） 载 流 子 能 带 和 少 数 自 旋 轻 空 穴 （ LH － ） 载流子能带。 本文的计算中将把轻空穴和 重空穴都考虑在内。
［22 ， 23 ］
图 3 所示。最左边和最右边是半无限大的 GaMnAs 中间 AlAs 和 GaMnAs 交替排列， 其中 AlAs 的厚度 GaMnAs 的厚度为 a。 图 2 和图 3 分别是指稀 为 b， 磁半导体的平行排列 （ P ） 构型和反平行排列 （ AP ） 构型， 其中的虚线框分别表示 P 构型和 AP 构型时 的最小周期结构。在图 2 中以最小周期的中点位坐 x2 、 x3 和 x4 分别为： － （ a + b ） / 标原点则， 图中的 x1 、 2、 － a /2、 a / 2 和 （ a + b ） / 2 ； 类似的在图 3 中的 x1 、 x2 、 x3 、 x4 、 x5 和 x6 分别为： － （ a + b ） 、 － （ a / 2 + b） 、 － a /2、 a /2 、 （ a / 2 + b ） 和（ a + b ） ， 从图 2 和图 3 中可以 看出如果反平行构型中有 n 个周期， 则平行构型中 有 2 n 个周期。所讨论的超晶格结构中所有的稀磁 半导体 （ GaMnAs ） 都 可 以 用 图 1 的 能 带 结 构 来 描 述。在相干隧穿模型中， 稀磁半导体超晶格的尺寸 可以认为在输运过程中自旋 要比自旋反转长度小， 是守恒的， 并忽略轻空穴向重空穴转变的过程。 因 此可以认为四种载流子的输运过程是彼此独立的 ， 并且在输运过程中要满足能量守恒和横向的动量
隧道磁电阻效应的物理原理
隧道磁电阻效应的物理原理隧道磁电阻（TMR）效应是一种特殊的磁电阻效应，它在隧穿结构中的两个磁性电极之间测量电流时观察到。
隧道磁电阻现象的发现和物理机制的解释对信息存储和传输领域具有重要意义。
隧道磁电阻效应的物理原理可以通过平行磁化的自旋极化电流通过两个磁性电极之间的绝缘材料而实现。
当两个磁电极的磁化方向相同时，电流可以通过绝缘材料，而当两个磁电极的磁化方向相反时，电流是隧穿的。
这种自旋极化电流随磁化方向的改变而改变，导致隧道磁电阻的变化。
隧道磁电阻效应的物理机制涉及到自旋极化和量子力学隧穿的原理。
自旋极化是指在磁场中自旋向上和向下的态分别具有不同的自旋密度。
在隧穿过程中，电子经过绝缘层，其自旋会沿着磁化方向来决定穿越壁的概率。
自旋向上的电子能够减小自旋向下的散射态，因此在磁化方向相同的情况下，电子更容易穿过绝缘层。
而当磁化方向相反时，电子更容易被散射，穿越壁的概率减小，从而导致电流的减小。
此外，该效应的物理机制还涉及到量子力学的隧穿效应。
隧穿是指粒子在经典力学下无法达到的能量大于势垒的区域，但在量子力学描述下，存在一定的概率穿越势垒。
绝缘层实际上形成了一个能垒，电子需要具有足够的能量才能穿过。
但是，由于磁电极的自旋极化导致了势垒的高度发生变化，因此穿越概率也发生改变。
这种自旋诱导的调控使得电流通过绝缘层的变化变得可能。
综上所述，隧道磁电阻效应的物理原理可以归结为两个方面。
首先，自旋极化使得磁化方向相同的电流更容易通过隧穿结构，而磁化方向相反的电流更容易被散射。
其次，量子力学的隧穿效应使得自旋调控下的隧道磁电阻变得可能。
这种物理原理的理解对于设计和优化隧道磁电阻器件具有重要意义，同时也为开发相关的应用提供了基础。
隧道磁阻技术(TMR)及其应用简介
隧道磁阻技术（TMR）及其应用简介（浙江巨磁智能技术有限公司Magtron段康靖）一、概述1、磁阻概念：材料的电阻会因外加磁场而增加或减少，电阻的变化量称为磁阻（Magnetoresistance）。
物质在磁场中电阻率发生变化的现象称为磁阻效应。
同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。
从一般磁阻开始，磁阻发展经历了巨磁阻（GMR）、庞磁阻（CMR）、异向磁阻（AMR）、穿隧磁阻（TMR）、直冲磁阻（BMR）和异常磁阻（EMR）。
2、磁阻应用：磁阻效应广泛用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储(磁卡、硬盘)等领域。
磁阻器件由于灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域得到广泛应用，如数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统、伪钞检别、位置测量等。
3、穿隧磁阻效应（TMR）：穿隧磁阻效应是指在铁磁-绝缘体薄膜(约1纳米)-铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。
TMR效应由于具有磁电阻效应大、磁场灵敏度高等独特优势，从而展示出十分诱人的应用前景。
此效应更是磁性随机存取内存(magneticrandomaccessmemory,MRAM)与硬盘中的磁性读写头(readsensors)的科学基础。
二、穿隧磁阻效应（TMR）的物理简释从经典物理学观点看来，铁磁层（F1）+绝缘层（I）+铁磁层（F2）的三明治结构根本无法实现电子在磁层中的穿通，而量子力学却可以完美解释这一现象。
当两层铁磁层的磁化方向互相平行，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大，此时器件为低阻状态；当两层的磁铁层的磁化方向反平行，情况则刚好相反，即多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，而少数自旋子带的电子也进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，此时隧穿电流较小，器件为高阻状态。
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简化： 位垒 与坐标无关，T exp 2 h 2mV0 E X 2 X 1
（1）强入射、弱势垒 入射能量 E接近 V0、 绝缘层很窄 (X2-X1)→ 0。 那么，I → 0；T→1。 电子的穿透。 （2）弱入射、强势垒 反之。 那么，I → 很大；T→很小。电子受阻。
Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)结晶隧道结
界面的结构
大的原子为Fe 黑的原子为氧 小的为Mg
物理
(受限于空间的对称性、 能量、动量、自旋守恒) • 铁的费米面 多子 能带的对称性与 1 MgO 能隙（100）方向 的复能带相符
1
其他在费米能级的能带 对称性低于 能带 1
• 少子能带高于费米能级
1
将导致下列实验现象
• 两边电极自旋“平行”时， 电子从多子带Fermi面到另一个多子带Fermi面， （在对称性为 1的能带中） 电子流“很通畅”， 即D>> • 两边电极自旋“反平行”时， 电子从多子带Fermi面到另一个少子带Fermi面， （因能量、对称性不合） 电子流“极不通畅”，即d<< • 结果是 D>>>>d。 类似半（自旋）金属
隧穿电流 Simmons 公式！（1963）
应该计入 Fermi－Dirac 统计
Ef 2 2 3 N 1 4m h T Vr 2m dEx f 0 E r E x dEr 0 0 Ef 2 2 3 N 2 4m h T Vr 2m dEx f 0 E r E x eV dEr 0 0
隧穿磁电阻 (TMR) 效应
“FM－I－ FM” 结 发现
M Julliere （1975）； 再发现 T Miyazaki （1995） Moodera （1995）
GMR
TMR
TMR实验结果
韩秀峰等 （2000）
TMR
物理
Julliere公式（1）
隧穿电流 （近似!）I ∝ 指数衰减部分×状态密度部分
Julliere公式（4）
TMR的公式（用自旋极化率 表示） 第一个电极 p1 D1 D1 D1 D1 第二个电极
p2 D2 D2 D2 D2
简单代数运算，就得到 Julliere的公式，
TMR 2P 1 P 1P 2 1P 2
D D d d 2 D d 0
D d 2 0
不等式成立
Julliere公式（3）
TMR 比率（放大的） 定义
TMR I I
Hale Waihona Puke I 分子 ＝ D1 D1 D2 D2
分母 ＝ D1 D2 D1 D2
上左图 FM电极的磁矩彼此“平行”
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
（注意：数值大小是 D D d d
上右图 FM电极的磁矩彼此“反平行”
）
I exp A U 0 D1 D2 D1 D2
非晶体隧道结？
• 在结晶MgO结中， Z－方向复数动量的虚部 在 点达到极小。 接近动量守恒。 • 在非晶体Al2O3结， 在Z－方向动量不守恒， 从而衰减严重。
谢谢！
结晶MgO隧道结 2001年Butler、张晓光等理论预言： 在完全结晶的磁隧道结 Fe(100)/MgO(100)/Fe(100)中， 磁电阻比率 可以达到1000％。
(注：按另一种定义磁电阻比率为91％) （PhysRev B63，054416（2001））
Parkin等人报道实验值达到200％。
隧道磁电阻（TMR）效应
1 隧穿现象和 隧道磁电阻（TMR）效应
Julliere公式 结晶MgO隧道结(新)
2 3
隧穿现象
“M－I－M” 振荡波和衰减波 电子的穿透率
T J tran J in Vt t
2
Vi i
2
用 WBK 方法计算波函数
计算穿透率 T 结果：
自由电子平面波情况
x2 T exp 2 h 2mV E dx exp 2 I x1
（注意：数值大小是 D d d D
）
Julliere公式（2）
比较“不同自旋态”隧穿电流的大小 ?
问： I >
I ？
这就是TMR效应
证明：（两个数自乘之和必大于互乘的2倍） 假设 就有 当然
D D d d D d D d 2 D d
（Nature Materials 3, 862(2004) 。
• TaN(10)/IrMn(250)/Co84Fe16(8)/30Co70Fe30(3)/MgO(3 .1)/Co84Fe16(15)/TaN(12.5)。单位为纳米。
日本 Shinji Yuasa 等人报道类似结果。
（Nature Materials 3, 868(2004) • MgO绝缘层断面的高分辨电子显微镜相片。 • 具有清晰的（001）MgO层结晶取向。
Julliere公式（5）
“保守的”Julliere的公式
TMR I I I
TMR 2P 1 P 1P 2 1P 2
例子，如果，以Fe和Co 作为电极，
p1 Fe 0.44, P2 Co 0.34
那么 TMR比率＝0。26
STM
将“M－I－M”结中绝缘体 (I） 换成“真空”，得STM。 将Julliere“FM－I－FM”结中绝缘体（I） 换成“真空”，得自旋极化的STM。
(1) → (2) 电子
(2) → (1) 电子
隧穿电流
J e N1 N 2
重要物理结论： 隧穿电流 ≈ 指数衰减部分×状态函数部分
其中，指数部分＝ F（势垒宽、高度，...） 状态部分＝ F（两个电极的性质,...）
几种隧穿现象的差别
不同的“两电极性质”和“势垒、宽、高度” (物理含义!) 名称 1 隧道效应 2 隧道磁电阻效应 3 扫描隧道显微镜STM 4 自旋极化STM 5 ......... 势垒 绝缘体 绝缘体 真 空 真 空 电极 简单金属－I －简单金属 铁磁金属－I －铁磁金属 简单金属－V－待测样品 铁磁金属－V－待测样品