巨磁電阻效應(yīng).doc

巨磁電阻效應(yīng) - 概念簡介所謂巨磁阻效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時(shí)較之無外磁場作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，它產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時(shí)，載流子與自旋有關(guān)的散射最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時(shí)，與自旋有關(guān)的散射最強(qiáng)，材料的電阻最大。上下兩層為鐵磁材料，中間夾層是非鐵磁材料。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場控制的，因而較小的磁場也可以得到較大電阻變化的材料。利用兩流模型來解釋巨磁電阻效應(yīng)眾所周知，計(jì)算機(jī)硬盤是通過磁介質(zhì)來存儲(chǔ)信息的。一塊密封的計(jì)算機(jī)硬盤內(nèi)部包含若干個(gè)磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個(gè)磁道，每個(gè)磁道又被劃分為若干個(gè)扇區(qū)。磁盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組成，若干個(gè)磁顆粒組成一個(gè)記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個(gè)磁盤面都相應(yīng)有一個(gè)磁頭。當(dāng)磁頭“掃描”過磁盤面的各個(gè)區(qū)域時(shí)，各個(gè)區(qū)域中記錄的不同磁信號(hào)就被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)的變化進(jìn)而被表達(dá)為“0”和“1”，成為所有信息的原始譯碼。伴隨著信息數(shù)字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時(shí)提高硬盤容量的技術(shù)。1988年，費(fèi)爾和格林貝格爾各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)，也就是說，非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大電阻變化的特殊效應(yīng)。這一發(fā)現(xiàn)解決了制造大容量小硬盤最棘手的問題：當(dāng)硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時(shí)，勢必要求磁盤上每一個(gè)被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應(yīng)，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號(hào)依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類磁頭是通過電磁感應(yīng)的方式讀寫數(shù)據(jù)。然而，隨著信息技術(shù)發(fā)展對存儲(chǔ)容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實(shí)際需求。因?yàn)槭褂眠@種磁頭，磁致電阻的變化僅為12之間，讀取數(shù)據(jù)要求一定的強(qiáng)度的磁場，且磁道密度不能太大，因此使用傳統(tǒng)磁頭的硬盤最大容量只能達(dá)到每平方英寸20兆位。硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時(shí)，勢必要求磁盤上每一個(gè)被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號(hào)也就越來越弱。1997年，全球首個(gè)基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭問世。正是借助了巨磁阻效應(yīng)，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號(hào)，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現(xiàn)引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應(yīng)用了巨磁阻效應(yīng)，這一技術(shù)已然成為新的標(biāo)準(zhǔn)。瑞典皇家科學(xué)院的公報(bào)介紹說，另外一項(xiàng)發(fā)明于上世紀(jì)70年代的技術(shù)，即制造不同材料的超薄層的技術(shù)，使得人們有望制造出只有幾個(gè)原子厚度的薄層結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)讀出頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在“巨磁電阻”效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，科學(xué)家未來將能夠進(jìn)一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。巨磁電阻效應(yīng) - 物理機(jī)理當(dāng)磁矩平行(a)和反平行(b)時(shí)的等效電阻為了簡化，這里以格林貝格爾實(shí)驗(yàn)中的鐵磁非磁鐵磁的三明治結(jié)構(gòu)，即FeCrFe，為例來介紹。費(fèi)爾的實(shí)驗(yàn)中的超品格多層膜結(jié)構(gòu)可以用相同的物理機(jī)理來解釋。巨磁電阻效應(yīng)通常用兩自旋電流模型來描述。當(dāng)磁矩平行和反平行時(shí)相應(yīng)的態(tài)密度示意圖。當(dāng)兩個(gè)鐵磁層磁矩平行時(shí)(圖2(a)，兩邊費(fèi)米能級處自旋向下的電子數(shù)都較多，因此在兩個(gè)鐵磁非磁界面受到的散射很弱，是低電阻通道，表示為2RL(其中2表示受到兩個(gè)界面散射)；相反，自旋向上的電子數(shù)較少，因此在兩個(gè)鐵磁非磁界面受到的散射很強(qiáng)，是高電阻通道，表示為2RH。根據(jù)兩自旋電流模型，相應(yīng)的等效電阻如右圖所示。所以，總電阻為2RLRH(RL+RH)。當(dāng)兩個(gè)鐵磁層磁矩反平行時(shí)(圖2(b)，左邊鐵磁電極費(fèi)米能級處自旋向下的電子數(shù)較多，對自旋向下的電子，在穿過第一個(gè)鐵磁非磁界面時(shí)受到的散射較弱，是低電阻態(tài)，RL；但是在第二個(gè)鐵磁層中，自旋向下的電子態(tài)密度較少，在鐵磁非磁界面受到的散射很強(qiáng)，是高電阻態(tài)RH，因此，自旋向下的通道的總電阻就是(RL+RH)。相似的，對自旋向上的電子通道，電子在兩個(gè)界面處分別受到強(qiáng)散射和弱散射，總電阻為(RL+RH)，如圖3(b)所示，總電阻為(RL+RH)2。所以，磁電阻的大小為：1巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效應(yīng) - 實(shí)際應(yīng)用巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（ReadHead）。這使得存儲(chǔ)單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲(chǔ)能力得到大幅度的提高。第一個(gè)商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。高轉(zhuǎn)速大容量硬盤在Grnberg最初的工作中他和他領(lǐng)導(dǎo)的小組只是研究了由鐵、鉻（Chromium）、鐵三層材料組成的樣品，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電阻下降了1.5%。而Fert及其同事則研究了由鐵和鉻組成的多層材料樣品，使得電阻下降了50%。阿爾貝費(fèi)爾和彼得格林貝格爾所發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)造就了計(jì)算機(jī)硬盤存儲(chǔ)密度提高50倍的奇跡。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盤面密度所用的讀出頭，創(chuàng)下了世界記錄。硬盤的容量從4B提升到了600B或更高。目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盤讀出磁頭，已經(jīng)把存儲(chǔ)密度提高到560億位/平方英寸，該類型磁頭已占領(lǐng)磁頭市場的90%95%。隨著低電阻高信號(hào)的TMR的獲得，存儲(chǔ)密度達(dá)到了1000億位/平方英寸。2007年9月13日，全球最大的硬盤廠商希捷科技（SeagateTechnology）在北京宣布，其旗下被全球最多數(shù)字視頻錄像機(jī)（DVR）及家庭媒體中心采用的第四代DB35系列硬盤，現(xiàn)已達(dá)到1TB（1000GB）容量，足以收錄多達(dá)200小時(shí)的高清電視內(nèi)容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存儲(chǔ)密度在最近幾年內(nèi)每年的增長速度達(dá)到34倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在巨磁阻效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，未來將能夠進(jìn)一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。除讀出磁頭外，巨磁阻效應(yīng)同樣可應(yīng)用于測量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、汽車導(dǎo)航、非接觸開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點(diǎn)。目前，我國國內(nèi)也已具備了巨磁阻基礎(chǔ)研究和器件研制的良好基礎(chǔ)。中國科學(xué)院物理研究所及北京大學(xué)等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所在磁膜隨機(jī)存儲(chǔ)器、薄膜磁頭、MIG磁頭的研制方面成果顯著。北京科技大學(xué)在原子和納米尺度上對低維材料的微結(jié)構(gòu)表征的研究及對大磁矩膜的研究均有較高水平。來自劍橋大學(xué)的一位物理學(xué)家TonyBland介紹說：“這些材料一開始看起來非常玄秒，但是最后發(fā)現(xiàn)它們有非常巨大的應(yīng)用價(jià)值。它們?yōu)樯a(chǎn)商業(yè)化的大容量信息存儲(chǔ)器鋪平了道路。