1、巨磁電阻效應及其應用 巨磁電阻( Giant magneto resistance, 簡稱GMR)效應表示在一個巨磁電阻系統中, 非常弱小的磁性變化就能導致巨大的電阻變化的特殊效應. 法國科學家阿爾貝·費爾(Albert Fert)和德國科學家彼得·格林貝格爾( Peter Grunberg )因分別獨立發現巨磁阻效應而共同榮膺2007年諾貝爾物理學獎. GMR是一種量子力學和凝聚態物理學現象, 是磁阻效應的一種, 可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層（幾個納米厚）結構中觀察到. 在量子力學出現后, 德國科學家海森伯(W. Heisenberg, 1932年諾貝爾獎得主)

2、明確提出鐵磁性有序狀態源于鐵磁性原子磁矩之間的量子力學交換作用, 這個交換作用是短程的, 稱為直接交換作用. 隨后, 科學家們又發現很多的過渡金屬和稀土金屬的化合物也具有反鐵磁有序狀態, 即在有序排列的磁材料中, 相鄰原子因受負的交換作用, 自旋為反平行排列, 如圖1所示. 此時磁矩雖處于有序狀態, 但總的凈磁矩在不受外場作用時仍為零. 這種磁有序狀態稱為反鐵磁性. 反鐵磁性通過化合物中的氧離子(或其他非金屬離子)將最近的磁性原子的磁矩耦合起來, 屬于間接交換作用. 此外, 在稀土金屬中也出現了磁有序, 其中原子的固有磁矩來自4f電子殼層. 相鄰稀土原子的距離遠大于4f電子殼層直徑, 所以稀土

3、金屬中的傳導電子擔當了中介, 將相鄰的稀土原子磁矩耦合起來, 這就是RKKY型間接交換作用. 直接交換作用的特征長度為0.10.3nm, 間接交換作用可以長達1nm以上. 據此美國IBM實驗室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念所謂的超晶格就是指由兩種（或兩種以上）組分（或導電類型）不同、厚度極小的薄層材料交替生長在一起而得到的一種多周期結構材料, 其特點是這種復合材料的周期長度比各薄膜單晶的晶格常數大幾倍或更長. 上世紀八十年代, 制作高質量的納米尺度樣品技術的出現使得金屬超晶格成為研究前沿. 因此凝聚態物理工作者對這類人工材料的磁有序, 層間耦合, 電子輸運等進行了廣泛的基礎方面的研究. 其中

4、相關的代表性研究工作簡介如下.其一是德國尤利?？蒲兄行牡奈锢韺W家彼得·格倫貝格爾. 他一直致力于研究鐵磁性金屬薄膜表面和界面上的磁有序狀態, 其研究對象是一個三明治結構的薄膜, 兩層厚度約10nm的鐵層之間夾有厚度為1nm的鉻層. 之所以選擇選擇這一材料系統, 首先是因為金屬鐵和鉻是周期表上相近的元素, 具有類似的電子殼層, 容易實現兩者的電子狀態匹配. 其次, 金屬鐵和鉻的晶格對稱性和晶格常數相同, 它們之間晶格結構相匹配. 這兩類匹配非常有利于對基本物理過程進行探索. 盡管如此, 長期以來該課題組所獲得的三明治薄膜僅為多晶體. 隨著制備薄膜技術的發展, 分子束外延(MBE)方法的

5、應用才使得結構完整的單晶樣品得以問世, 其成分依然是鐵-鉻-鐵三層膜. 此后, 為了進一步獲得鐵磁矩的有關信息, 科研工作者將光散射應用于對金屬三層膜進行相關研究. 在實驗過程中, 薄膜上的外磁場被逐步減小直至消失. 結果發現, 在鉻層厚度為0.8nm的鐵-鉻-鐵三明治中, 兩邊的兩個鐵磁層磁矩從彼此平行(較強磁場下)轉變為反平行(弱磁場下). 亦即, 對于非鐵磁層鉻的某個特定厚度, 在無外磁場時, 兩邊鐵磁層磁矩處于反平行狀態, 這一現象成為巨磁電阻效應出現的前奏. 在對這一現象的進一步研究過程中, 格倫貝格爾等發現當兩個磁矩反平行時,鐵-鉻-鐵三明治呈現高電阻狀態. 而當兩個磁矩平行時,

6、則對應與其低電阻狀態, 且兩種不同狀態下的阻值差高達10%. 之后, 格倫貝格爾將此結果寫成論文,并申請了將這種效應和材料應用于硬盤磁頭的專利. 另一位科研工作者是巴黎十一大學固體物理實驗室物理學家阿爾貝·費爾, 其課題組將鐵、鉻薄膜交替制成幾十個周期的鐵-鉻超晶格, 亦稱周期性多層膜. 通過對此類物質的研究, 他們發現了當改變磁場強度時, 超晶格薄膜的電阻下降近一半, 即磁電阻比率達到50%. 據此該現象被命名為巨磁電阻現象, 并用兩電流模型予以合理解釋. 顯然, 該周期性多層膜可視為若干個格倫貝格爾三明治的重疊, 因此德國和法國的這兩個獨立發現實屬同一個物理現象. 除了上述兩位諾

7、貝爾獎獲得者的開創性工作, IBM公司的斯圖爾特·帕金( S. P. Parkin )將GMR的制作材料做了進一步推廣, 為其工業化應用奠定了基礎. 他于1990年首次報道了鐵-鉻超晶格系列之外的鈷-釕和鈷-鉻超晶格體系亦有巨磁電阻效應, 并且隨著非磁層厚度增加, 其磁電阻值振蕩下降. 此后, 科學家在過渡金屬超晶格和金屬多層膜中又發現了20種左右不同的體系均存在巨磁電阻振蕩現象. 帕金的工作首先為尋找更多的GMR材料開辟了廣闊空間, 為尋找適合硬盤的GMR材料提供了可能, 1997年制成了GMR磁頭即是其成功之一. 其次, 在薄膜制備方法上帕金采用較普通的磁控濺射技術用以替代精密的

8、MBE方法, 并使之成為工業生產多層膜的標準. 磁控濺射技術克服了物理發現與產業化之間的障礙, 使巨磁電阻成為基礎研究快速轉換為商業應用的國際典范. 同時, 巨磁電阻效應也被認為是納米技術的首次真正應用. 巨磁電阻效應發現的另一重大意義在于打開了一扇通向新技術世界的大門自旋電子學. GMR作為自旋電子學的開端具有深遠的科學意義. 傳統的電子學是以電子的電荷移動為基礎的, 電子自旋往往被忽略了. 巨磁電阻效應表明電子自旋對于電流的影響非常強烈, 電子的電荷與自旋兩者都可能載運信息. 自旋電子學的研究和發展引發了電子技術與信息技術的一場新的革命. 目前電腦, 音樂播放器等各類數碼電子產品中所裝備的

9、硬盤磁頭, 基本上都應用了巨磁電阻效應. 利用巨磁電阻效應制成的多種傳感器, 已廣泛應用于各種測控領域. 除利用鐵磁膜-金屬膜-鐵磁膜的GMR效應外, 由兩層鐵磁膜夾一極薄的絕緣膜或半導體膜構成的隧穿磁阻(TMR)效應, 已顯示出比GMR效應更高的靈敏度. 此外, 在單晶和多晶等多種形態的鈣鈦礦結構的稀土錳酸鹽, 以及一些磁性半導體中, 都發現了巨磁電阻效應. 實驗目的1 了解GMR效應的原理.2 測量GMR模擬傳感器的磁電轉換特性曲線.3 測量GMR的磁阻特性曲線.4 測量GMR開關（數字）傳感器的磁電轉換特性曲線.5 用GMR傳感器測量電流.6 用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移, 了解G

10、MR轉速傳感器的原理.7 通過實驗了解磁記錄與讀出的原理.實驗原理根據導電的微觀機理, 電子在導電時并非沿電場直線前進, 而是不斷和晶格中的原子產生碰撞（又稱散射）, 每次散射后電子都會改變運動方向, 總的運動是電場對電子的定向加速與這種無規散射運動的疊加. 電子在兩次散射之間走過的平均路程稱為平均自由程, 電子散射幾率小, 則平均自由程長, 電阻率低. 在電阻定律 R=rl/S中, 電阻率r可視為常數, 與材料的幾何尺度無關. 這是因為通常材料的幾何尺度遠大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nm）, 可以忽略邊界效應. 然而, 當材料的幾何尺度小到納米量級且只有幾個原子的厚度

11、時（例如, 銅原子的直徑約為0.3nm）, 電子在邊界上的散射幾率大大增加, 此時可以明顯觀察到厚度減小, 電阻率增加的現象.電子除本身攜帶電荷外, 還具有自旋特性. 自旋磁矩又分為平行或反平行于外磁場方向的兩種不同取向. 在自旋磁矩與材料的磁場方向平行的情況下, 電子散射的幾率遠小于二者反平行條件下的散射幾率. 與此相應, 材料的電阻在自旋磁矩與外磁場方向平行時將遠小于二者反平行時的阻值. 事實上, 材料的總電阻可視為兩類自旋電流的并聯電阻, 因此總電流則為兩類自旋電流之和, 此即兩電流模型. 如圖2所示, 無外磁場時, 多層膜結構中的上下兩層磁性材料反平行（反鐵磁）耦合. 當施加足夠強的外

12、磁場后, 兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致, 外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合. 電流的方向在多數應用中與膜面方向平行.事實上, 有兩類與自旋相關的散射對巨磁電阻效應有貢獻: 其一, 界面上的散射. 在無外磁場條件下, 上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反, 無論電子的初始自旋狀態如何, 從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態改變（平行反平行, 或反平行平行）, 電子在界面上的散射幾率很大, 對應于高電阻狀態; 在有外磁場存在時, 上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致, 電子在界面上的散射幾率很小, 對應于低電阻狀態. 其二, 鐵磁膜內的散射. 即使電流方向平行于膜面, 由于無規散射, 電子也

13、有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行. 在無外磁場時, 上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反, 無論電子的初始自旋狀態如何, 在穿行過程中都會經歷散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥煞N過程, 兩類自旋電流的并聯電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯, 對應于高電阻狀態. 在有外磁場時, 上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致, 自旋平行的電子散射幾率小, 自旋反平行的電子散射幾率大, 兩類自旋電流的并聯電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯, 對應于低電阻狀態. 多層膜GMR結構簡單, 工作可靠, 磁阻隨外磁場線性變化的范圍大, 在制作模擬傳感器方面得到廣泛應用. 在數字記錄與讀出領域, 為進一步提高靈敏度, 發

14、展了自旋閥結構的GMR. 如圖3所示. 自旋閥結構的SV-GMR(Spin valve GMR)由釘扎層, 被釘扎層, 中間導電層和自由層構成. 其中, 釘扎層使用反鐵磁材料, 被釘扎層使用硬鐵磁材料, 鐵磁和反鐵磁材料在交互耦合作用下形成一個偏轉場, 此偏轉場將被釘扎層的磁化方向固定, 不隨外磁場改變. 自由層使用軟鐵磁材料, 它的磁化方向易于隨外磁場轉動. 這樣, 很弱的外磁場就會改變自由層與被釘扎層磁場的相對取向, 對應于很高的靈敏度. 制造時, 使自由層的初始磁化方向與被釘扎層垂直, 磁記錄材料的磁化方向與被釘扎層的方向相同或相反（對應于0或1）, 當感應到磁記錄材料的磁場時, 自由層

15、的磁化方向就向與被釘扎層磁化方向相同（低電阻）或相反（高電阻）的方向偏轉, 檢測出電阻的變化, 就可確定記錄材料所記錄的信息, 硬盤所用的GMR磁頭就采用這種結構. 實驗儀器一. 主體名稱：ZKY-巨磁電阻效應及應用實驗儀構成及功能：電流表部分：做為一個獨立的電流表使用. 兩個檔位：2mA檔和200mA檔, 可通過電流量程切換開關選擇合適的電流檔位測量電流. 電壓表部分：做為一個獨立的電壓表使用. 兩個檔位：2V檔和200mV檔, 可通過電壓量程切換開關選擇合適的電壓檔位. 恒流源部分：可變恒流源. 實驗儀還提供GMR傳感器工作所需的4V電源和運算放大器工作所需的±8V電源.二 各種

16、組件1. 基本組件：基本特性組件由GMR模擬傳感器, 螺線管線圈及比較電路, 輸入輸出插孔組成. 用以對GMR的磁電轉換特性, 磁阻特性進行測量. GMR傳感器置于螺線管的中央. 螺線管用于在實驗過程中產生大小可計算的磁場, 由理論分析可知, 無限長直螺線管內部軸線上任一點的磁感應強度為: B = 0nI . 式中n為線圈密度, I為流經線圈的電流強度, 為真空中的磁導率. 采用國際單位制時, 由上式計算出的磁感應強度單位為特斯拉（1特斯拉10000高斯）.2. 電流測量組件：電流測量組件將導線置于GMR模擬傳感器近旁, 用GMR傳感器測量導線通過不同大小電流時導線周圍的磁場變化, 就可確定電

17、流大小. 與一般測量電流需將電流表接入電路相比, 這種非接觸測量不干擾原電路的工作, 具有特殊的優點.3. 角位移測量組件: 角位移測量組件用巨磁阻梯度傳感器作傳感元件, 鐵磁性齒輪轉動時, 齒牙干擾了梯度傳感器上偏置磁場的分布, 使梯度傳感器輸出發生變化, 每轉過一齒, 就輸出類似正弦波一個周期的波形. 利用該原理可以測量角位移（轉速, 速度）. 汽車上的轉速與速度測量儀利用的就是這一原理. 4. 磁讀寫組件：磁讀寫組件用于演示磁記錄與讀出的原理. 磁卡做記錄介質, 磁卡通過寫磁頭時可寫入數據, 通過讀磁頭時將寫入的數據讀出來.巨磁電阻效應及其應用實驗報告一、實驗時間： 年 月 日 二、樣品

18、：巨磁阻基本特性組件, 磁讀寫組件, 電流測量組件, 角位移測量組件, 巨磁阻試件, 磁卡以及巨磁電阻效應及應用實驗儀（01-001）. 三、實驗目的： 1、了解巨磁電阻效應實驗原理； 2、了解巨磁阻的模擬傳感器磁電轉換特性； 3、了解巨磁阻的磁阻特性； 4、通過實驗了解磁記錄與磁讀寫的原理. 四、實驗內容：1、GMR模擬傳感器的磁電轉換特性測量：表1 磁阻兩端電壓4V勵磁電流I1(mA)磁感應強度B輸出電壓U（mV）勵磁電流I1(mA)磁感應強度B輸出電壓U（mV）10089.98069.76049.8403020151050-5-10-15.1-20-30.1-40.7-50.2-60-7

19、6.8-80.1-90-100=4×10-7H/m （1） n= 24000 T/m（2） （3）輸出電壓與磁感應強度B之間的關系曲線：輸出電壓磁感應強度B與輸出電壓U之間的關系曲線02575100125150175200225250275-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.0磁感應強度B磁場減小時B-U關系曲線磁場增大時B-U關系曲線50U(V) 圖（1）2、GMR磁阻特性測量：由式（3）可得磁感應強度B, 巨磁阻兩端電壓為4V, 則由歐姆定律可得磁阻R. 表2 磁阻特性測量 磁阻兩端電壓4V勵磁電流I1(mA)磁感應強度B磁阻電流 I（mA

20、）磁阻R（）勵磁電流 I1(mA)磁感應強度 B磁阻電流 I（mA）磁阻R（）10030.1 -100-30.1 9027.1 -90-27.1 8024.1 -80-24.1 69.521.0 -70-21.1 6018.1 -60-18.1 49.815.0 -50-15.1 39.111.8 -40.1-12.1 309.0 -30-9.0 206.0 -19.8-6.0 14.84.5 -15-4.5 103.0 -10-3.0 51.5 -5-1.5 00.0 00.0 -5.1-1.5 51.5 -10.1-3.0 103.0 -15-4.5 15.34.6 -20.2-6.1 2

21、06.0 -30.5-9.2 309.0 -40.1-12.1 40.112.1 -50-15.1 5015.1 -60-18.1 6018.1 -70.1-21.1 7021.1 -80-24.1 8024.1 -90-27.1 9027.1 -100-30.1 10030.1 R-B關系曲線磁阻與磁感應強度關系曲線：420043004400450046004700480049005000-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.0磁感應強度B磁阻R磁場減小時R-B關系曲線磁場增大時R-B關系曲線 圖（2）3、GMR開關（數字）傳感器的磁電轉換特性曲線測量表3勵磁電流I（mA）輸出電壓U(V)勵磁電流I（mA）輸出電壓U(V)50-5040-4030-3020-2019.4-17.519.4-17.510-1000-1010-2020-22.924.3-22.924.3-3030-4040-5050開關特性曲線00.20.40.60.811.21.41.61.82-60-40-200204060勵磁電流I（mA）磁場減小時巨磁阻開關特性曲線磁場增大時巨磁阻開關特性曲線輸出電壓U（V）4、用GMR模擬傳感器測量電流 表4低磁偏置25mV低磁