1、巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用巨磁電阻（Gia nt mag neto resista nee,簡稱GMR）效應(yīng)表示在一個巨磁電阻系統(tǒng)中，非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大的電阻變化的特殊效應(yīng)法國科學(xué)家阿爾貝費爾（Albert Fert）和德國科學(xué)家彼得格林貝格爾（Peter Grunberg ）因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同榮膺 2007年諾貝爾物理學(xué)獎.圖1反鐵磁有序GMR是一種量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理 學(xué)現(xiàn)象，是磁阻效應(yīng)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(jié)構(gòu)中觀察到在量子力學(xué)出現(xiàn)后， 德國科學(xué)家海森伯（W. Heisenberg, 1932年諾貝爾獎得主）明確提出鐵磁性有序狀

2、態(tài)源于鐵磁性原子磁矩之間的量子力學(xué) 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(xué)家們又發(fā) 現(xiàn)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(tài),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(tài)，但總的凈磁矩在不受外場作用時仍為零 .這種磁有序 狀態(tài)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(xiàn)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，所以稀土金屬中的傳導(dǎo)電子擔(dān)當(dāng)了中介 ，將相鄰的稀

3、土原 子磁矩耦合起來，這就是RKK型間接交換作用.直接交換作用的特征長度為0.1 0.3nm,間接交換作用可以長達1nm以上. 據(jù)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?qū)щ婎愋停┎煌?、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(jié)構(gòu)材料，其特點是這種復(fù)合材料的周期長度比各 薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更長.上世紀(jì)八十年代，制作高質(zhì)量的納米尺度 樣品技術(shù)的出現(xiàn)使得金屬超晶格成為研究前沿.因此凝聚態(tài)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(chǔ)方面的研究.其 中相關(guān)的代表性研究工作簡介如下.其一是德國尤利希

4、科研中心的物理學(xué)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(tài) , 其研究對象是一個三明治結(jié)構(gòu) 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(tǒng) , 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(xiàn)兩者的電子狀態(tài)匹配 . 其次, 金屬鐵和鉻的晶格對稱性和晶格 常數(shù)相同 , 它們之間晶格結(jié)構(gòu)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(shù)的發(fā)展，分子束外延（MBE）方法的應(yīng)用才使得結(jié)構(gòu)完整的單晶樣 品得

5、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(guān)信息 , 科研工作者將光散射應(yīng)用于對金屬三層膜進行相關(guān)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(jié)果發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)變?yōu)榉?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(tài) , 這一現(xiàn)象成為巨磁電阻效應(yīng)出現(xiàn)的前奏 . 在對 這一現(xiàn)象的進一步研究過程中 , 格倫貝格爾等發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個磁矩反平行時 , 鐵- 鉻- 鐵三明治呈現(xiàn)高電阻狀態(tài) . 而當(dāng)兩個磁

6、矩平行時 , 則對應(yīng)與其低電阻狀態(tài) , 且 兩種不同狀態(tài)下的阻值差高達 10%. 之后, 格倫貝格爾將此結(jié)果寫成論文 , 并申 請了將這種效應(yīng)和材料應(yīng)用于硬盤磁頭的專利 .另一位科研工作者是巴黎十一大學(xué)固體物理實驗室物理學(xué)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(zhì)的研究 , 他們發(fā)現(xiàn)了當(dāng)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(jù)此該現(xiàn)象被命名為巨磁電阻現(xiàn)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

7、發(fā)現(xiàn)實屬同一個物理現(xiàn)象 .除了上述兩位諾貝爾獎獲得者的開創(chuàng)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(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ) 他于1 990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(yīng) , 并且隨著非磁層厚度增加 , 其磁電阻值振蕩下降 . 此后 , 科學(xué)家 在過渡金屬超晶格和金屬多層膜中又發(fā)現(xiàn)了20種左右不同的體系均存在巨磁電阻振蕩現(xiàn)象帕金的工作首先為尋找更多的GM材料開辟了廣闊空間，為尋找適合硬盤的GM材料提供了可能，1997年制成了 GM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

8、控濺射技術(shù)用以替代精密的MB方法，并使之成為工業(yè)生產(chǎn)多層膜的標(biāo)準(zhǔn) . 磁控濺射技術(shù)克服了物理發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)化之間 的障礙 ， 使巨磁電阻成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)換為商業(yè)應(yīng)用的國際典范 . 同時， 巨 磁電阻效應(yīng)也被認為是納米技術(shù)的首次真正應(yīng)用 .巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的另一重大意義在于打開了一扇通向新技術(shù)世界的大門 自旋電子學(xué) GMR作為自旋電子學(xué)的開端具有深遠的科學(xué)意義 傳統(tǒng)的電子 學(xué)是以電子的電荷移動為基礎(chǔ)的 ， 電子自旋往往被忽略了 . 巨磁電阻效應(yīng)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(xué)的研究和發(fā)展引發(fā)了電子技術(shù)與信息技術(shù)的一場新的革命 . 目前電

9、腦， 音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤磁頭 ， 基本上都應(yīng)用了巨 磁電阻效應(yīng) . 利用巨磁電阻效應(yīng)制成的多種傳感器 ， 已廣泛應(yīng)用于各種測控領(lǐng) 域除利用鐵磁膜-金屬膜-鐵磁膜的GM效應(yīng)外，由兩層鐵磁膜夾一極薄的絕緣 膜或半導(dǎo)體膜構(gòu)成的隧穿磁阻（TMR）效應(yīng),已顯示出比GM效應(yīng)更高的靈敏度. 此外， 在單晶和多晶等多種形態(tài)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的稀土錳酸鹽 ， 以及一些磁性半 導(dǎo)體中 ， 都發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng) .實驗?zāi)康? 了解GMR效應(yīng)的原理.2 測量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線.3 測量GMR的磁阻特性曲線.4 測量GMR開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線.5 用GMR傳感器測量電流

10、.6 用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解GMR轉(zhuǎn)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(jù)導(dǎo)電的微觀機理 ， 電子在導(dǎo)電時并非沿電場直線前進 ， 而是不斷和晶 格中的原子產(chǎn)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(guī)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= 1/S中，電阻率可視為常數(shù)，與材料的幾何尺度無關(guān).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34nn）,可以忽略邊界效

11、應(yīng).然而，當(dāng)材料的幾何尺度小到納米量級且只有 幾個原子的厚度時（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(xiàn)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(yīng)，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(lián)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(jié)構(gòu)中的上下兩層磁性材料反平行

12、（反鐵 磁）耦合.當(dāng)施加足夠強的外磁場后，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(shù)應(yīng)用中與膜面方向平行.無外磁場時頂層磁場方向無外磁場時底層磁場方向圖 2 多層 膜 GMR 結(jié)構(gòu)圖事實上，有兩類與自旋相關(guān)的散射對巨磁電阻效應(yīng)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(tài)如何，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨 狀態(tài)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(yīng)于高電阻狀態(tài)；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(yīng)于

13、低電阻狀態(tài).其二，鐵磁膜內(nèi)的散射即使電流方向平行于膜面，由于無規(guī)散射，電子 也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(tài)如何，在穿行過程中都會經(jīng)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(lián)電阻相 似兩個中等阻值的電阻的并聯(lián)，對應(yīng)于高電阻狀態(tài).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(lián)電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯(lián)，對應(yīng)于低電阻狀態(tài).多層膜GM結(jié)構(gòu)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

14、應(yīng)用.在數(shù)字記錄與讀出領(lǐng)域,為進一步提高靈敏度， 發(fā)展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR.如圖3所示.自旋閥結(jié)構(gòu)的SV-GMR（Spirvalve GMR由釘扎層，被釘扎層，中間導(dǎo)電層和自由層構(gòu)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(zhuǎn)場，此偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)于0或1）,當(dāng)感應(yīng)到磁記錄材料

15、的磁場時，自由層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(zhuǎn)，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GM磁頭就采用這種結(jié)構(gòu).自由層中間導(dǎo)電層 被釘扎層 釘扎層圖3自旋閥 SV -GMR 結(jié)構(gòu)圖實驗儀器一.主體名稱：ZKY-巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用實驗儀構(gòu)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(guān)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(guān)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

16、電源和運算放大器工作所需的 乂V電源.二.各種組件1. 基本組件：基本特性組件由GM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GM的磁電轉(zhuǎn)換特性，磁阻特性進行測量.GM傳感器置于螺線管的中央.螺線管用于在實驗過程中產(chǎn)生大小可計算的磁場，由理論分析可知，無限長直螺線管內(nèi)部軸線上任一點的磁感應(yīng)強度為：B = w）nl .式中n為線圈密度，I為流經(jīng)線圈的電流強度%=4二102H/m為真空中的磁導(dǎo)率.采用國際單位制時，由上式計算出的磁感應(yīng)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(dǎo)線置于 GM模擬傳感器近旁，用GM傳感器測量導(dǎo)線通過不同大小電流時

17、導(dǎo)線周圍的磁場變化，就可確定電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(yōu)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(zhuǎn)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(fā)生變化，每轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，速度）.汽 車上的轉(zhuǎn)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(zhì)，磁卡通過寫磁頭時可寫入數(shù)據(jù)，通過讀磁頭時將寫入的數(shù)據(jù)讀出來巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用實驗報告一、實驗時間：年 月曰、樣品：巨磁阻基本特性組件，磁讀

18、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(yīng)及應(yīng)用實驗儀(01-001)三、實驗?zāi)康模?、了解巨磁電阻效應(yīng)實驗原理；2、了解巨磁阻的模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)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(nèi)容：1、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量：表1磁阻兩端電壓4V勵磁電流l1(mA)磁感應(yīng)強度B輸出電壓U(mV勵磁電流I1(mA)磁感應(yīng)強度B輸出電壓U(mV10089.98069.76049.8403020151050-5-10-15.1-20-30.1-40.7-50.2-60-76.8-80.1-90-100卩=4nX -7H/m (

19、1)n=24000T/m (2)B= %nl(3)輸出電壓與磁感應(yīng)強度B之間的關(guān)系曲線：磁感應(yīng)強度B與輸出電壓U之間的關(guān)系曲線25(22f20(17JL15012510()7cn5025輸出電壓u(vrB赫線磁場O30.-O20.-0.010.020.030.040.0增大 時BU關(guān) 系曲 線磁感應(yīng)強度B圖(1)2、GMR磁阻特性測量：由式(3)可得磁感應(yīng)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I l(mA)磁感應(yīng)強度B磁阻電流I (mA磁阻R(Q)勵磁電流I 1(mA)磁感應(yīng)強度B磁阻電流I ( mA磁阻R(Q )10030.1-100-

20、30.19027.1-90-27.18024.1-80-24.169.521.0-70-21.16018.1-60-18.149.815.0-50-15.139.111.8-40.1-12.1309.0-30-9.0206.0-19.8-6.014.84.5-15-4.5103.0-10-3.051.5-5-1.500.000.0-5.1-1.551.5-10.1-3.0103.0-15-4.515.34.6-20.2-6.1206.0-30.5-9.2309.0-40.1-12.140.112.1-50-15.15015.1-60-18.16018.1-70.1-21.17021.1-80-

21、24.18024.1-90-27.19027.1-100-30.110030.1磁阻與磁感應(yīng)強度關(guān)系曲線:R-B關(guān)系曲線一一磁場減小時R-B關(guān)系曲線圖(2)磁場增大時 R-B關(guān)系曲線3、GMR開關(guān)(數(shù)字)傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量勵磁電流1 (mA輸岀電壓U(V)勵磁電流1 (mA)輸岀電壓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幵關(guān)特性曲線輸出電壓0-6021.81.61.41.20.2-404010.8U（ V）0.60.4磁場減小 時巨磁阻 開關(guān)特性 曲線磁場增大 時巨磁阻 開關(guān)特性 曲線-20 0 20勵磁電流I