巨磁阻原理及应用

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 ? 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

电子自旋

FM1

MN FM2 R1 R2 r1 r2 图（a）

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。

电子自旋

NM FM1

FM2 R1 r2 r1 R2 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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