巨磁阻原理及应用

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巨磁电阻原理

巨磁电阻原理

巨磁电阻原理巨磁电阻效应是一种基于磁电阻效应的现象,它是指在外加磁场的作用下,材料的电阻发生变化的现象。

巨磁电阻效应在许多领域都有着重要的应用,特别是在磁存储器、传感器、磁场测量等方面具有广泛的应用价值。

本文将从巨磁电阻效应的基本原理、应用以及发展趋势等方面进行介绍。

巨磁电阻效应的基本原理是指在外加磁场的作用下,材料的电阻发生变化的现象。

这种现象是由于材料内部的自旋极化和外部磁场之间的相互作用导致的。

一般来说,当外加磁场的方向与材料内部自旋极化方向一致时,材料的电阻会减小;反之,当外加磁场的方向与材料内部自旋极化方向相反时,材料的电阻会增大。

这种现象可以用一个参数巨磁电阻率来描述,它是指在外加磁场的作用下,材料电阻的相对变化率。

巨磁电阻率的大小与材料的特性以及外加磁场的大小有关。

巨磁电阻效应在磁存储器方面有着重要的应用。

由于巨磁电阻效应的存在,可以制造出一种新型的磁存储器,即巨磁电阻存储器。

这种存储器具有读写速度快、存储密度高、功耗低等优点,因此在计算机领域得到了广泛的应用。

另外,在传感器方面,巨磁电阻效应也有着重要的应用。

利用巨磁电阻效应制造的磁传感器具有灵敏度高、响应速度快等优点,可以用于测量磁场的强度、方向等参数。

除此之外,巨磁电阻效应还可以用于制造磁场测量仪器、磁导航系统等。

随着科学技术的不断发展,巨磁电阻效应也在不断得到深入研究和应用。

目前,人们正在努力寻找新的材料,以提高巨磁电阻效应的温度稳定性、巨磁电阻率等性能,从而拓展其在更广泛领域的应用。

同时,人们还在研究如何通过微纳加工技术制备出尺寸更小、性能更优越的巨磁电阻器件,以满足微型化电子设备对传感器和存储器件的需求。

综上所述,巨磁电阻效应是一种基于磁电阻效应的现象,具有重要的应用价值。

通过对巨磁电阻效应的研究和应用,可以制造出性能优越的磁存储器、传感器等器件,为信息技术、自动控制、生物医学等领域的发展提供有力支持。

随着科学技术的不断进步,相信巨磁电阻效应将会有更广阔的应用前景。

PPT:GMI Sensor 巨磁阻抗磁传感的原理及应用介绍

PPT:GMI Sensor 巨磁阻抗磁传感的原理及应用介绍

GMI Sensor Principle & Application 巨磁阻抗传感器的原理及应用介绍新.磁.(上.海).电.子.有.限.公.司2013.12 By Tonysensors-ic at qq com邮.件. sensors ic at GMI Sensor 巨磁阻抗传感器简介巨磁阻抗效应(GiantMagneto ‐Impedance effects, GMI )是指软磁材料的交流阻抗随外加磁场的改变而发生显著变化的现象,产生GMI 效应的主要原因是高频电流的趋肤效应。

GMI 磁传感器采用交流驱动,具有灵敏度高、饱和磁场低、响应快和稳定性好等优点。

利用GMI 非晶丝材料可设计成高灵敏度的磁场传感器,用于微弱磁场、电流、位置、生物在地磁场测量地磁匹配导航及分子浓度等物理量的检测,在地磁场测量、地磁匹配导航及多种弱磁传感器中有着广泛的应用,具有很大的应用前景和研究价值。

传感器基础材料—非晶丝The MI Sensor makes use of the Giant Magneto‐amorphous metal wire. Impedance effect of magneticGMI传感器材料——GMI效应材料的GMI效应可以用样品阻抗Z随外加磁场Hex变化的Z‐Hex曲线来表征,但这样的曲线不能明确反映出磁阻抗效曲线来表征但样的曲线不能明确反映出磁阻抗效应的强弱程度。

特别是由于样品的测量长度无法严格控制不同样品的无法相较因可选用阻抗的制,不同样品的Z‐Hex无法相互比较,因此可选用相对变化值随外加磁场的变化曲线来表征,用没有外加磁场时的样品阻抗Z0作为“阻抗的相对变化量”的变化场时的样阻抗作为阻抗的相对变化的变化基准,即DZ/Z0=(Z‐Z0)/Z0,其变化率与样品本身的长度无关因为测量电流的频率不高,测量导线的发射并不严关。

因为测量电流的频率不高,测量导线的发射并不严重,因此采用四点法进行测量。

隧穿磁阻效应 巨磁阻效应

隧穿磁阻效应 巨磁阻效应

隧穿磁阻效应巨磁阻效应
磁阻效应是材料在磁场中发生电阻变化的现象。

在这一领域中,隧穿磁阻效应和巨磁阻效应是两个重要的研究方向。

隧穿磁阻效应(TMR)是指在磁隧道结中,磁绝缘体层的磁化强度改变导致电阻发生变化。

这种效应的原理是,磁绝缘体层的磁化强度变化会影响到电子的隧穿概率,从而改变电阻。

隧穿磁阻效应具有较高的磁灵敏度,但其响应速度受到限制,因此在实际应用中有一定的局限性。

与隧穿磁阻效应相比,巨磁阻效应(GMR)的特点是在磁场强度变化较小的范围内,电阻值发生较大变化。

巨磁阻效应的原理是,磁性材料层的磁化强度改变导致电子有效质量发生变化,从而影响电阻。

由于巨磁阻效应具有较快的响应速度,因此在磁传感器、磁随机存储器等领域得到了广泛应用。

在实际应用中,隧穿磁阻效应和巨磁阻效应各自具有优势。

隧穿磁阻效应适用于高灵敏度磁传感器和磁随机存储器等领域,而巨磁阻效应则适用于磁随机存储器、磁头读写器等快速响应设备。

此外,两种磁阻效应还可以相互结合,实现更高性能的磁电子器件。

我国在磁阻效应研究方面取得了显著成果。

科研人员不仅在理论研究方面取得了突破,还成功应用于实际工程。

例如,我国已经成功研发了基于隧穿磁阻效应的磁随机存储器,为磁电子产业的发展奠定了基础。

此外,我国在巨磁阻效应器件的研发方面也取得了重要进展,为磁传感器、磁头读写器等领域提供了技术支持。

总之,隧穿磁阻效应和巨磁阻效应在磁电子领域具有广泛的应用前景。

巨磁电阻效应测试转速的基本原理

巨磁电阻效应测试转速的基本原理

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巨磁电阻的应用

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。

巨磁阻庞磁阻

巨磁阻庞磁阻

巨磁阻庞磁阻
巨磁阻(GMR)和庞磁阻(CMR)都是磁阻效应,它们在具有不同磁学特性的材料中有所区别。

巨磁阻(GMR)是自旋电子学中的一种重要现象,其特点是在外加磁场的作用下,材料的电阻值会发生显著变化。

这种磁电阻的变化在应用上非常有价值,例如在硬盘读取头等磁电子学器件中。

庞磁阻(CMR)是另一种磁阻效应,其特点是当外加磁场的作用下,材料中的电阻值会发生巨大变化,甚至可以高几个数量级。

庞磁阻效应主要存在于钙钛矿结构的锰氧化物中。

总的来说,巨磁阻和庞磁阻都是磁阻效应的不同类型,它们在材料特性、应用范围等方面存在差异。

巨磁电阻效应ppt课件

巨磁电阻效应ppt课件

巨磁电阻效应的制造工艺问题及解决方案
制造工艺问题
巨磁电阻效应的制造工艺涉及到多个复杂 的步骤,包括薄膜制备、光刻、干法刻蚀 等。这些步骤中的任何错误都可能导致巨 磁电阻器件的性能下降或失效。
VS
解决方案
为了解决制造工艺问题,可以采取一系列 措施,例如通过引入自动化生产线和严格 的质量控制体系来提高生产效率和质量。 此外,可以通过研发新的制造工艺来降低 成本和提高巨磁电阻器件的性能。
巨磁电阻效应的能效问题及解决方案
能效问题
巨磁电阻效应的能效问题也是影响其应用 的重要因素之一。在许多情况下,使用巨 磁电阻器件可能会导致较高的功耗和较低 的能效。
解决方案
为了提高巨磁电阻效应的能效,可以采取 多种措施,例如通过优化巨磁电阻器件的 结构和材料来降低功耗和提高能效。此外 ,可以通过采用新的电路设计和控制策略 来进一步降低功耗和提高能效。
05
巨磁电阻效应的未来展 望
提高巨磁电阻效应的性能
发展新的制备技术
改进制备工艺,提高巨磁电阻 材料的纯度和结晶度,从而提
高其性能。
探索新的物理机制
深入研究巨磁电阻效应的物理机 制,为开发新型材料和优化性能 提供理论支持。
优化结构设计
通过调整巨磁电阻材料的结构,如 纳米结构、多层膜结构等,实现性 能的优化。
03
电子的波粒二象性
在磁场中运动的电子具有 粒子性和波动性两种特性 。
电子散射
在晶体中,电子会受到原 子或离子的散射。
磁矩和自旋
电子在磁场中运动时会受 到磁矩的影响,导致电子 自旋的取向发生变化。
巨磁电阻效应的数学描述
洛伦兹力公式
描述电子在磁场中受到的力。
霍尔效应

巨磁电阻效应

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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巨磁阻效应的原理及应用
摘要:介绍了巨磁阻效应的发现、原理及器件应用。
关键词:巨磁阻效应;原理;磁性材料;磁头;应用。

1、引言
近年来各种铁磁/非铁磁多层结构的巨磁阻(GMR)效应引起了实验和理论工
作者的广泛兴趣。人们对GMR效应进行了一定程度的深入研究,并且取得了很
大的成就。如今一些利用巨磁阻效应制造器件的技术已经相当成熟,并且具有
非常广阔的应用前景。1997年,全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。
正是借助了巨磁阻效应,人们才能够制造出如此灵敏的磁头,能够清晰读出
较弱的磁信号,并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的
“大容量、小型化”革命。如今全世界几乎所有,笔记本电脑、音乐播放器、
数码相机等各类数码电子产品中所装备的硬盘,基本上都应用了巨磁阻效应,
这一技术已然成为新的标准。
当然巨磁阻的发现并非偶然,这种效应的发现建立在长期对交换耦合膜和
铁磁合金电子运输这两个相互独立而又密切相关的领域所作的系统深入研究的
基础上。1986 年Grunberg 等人实验中发现在“Fe/Cr/Fe”三明治结构中,Fe 层
之间可以通过Cr 层进行交换作用,当Cr 层在合适的厚度时,两Fe 层之间存在
反铁磁耦合。在此基础上,1988 年Baibich 等人研究了在(001)GaAs 基片上
用分子束外延(MBE)生长的单晶(001)Fe/Cr/Fe 三层膜和(Fe/Cr)超晶格
的电子输运性质。结果发现当Cr 层的厚度为9 Å 时,在4.2 K 下20 kOe 的外磁
场可以克服反铁磁层间耦合而使相邻 Fe 层磁矩方向平行排列,而此时电流方
向平行于膜面的电阻率下降至不加外磁场(即相邻Fe 层磁化矢量反平行排列)

时的一半,磁电阻值MR(%)=Δρ/ρHs=(ρ0-ρHs)/ ρHs 高达100%,其值较
人们所熟知的FeNi合金各向异性磁电阻效应约大一个量级,故命名为巨磁电阻
效应(GMR)。
上图为Fe/Cr 多层膜在T=4.2 K 时的磁电阻磁场关系。测量电流和磁场方
向都沿着层面(110)轴。
2、巨磁阻效应原理

磁致电阻效应普遍存在于所有金属(如Au,Cu 等)以及半导体中。所谓磁
电阻(MR),即磁致电阻,是指电阻率ρ在外加磁场H下所产生的变化;若电阻
增大即为正磁阻效应,减小则为负磁阻效应。
磁电阻通常情况下定义为:MR=Δρ/ρ(0)=ρ[(H)-ρ(0)]/ ρ(0)
通常其变化量Δρ的大小不仅依赖于磁场的大小,也和材料中电流与磁场
的方位有关,即不同的H和J 的夹角,其磁阻效应是不一样的。一般存在两种磁
阻效应:径向磁阻效应Δρ∥=ρ∥(H)-ρ∥(0),对应于磁场平行于电流方向;
横向磁阻效应ΔρT=ρT(H)-ρT(0),对应于磁场垂直于电流方向。当然对
于薄膜材料,还有第三种位形,即H 即垂直电流方向又垂直膜面,表示为Δρ

=ρ⊥(H)-ρ⊥(0)。

通常金属中的磁电阻都很小,在1%-3%左右;而在铁磁/非铁磁/铁磁金属
多层膜结构中得到的磁电阻可高达18%—24%,比通常金属的磁电阻大很多,即巨
磁阻效应。
所谓巨磁阻效应,是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场
作用时存在巨大变化的现象。这种效应是一种量子力学效应,它产生于层状的
磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。
在多层膜上GMR效应的特点有三个:(1)MR幅值巨大。(2)负磁电阻效
应(3)各向同性的磁电阻效应,即MR与I和H的相对取向无关或基本无关。

磁性金属多层膜的巨磁电阻效应与磁场的方向无关,是各向同性的,它仅
依赖于相邻铁磁层的磁矩的相对取向,而外磁场的作用不过是改变相邻铁磁层
的磁矩的相对取向,这说明电子的输运与电子的自旋散射有关。当铁磁层的磁
矩相互平行时,且铁磁材料的磁化方向与电子的自旋方向相同时载流子与自旋
有关的散射最小,材料有最小的电阻,电流易通过材料。当铁磁层的磁矩为反
平行时,电子的自旋方向与铁磁材料的磁化方向相反时,与自旋有关的散射最
强,材料的电阻最大

在图(a)所示情况下,FM1和FM2表示磁性材料层,NM表示非磁性材料层。
磁性材料中的箭头表示磁化方向,且由图可知两个磁性材料的磁化方向相同。
电子自旋方向如图所示。当电子的自选方向与磁性材料的磁化方向相反时,有
大电阻R1和R2,当电子的自旋方向与磁性材料的磁化方向相同时,有小电阻
r1和r2。电流通过两层磁性材料薄膜时,R1和R2相当于串联,得到一个大电
阻;r1和r2相当于串联,得到一个小电阻,最后两条支路并联,所以得到较
小的电阻。

R1 R2
r1 r2
FM

1

MN

FM2

电子自旋

图(a)

R1
R2
r1

r2
FM1
NM
FM2

电子自旋

图(b)

在图(b)所示情况下,FM1和FM2表示磁性材料层,NM表示非磁性材料
层。磁性材料中的箭头表示磁化方向,且由图可知两个磁性材料的磁化方向反
向平行。电子自旋方向如图所示。当电子的自旋方向与第一层磁性材料磁化方
向相反而与第二层磁性材料磁化方向相同时,有大电阻R1,小电阻r2,两者相
当于串联,得到一个大电阻。当电子的自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相
同而与第二层磁性材料磁化方向相反时,有小电阻r1,大电阻R2,两者相当于
串联,得一个大电阻。两条支路并联,得到一个大电阻。

对于GMR效应机制的量子力学模型的简单介绍:
对界面和体散射作统一处理,并且讨论表面粗糙对薄膜电阻的影响,并且
假设散射是自旋相关的。可得出多层的电导率和磁电阻。

将多层膜内非均匀结构的平移不变的均匀运输性质,用平均自由程加以表
征,后者与传导电子格林函数的对角化相关联,而它的位置依赖关系源于格林
函数的非对角化部分。

将格林函数分成对角和非对角两部分,并且忽略不同格点的干涉项等,求
出温度为零时的位置相关的电导率:

依据格林函数的对角化部分可以求出平均自由程:

然后,再在周期T上对σ(z)求平均值,得到平均电导率σH。在平均自由
程远大于或远小于周期T的极限情况下,可以求出磁电阻的表达式:

3、巨磁阻效应的应用
(1)新一代硬盘读出磁头
巨磁阻效应在高密度读出磁头、磁存储元件上有着广泛的应用。利用巨
磁电阻效应做的磁头用在计算机硬盘存储上,使硬盘的记录密度提高了千倍
之多。随着技术的发展,当存储数据的磁区越来越小,存储数据密度越来越
大,这对读写磁头提出更高的要求。现在,利用SPIN-VALVE材料研制的新
一代硬盘读出磁头,已经把存储密度提高到560亿位/平方英寸。随着低电
阻高信号的TMR的获得,存储密度达到了1000亿位/平方英寸。正是因为巨
磁阻材料,才使得硬盘存储密度在最近几年内每年的增长速度达到3~4倍。
由于磁头是由多层不同材料薄膜构成的结构,因而只要在巨磁阻效应依然起
作用的尺度范围内,未来将能够进一步缩小硬盘体积,提高硬盘容量。
(2)巨磁电阻随机存取存储器(MRAM)


巨磁电阻随机存取存储器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。这些优良的性
能是DRAM、SRAM等半导体存储器所不具备的。同时,它还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
用市场中得到广泛的应用。正因如此,很多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。

用GMR效应制备的磁随机存取存储器作为计算机内存芯片将是下一步推进
计算机技术发展的一场革命,并有可能取代半导体芯片。

(3)其它应用
利用GMR效应还可以制作无刷直流电机。这种无刷直流电机不仅避免了因
电刷摩擦给电机带来的不好的影响,而且还可以实现电机高速旋转及其调速和
稳速的目的。从而使得使用寿命增长,稳定性和可靠性更好。

利用GMR效应还可研究出磁性二极管、三极管和各种逻辑元件等。
与SRAM相比,MRAM芯片尺寸小、价格便宜;与DRAM相比,MRAM能耗低、
存储密度大、读/写时间短;与Flash相比,MRAM写入时间短、使用寿命长。

4、结语
巨磁阻效应有着广阔应用范围和重要理论研究价值,作为磁电子学的主要
内容之一,为磁电子学开拓出更大的发展空间和内涵。GMR效应是一项方兴未
艾的事业,其发展必定带来人类技术文明的进一步发展。由GMR效应作成的实
用器件对电子信息的贡献更是不言而喻的。如今巨磁阻效应的应用已经基本彻
底改变了人们的生活。这也表明GMR在未来外存储器市场将会拥有更广泛的市
场,并占有非常重要的地位。它将促进我国计算机技术的发展并带来巨大的经济
效益。

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