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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。巨磁电阻效应的拓展应用-论巨磁电阻效应及拓展应用摘要：近年来的社会发展速度之快，令人为之感到惊人。特别是在电子信息产业之中，如计算机、手机等等，他们是越做越精致，存贮能力之强且存贮容量之大。但是，这些方面要归功于巨磁电阻效应的发现和重视。本文主要阐述巨磁电阻效应的原理，并深入分析了它在当今社会之中的应用。关键词：巨磁电阻效应计算机硬盘传感器引言：2007年10月诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻(Giantmagnetoresistance,简称GMR)效应的发现者，法国物理学家阿尔贝费尔(AlbertFer
2、t)和德国物理学家彼得格伦贝格尔(PeterGrunberg)。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。那么什么是巨磁电阻效应呢？产生这种效应的物理机制是什么？在当今高速发展的社会之中，它在应用方面有哪些意义和前景呢？本文就这些问题作如下简要的论述。一是巨磁电阻效应的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=/
3、（0）=（H）-(0)/(0)通常其变化量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=（H）-（0），对应于磁场平行于电流方向；横向磁阻效应T=T（H）-T（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=（H）-（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
4、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
5、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。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
6、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
7、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（z）求平均值，得到平均电导率H。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：二是巨磁电阻效应的拓展应用（一） 计算机中的应用1. 计算机硬盘读出磁头硬盘磁头是硬盘技术中最重要的一环。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。
8、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34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. 磁随机存储器磁随机存储器的存储原理和硬盘相似。它是是采用纳米制造技术，即是一系列基本MRAM单元按一定的方式排列二成的陈列。只
9、要外磁场不变，磁场方向就不会改变，断电后信息不会丢失，利用巨磁电阻材料研制的磁随机存储器，与目前广泛使用的半导体磁随机存储器相比，具有记录容量大、存取速度快和非易失性等优点，其应用前景广阔。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。（二） 巨磁传感器的应用1.磁性层间偶合多层膜传感器由于Co/Cu多层膜或在其基础上研制的CoCu/Co多层膜的磁电阻特性无迟滞效应，而且使用温度已达到200以上，长期稳定性也高于500h，因此，将它用于传感器的较多。图7是C.P.O.Treutlerba研制的一种用于测量车轮速的多层膜传感器
10、的电路框图，采用Co/Cu或CoCu/Cu多层膜制成的4个GMR敏感电阻，组成一个电桥型场强计（gradiometer）。图中d是电桥的2个半桥之间的距离，实际上就是磁极轮的磁极距。当极轮的旋转速度不同时，GMR传感器的桥路阻值将改变，使电桥产生并输出一个与轮速相关的输出信号，从而获得被测速度。2.GMR传感器芯片在军事装备上的应用是广泛的，主要有：A.超微磁场探测器由于GMR在微磁场测量方面的性能是相当优越的，用GMR元件研制的超微磁场探测器可以探测到几十公里范围内金属物体的存在和移动，结合其它红外、热成像、温度等传感器可以在战场上得到敌我双方军队分布即时信息，即战场虚拟实景。B.地磁场探测
11、传感器用GMR传感器测出所在地周围的地磁以及变化，为舰船、坦克、车辆的磁隐形提供信息数据，作为这些军事装备的磁隐形系统的微磁场探测器。C. 航天器磁场方位传感器D. 利用天体的微弱磁场进行航天器的太空定位，即卫星、飞船的姿态参照，以前是采用磁通门来实现，如用GMR传感器可以做到体积小、灵敏度高等优点。核潜艇和飞机自动导航系统由于GMR的磁灵敏度高，所以利用地磁来做核潜艇和飞机的自动导航系统是非常理想的。E. 电子罗盘利用GMR的磁场方向性的特点，可以研制出三维电子罗盘，在军事上有着广泛的应用。3.位移传感器巨磁电阻位移传感器的原理如图6所示。当巨磁电阻传感器(GMR传感器)在位置A、B之间滑动
12、时,其输出将会呈线性变化,通过相应的变换即可得到位移的变化,目前这种传感器的灵敏度已经可以达到1m以下3。另外的设计方案就是在被移动物体上放置永磁体,而将巨磁电阻传感器固定下来15。4.角度和角速度传感器角速度传感器的测量原理见图7。图中,齿轮转动时,靠近齿轮的永磁体磁场分布会发生变化,放置的巨磁电阻传感器将有周期性信号输出,通过对信号的分析处理即可得到角速度,也可得知任意时刻相对于基准点的角度16。也可以将永磁铁固定到齿轮上进行设计,其工作原理和输出信号特点与图7相同。结束语阿尔贝费尔和彼得格林贝格尔发现了巨磁阻效应,使得电子的自旋第一次在材料领域得以应用8.在其后短短的十多年时间内,巨磁阻效应无论是在基础研究还是在应用开发上都取得了长足的进展.它揭示了电子自旋属性的作用,促进了电子学和磁学两个学科领域的融合,孕育了自旋电子学的诞生.目前自旋电子学研究范围之广,几乎涵盖了凝聚态物理研究的所有方面,在人工磁性结构方面涌现出相当多的重要和热点研究方向.巨磁电阻效应从物理发现到大规模产业化,用了不到10年时间,它是基础科学研究成果迅速转化为高科技产业的一个成功范例,给信息技术和现代社会带来显著了影响.因此,两位科学家获得2007年度诺贝尔奖是众望所归。参考文献1.李端明.刘海顺.王怀军.胡苗苗.巨磁电阻效应及其应用J.物理沙龙.2008.03-