磁電阻材料教材

1、磁電阻材料 法國科學(xué)家阿爾貝費爾和德國科學(xué)家彼得格林貝格爾因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎。 諾貝爾評委會主席佩爾卡爾松用兩張圖片的對比說明了巨磁阻的重大意義：一臺1954年體積占滿整間屋子的電腦，和一個如今非常普通、手掌般大小的硬盤。正因為有了這兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存儲的信息量才得以大幅度提升。主要內(nèi)容主要內(nèi)容巨巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用巨巨磁電阻材料的種類及其機理磁電阻材料的種類及其機理磁磁電阻電阻效應(yīng)以及巨磁電阻效應(yīng)的定義效應(yīng)以及巨磁電阻效應(yīng)的定義磁電阻效應(yīng)的研究歷史磁電阻效應(yīng)的研究歷史 巨巨磁電阻效應(yīng)的磁電阻效應(yīng)的優(yōu)勢優(yōu)勢磁電阻效應(yīng)的研究歷

2、史磁電阻效應(yīng)的研究歷史1857W. Thomson W. Thomson 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)了鐵磁多晶體的各向異性磁了鐵磁多晶體的各向異性磁電阻電阻效應(yīng)效應(yīng)(Anisotropic (Anisotropic MagnetoresistanceMagnetoresistance-AMR)-AMR)。Hunt Hunt 首次提出首次提出利用利用 AMR AMR 效應(yīng)來制作磁盤系效應(yīng)來制作磁盤系統(tǒng)的讀出統(tǒng)的讀出磁頭。磁頭。19711985IBMIBM將將HuntHunt的想法付諸實踐，成功的在硬盤的想法付諸實踐，成功的在硬盤讀出頭中應(yīng)用磁電阻效應(yīng)。讀出頭中應(yīng)用磁電阻效應(yīng)。1988至今至今巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效

3、應(yīng)(GMR)(GMR)發(fā)現(xiàn)，通常將發(fā)現(xiàn)，通常將GMRGMR效應(yīng)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)作為磁電子學(xué)的起點的發(fā)現(xiàn)作為磁電子學(xué)的起點非連續(xù)多層膜、顆粒膜、磁性隧道結(jié)、自旋非連續(xù)多層膜、顆粒膜、磁性隧道結(jié)、自旋閥等具有巨磁電阻效應(yīng)的材料相繼被發(fā)現(xiàn)，閥等具有巨磁電阻效應(yīng)的材料相繼被發(fā)現(xiàn)，GMRGMR效應(yīng)的研究向物理學(xué)的各個領(lǐng)域滲透。效應(yīng)的研究向物理學(xué)的各個領(lǐng)域滲透。磁電阻效應(yīng)的定義磁電阻效應(yīng)的定義 在磁場作用下，磁性金屬內(nèi)部電子自旋方向發(fā)生改變而導(dǎo)致在磁場作用下，磁性金屬內(nèi)部電子自旋方向發(fā)生改變而導(dǎo)致電阻改變的現(xiàn)象，稱為磁電阻電阻改變的現(xiàn)象，稱為磁電阻(magnetoresistance,MR)效應(yīng)。通效應(yīng)。通常，

4、材料的常，材料的MR不超過不超過2-3%。磁性金屬和合金材料一般都有這種。磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現(xiàn)象。磁電阻現(xiàn)象。 表征磁電阻效應(yīng)大小的物理量為表征磁電阻效應(yīng)大小的物理量為MR比，其定義由磁電阻系比，其定義由磁電阻系數(shù)數(shù)給出，公式如下，其中給出，公式如下，其中RH(H)為磁場為為磁場為H時的電阻時的電阻(率率)，R0和和0為磁場為零時的電阻為磁場為零時的電阻(率率)。 =(RH-R0)/R0=(H- 0)/ 0各項異性磁電阻效應(yīng)的定義各項異性磁電阻效應(yīng)的定義 鐵磁金屬和合金多晶體具有各項異性磁電阻效應(yīng)，鐵磁金屬和合金多晶體具有各項異性磁電阻效應(yīng)，即外加磁場方向平行于測試電流方向時

5、測量得到的電即外加磁場方向平行于測試電流方向時測量得到的電阻率與外加磁場方向垂直于測試電流方向時測量得到阻率與外加磁場方向垂直于測試電流方向時測量得到的電阻率不相等的效應(yīng)。的電阻率不相等的效應(yīng)。巨磁電阻效應(yīng)的定義巨磁電阻效應(yīng)的定義 巨磁電阻是在鐵磁和非磁金巨磁電阻是在鐵磁和非磁金屬材料重復(fù)堆疊而成的磁性多屬材料重復(fù)堆疊而成的磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)的，其中每一層的層膜中發(fā)現(xiàn)的，其中每一層的厚度只有幾個原子層。厚度只有幾個原子層。巨磁電阻效應(yīng)的定義巨磁電阻效應(yīng)的定義 巨巨磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)(GMR)(GMR)是指磁性材料的電阻率在有外磁是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)

6、象。巨場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。巨磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，產(chǎn)生于層狀的磁性薄膜結(jié)構(gòu)。磁阻是一種量子力學(xué)效應(yīng)，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。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，載流子與自旋有關(guān)的散射當(dāng)鐵磁層的磁矩相互平行時，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，最小，材料有最小的電阻。當(dāng)鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關(guān)的散射最強，材料的電阻與自旋有關(guān)的散射最強，材料的電阻最大。最大。巨巨磁電阻效應(yīng)的優(yōu)勢磁電阻效應(yīng)的優(yōu)勢 GMR GMR所產(chǎn)生所產(chǎn)生的大幅電阻

7、變的大幅電阻變化可以提高更化可以提高更強的信號強的信號。巨巨磁電阻磁電阻效應(yīng)的優(yōu)勢效應(yīng)的優(yōu)勢該該技術(shù)可以與技術(shù)可以與現(xiàn)代的集成電現(xiàn)代的集成電路技術(shù)完美融路技術(shù)完美融合合。 巨巨磁電阻材料的種類磁電阻材料的種類顆粒膜顆粒膜磁性多層膜磁性多層膜具有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的錳氧化物鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的錳氧化物隧道結(jié)巨磁電阻隧道結(jié)巨磁電阻自旋閥結(jié)構(gòu)自旋閥結(jié)構(gòu)巨磁電阻材料巨磁電阻材料磁性多層膜的巨磁電阻效應(yīng)解釋磁性多層膜的巨磁電阻效應(yīng)解釋 對于非磁性金屬，對于非磁性金屬，自旋向上和向下的電子數(shù)自旋向上和向下的電子數(shù)相等，即電子的自旋是簡相等，即電子的自旋是簡并的，即不存在自旋極化并的，即不存在自旋極化和凈磁矩。但對

8、于鐵磁性和凈磁矩。但對于鐵磁性金屬，由于交換作用，導(dǎo)金屬，由于交換作用，導(dǎo)致不同自旋取向的兩個子致不同自旋取向的兩個子能帶產(chǎn)生相對位移，使得能帶產(chǎn)生相對位移，使得自旋向上的電子數(shù)與自旋自旋向上的電子數(shù)與自旋向下的電子數(shù)不相等，即向下的電子數(shù)不相等，即產(chǎn)生了凈磁化強度。產(chǎn)生了凈磁化強度。磁性多層膜的巨磁電阻效應(yīng)解釋磁性多層膜的巨磁電阻效應(yīng)解釋二流體模型：二流體模型： 在鐵磁金屬中，導(dǎo)電的在鐵磁金屬中，導(dǎo)電的s s電子磁性原子磁矩的散射電子磁性原子磁矩的散射作用（即與局域的作用（即與局域的d d電子作電子作用），散射的幾率取決于用），散射的幾率取決于導(dǎo)電的導(dǎo)電的s s電子自旋方向與固電子自旋方向與

9、固體中磁性原子磁矩方向的體中磁性原子磁矩方向的相對取向。自旋方向與磁相對取向。自旋方向與磁矩方向一致的電子收到的矩方向一致的電子收到的散射作用很弱，自旋方向散射作用很弱，自旋方向與磁矩方向相反的電子則與磁矩方向相反的電子則受到強烈的散射作用。受到強烈的散射作用。磁性多層膜的制備方法磁性多層膜的制備方法 已報道的制備方法包括分子束外延技術(shù)、電沉已報道的制備方法包括分子束外延技術(shù)、電沉積法、超高真空蒸發(fā)以及磁控濺射等方法。其中，積法、超高真空蒸發(fā)以及磁控濺射等方法。其中，磁控濺射法所得到磁控濺射法所得到GMRGMR較大，應(yīng)用最為普遍。較大，應(yīng)用最為普遍。自旋閥的巨磁電阻效應(yīng)解釋自旋閥的巨磁電阻效應(yīng)

10、解釋 19911991年，年，B. B. DienyDieny 等人提出了等人提出了“鐵磁層非磁隔離層鐵磁層非磁隔離層鐵磁層反鐵磁層鐵磁層反鐵磁層”的的自旋閥結(jié)構(gòu)，并首先在自旋閥結(jié)構(gòu)，并首先在“NiFeNiFe/Cu/Cu/NiFeNiFe/ /FeMnFeMn”自旋閥中發(fā)現(xiàn)了一種低飽和自旋閥中發(fā)現(xiàn)了一種低飽和場巨場巨磁電阻磁電阻效應(yīng)。效應(yīng)。 發(fā)展自旋閥結(jié)構(gòu)的基本思想是：通過降低多層膜間交發(fā)展自旋閥結(jié)構(gòu)的基本思想是：通過降低多層膜間交換耦合來實現(xiàn)低場下鐵磁層磁化方向的相對變化，以提高換耦合來實現(xiàn)低場下鐵磁層磁化方向的相對變化，以提高GMRGMR效應(yīng)的磁場靈敏度。效應(yīng)的磁場靈敏度。自旋閥的巨磁電

11、阻效應(yīng)解釋自旋閥的巨磁電阻效應(yīng)解釋 外加磁場為外加磁場為0 0時，自旋閥電阻??；在外加反向磁場的作用下，時，自旋閥電阻?。辉谕饧臃聪虼艌龅淖饔孟?，自由層首先發(fā)生磁化翻轉(zhuǎn)，兩磁性層磁矩反平行排列，自旋閥電自由層首先發(fā)生磁化翻轉(zhuǎn)，兩磁性層磁矩反平行排列，自旋閥電阻阻大。自由層翻轉(zhuǎn)磁場由其各向異性場和大。自由層翻轉(zhuǎn)磁場由其各向異性場和被釘被釘扎層通過非磁性層扎層通過非磁性層產(chǎn)生的耦合作用引起的矯頑場（產(chǎn)生的耦合作用引起的矯頑場（HcHc）和耦合場（和耦合場（HfHf）決定決定。當(dāng)外。當(dāng)外加磁場加磁場超過由反鐵磁層交換耦合引起的交換偏置場時，被釘扎層超過由反鐵磁層交換耦合引起的交換偏置場時，被釘扎層發(fā)

12、生磁化翻轉(zhuǎn)發(fā)生磁化翻轉(zhuǎn)，自旋，自旋閥電阻變小閥電阻變小。隧道結(jié)巨磁電阻效應(yīng)的解釋隧道結(jié)巨磁電阻效應(yīng)的解釋 “磁性金屬非磁絕緣體磁性金屬非磁絕緣體磁性金屬磁性金屬”的結(jié)構(gòu)稱為隧道的結(jié)構(gòu)稱為隧道結(jié)結(jié)。若兩若兩鐵磁電極的磁化方向平行，鐵磁電極的磁化方向平行，一個電極中多數(shù)自旋子帶的電子一個電極中多數(shù)自旋子帶的電子將進入另將進入另一個一個電極中的多數(shù)自旋電極中的多數(shù)自旋子帶的空態(tài)，同時少數(shù)自旋子帶子帶的空態(tài)，同時少數(shù)自旋子帶的電子也從一個電極的電子也從一個電極進入另進入另一個一個電極的少數(shù)自旋子帶的空態(tài)；電極的少數(shù)自旋子帶的空態(tài)；但但若若兩兩電極的磁化方向反平行，則電極的磁化方向反平行，則一一個電極個

13、電極中的多數(shù)自旋子帶電子中的多數(shù)自旋子帶電子的自旋與另一個電極的少數(shù)自旋的自旋與另一個電極的少數(shù)自旋子帶電子的自旋子帶電子的自旋平行平行，這樣，一，這樣，一個電極中的多數(shù)自旋子帶的電子個電極中的多數(shù)自旋子帶的電子必須在另一個電極中尋找少數(shù)必須在另一個電極中尋找少數(shù)自自旋旋子帶的空態(tài)，因而其隧道電阻子帶的空態(tài)，因而其隧道電阻必然與兩電極磁化方向平行時的必然與兩電極磁化方向平行時的電阻有所差別。電阻有所差別。各種典型磁電阻體系的性能比較各種典型磁電阻體系的性能比較巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用19561956年，年，IBMIBM的科學(xué)家的科學(xué)家ReynoldReynold Johnson J

14、ohnson發(fā)明了世界上第一個計算發(fā)明了世界上第一個計算機硬盤；機硬盤；2020世界世界8080年代末，年代末，IBMIBM成功地在硬盤讀出頭中使用磁電阻效應(yīng)；成功地在硬盤讀出頭中使用磁電阻效應(yīng)；19881988年，阿爾貝費爾和彼得格林貝格爾分別領(lǐng)導(dǎo)的兩個獨立小年，阿爾貝費爾和彼得格林貝格爾分別領(lǐng)導(dǎo)的兩個獨立小組在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)；組在磁性多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)；19941994年，年，IBMIBM的科學(xué)家的科學(xué)家ParkinParkin，根據(jù)巨磁電阻效應(yīng)，研制出靈敏度，根據(jù)巨磁電阻效應(yīng)，研制出靈敏度很高的硬盤讀出磁頭，將硬盤存儲密度提高了很高的硬盤讀出磁頭，將硬盤存儲密度提

15、高了1717倍；倍；19971997年，年，IBMIBM推出了基于巨磁電阻效應(yīng)的商業(yè)化硬盤產(chǎn)品推出了基于巨磁電阻效應(yīng)的商業(yè)化硬盤產(chǎn)品；20042004年，希捷公司在硬盤讀出頭中開始采用隧道磁電阻效應(yīng)。年，希捷公司在硬盤讀出頭中開始采用隧道磁電阻效應(yīng)。 巨巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用 巨巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用當(dāng)記錄媒介上的剩余磁場作用于磁頭時，自旋閥多層當(dāng)記錄媒介上的剩余磁場作用于磁頭時，自旋閥多層膜的自由層磁化強度方向發(fā)生改變，電阻的變化通過膜的自由層磁化強度方向發(fā)生改變，電阻的變化通過磁頭的電流讀出。磁頭的電流讀出。巨巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用磁磁電阻效應(yīng)電阻效應(yīng)的其它應(yīng)用的其它應(yīng)用GMR傳感器傳感器磁隨機磁隨機存儲器存儲器電壓電壓隔離器隔離器巨巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用磁隨機存儲器同其他磁記錄方式一樣磁隨機存儲器同其他磁記錄方式一樣是利用磁性材料的不同的磁化狀