巨磁电阻效应
摘要： 巨磁电阻（GMR）效应自发现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视,GMR效应已成为当前凝聚态物理研究的热点之一。它不仅具有重要的科学意义,而且具有多方面的应用价值。目前,GMR效应主要用于磁传感器、随机存储器和高密度读写磁头等方面。此外,GMR传感器在自动化技术、家用电器、卫星定位、导航、汽车工业、医疗等方面都具有广泛的应用前景。
在磁场作用下，因磁性金属内部电子自旋方向发生改变而导致电阻改变的现象，被称为磁致电阻（Magnetic Resistance，MR）效应。铁磁金属和合金一般都有磁致电阻现象。磁致电阻效应的产生有不同的物理机制，按不同的物理机制可作如下分类：正常磁电阻效应、各向异性磁电阻效应、巨磁电阻效应、掺杂稀土锰氧化物的超巨磁电阻效应以及隧道磁电阻效应。目前，各向异性磁电阻效应的应用最广，巨磁电阻效应、超巨磁电阻效应和隧道磁电阻效应因性能优于各向异 性磁 电阻效应而成为研究热点 ，其中，巨磁电阻（ GaintMagnetoresistance，GMR）效应是研究最广泛、最深入、科研和实用价值最高的磁致电阻效应。
1，巨磁电阻效应的发现
1980 年，美国 IBM 研发人员利用 MR 技术研制成功了 MR 的磁阻磁头，实 现了硬盘驱动器的第一次飞跃。但随着信息技术的突飞猛进，对信息存储容量的 要求不断提高，利用 MR 技术，即使在很大的磁场作用下，磁致电阻的变化也只有 1%～3%，这远远满足不了实际发展的需求，为此，必须寻找和发明新的 MR技术。1986 年，德国的 P.Grünberg 研究小组在真空环境下通过分子束外延 （MBE）技术，制备了一种“铁磁/非磁/铁磁”（Fe/Cr/Fe）三明治式薄膜结构， 研究发现，当 Cr 层厚度为 0.9nm 时，材料获得了很高电阻值。
两年后，法国的A. Fert 研究小组在 Fe（3nm）/Cr（0.9nm）金属超晶格多层膜中同样发现，在一定外磁场存在下，该结构的电阻值发生急剧变化，当外磁场为 2KOe，温度为4.2K 时，其磁电阻变化率超过 50%。由于 Fe/Cr 多层膜的磁电阻效应非常明显，因此被定义为巨磁电阻效应。
图 1-1 为 Fe/Cr 多层膜巨磁电阻效应示意图，由图中可以看出，在无外加磁场时，磁性层的磁矩呈反平行排列，随着外加磁场逐渐增大，磁性层的磁矩在外磁场的作用下趋于平行排列，多层结构的电阻随之减小，当外加磁场强度达到使磁性层磁化饱和时，即磁性层磁矩为平行态时，电阻减小到最小值，反平行态时电阻值最大。由于 Fe/Cr 多层膜的磁电阻效应非常明显，因此被定义为巨磁电阻效应。
2，巨磁电阻效应产生机理
1936 年科学家 N.H.Mott 发现将铁磁金属加热到居里温度以上，其电阻会发生显著增加，Mott通过研究，建立了“双流体”理论模型（即 Mott 模型），并成功解释了该现象。Mott 模型的基本思想是：（1）电子在传输过程中的自旋翻转可忽略，即将电子分成自旋向上和自旋向下两种独立的导电通道，类似于并联输运通道；（2）在铁磁金属中对磁性有贡献的 3d 电子自旋取向分为自旋向上与自旋向下两种，磁性层的磁矩方向取决于自旋电子产生的自旋磁矩的取向；（3） 传导电子在输运过程中受到的散射取决于磁性层磁矩的取向。
巨磁电阻的产生机理可以采用 Mott 模型来阐述。在非磁性金属中，自旋向上和自旋向下的电子数是相同的，不存在自旋极化现象，而在铁磁金属中，由于量子力学交换作用，铁磁金属的 3d 轨道局域电子能带发生劈裂，自旋向上与自旋向下的电子在 Fermi 面处的数目是不同的，在一定电场的推动下会发生自旋极化，导致它们对不同自旋取向的传导电子的散射不同。当不同自旋取向的传导电子经过铁磁层时，被散射的程度取决于铁磁层磁矩的取向，导致了相邻铁磁层在平行态和反平行态时电阻值的不同，从而产生巨磁电阻效应。为了简化，这里以格林贝格尔实验中的铁磁／非磁／铁磁的三明治结构，即Fe／Cr／Fe，为例来介绍。费尔的实验中的超品格多层膜结构可以用相同的物理机理来解释。巨磁电阻效应通常用两自旋电流模型来描述。
当磁矩平行和反平行时相应的态密度示意图。当两个铁磁层磁矩平行时，两边费米能级处自旋向下的电子数都较多，因此在两个铁磁／非磁界面受到的散射很弱，是低电阻通道，表示为2RL(其
中2表示受到两个界面散射)；相反，
自旋向上的电子数较少，因此在两个铁
磁／非磁界面受到的散射很强，是高电
阻通道，表示为2RH。根据两自旋电流
模型，相应的等效电阻如右图所示。
所以，总电阻为2RLRH／(RL+RH)。当两个铁磁层磁矩反平行时(图2(b))，左边铁磁电极费米能级处自旋向下的电子数较多，对自旋向下的电子，在穿过第一个铁磁／非磁界面时受到的散射较弱，是低电阻态，RL；但是在第二个铁磁层中，自旋向下的电子态密度较少，在铁磁／非磁界面受到的散射很强，是高电阻态RH，因此，自旋向下的通道的总电阻就是(RL+RH)。相似的，对自旋向上的电子通道，电子在两个界面处分别受到强散射和弱散射，总电阻为(RL+RH)，如图3(b)所示，总电阻为(RL+RH)／2。所以，磁电阻的大小为[1]：
[1]
3，巨磁电阻效应的应用
巨磁电阻效应的发现促进了磁电子学的兴起和发展，GMR 材料的优异性能 使其在信息记录及磁电子学器件等领域有着广阔的应用前景，目前其工业应用 主要集中在以下几个方面：
（1）巨磁电阻高密度读出磁头：在高密度磁记录信息应用领域，传统的 AMR磁头的最大磁电阻仅为 6%，磁场灵敏度最大约为 0.4%/Oe，对于微弱的信号无法形成磁电阻，已不能满足市场的需求。巨磁电阻磁头的磁电阻值在室温下高达30%，磁场灵敏度可达 1%/Oe，磁头分辨率得到了很大提高，这意味着即使将信息的磁单位面积大大缩小，磁头也可以分辨出来，因而在高密度磁记录信息领域具有很高的应用价值。2002 年，Fujitsui 公司采用 CPP-GMR 磁头和垂直记录技术，成功开发出记录密度达 300Gb/in2（46.5Gb/cm2）的超高密度读出磁头使 GMR 高密度读出磁头的市场价值得到实现，从而开创了信息记录领域的新纪元。
（2）巨磁电阻传感器：磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向等。 由于 GMR 元件的磁电阻变化率大，磁场灵敏度高，可传感微弱磁场，不仅大大提高了磁传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标，还扩大了磁电阻传感器的测量和应用范围，在家用电器、汽车、自动控制、物性检测和生物医学等方面呈现出广阔的应用前景。
（3）巨磁电阻随机存储器：采用 GMR 效应制备的巨磁电阻随机存储器 （MRAM）与传统半导体随机存储器相比，不仅具有非易失性、抗辐射、长寿 命和低成本等优点，而且其所需电流电压信号小、响应时间短，实现了高存储密 度和快速存取。Honeywell 公司是首个利用 GMR 材料作为存储器芯片的公司， 之后 IBM、摩托罗拉、西门子和 INESC 等都开始加紧研究。IBM 公司的 Tang 等人提出了自旋阀 GMR 设计方案，采用 NiFe/Cu/NiFe/MnFe 自旋阀巨磁电阻 多层膜作为存储单元，使存储速度达到亚纳秒（10-10s）数量级，为计算机内存 储器的研究指明了新的研究方向。
第二篇：巨磁电阻效应及其应用
实验42 巨磁电阻效应及其应用
人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度，所以19xx年之后，科学家就探索人工微结构中的磁性交换作用。
19xx年德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铬层，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场，发现膜两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。换言之，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁磁层磁矩是反平行的，这个新现象成为巨磁电阻( Giant magneto resistance，简称GMR)效应出现的前提。格伦贝格尔接下来发现，两个磁矩反平行时对应高电阻状态，平行时对应低电阻状态，两个电阻的差别高达10%。
19xx年巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)的小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格，也称为周期性多层膜。发现当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，即磁电阻比率达到50%。他们把这个前所未有的电阻巨大变化现象称为巨磁电阻，并用两电流模型解释这种物理现象。
19xx年IBM公司的斯图尔特·帕金( S. P. Parkin ) 首次报道了除铁-铬超晶格，还有钴-钌和钴-铬超晶格也具有巨磁电阻效应。在随后的几年，帕金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中，找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系。
巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器，已广泛应用于各种测量和控制领域。
20xx年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻效应的发现者，法国物理学家阿尔贝·费尔和德国物理学家彼得·格伦贝格尔。诺贝尔奖委员会说明:“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百兆，几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。”
本实验介绍多层膜 GMR效应的原理，并通过实验让学生了解GMR传感器的结构、特性及应用。
【实验目的】
1. 了解GMR效应的原理。
2. 测量GMR的磁阻特性曲线。
3. 了解GMR模拟传感器的结构、特点，采用GMR传感器测量电流。
1
【实验仪器】
巨磁阻实验测试仪 基本特性组件 电流测量组件
【实验原理】
1 GMR效应的原理
根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律 R=ρl/S中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是忽略了边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。
电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在19xx年，就有理论指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。
在图1所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。
有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。
其一，界面上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。
其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。
图2是图1结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。
所有多层膜结构的GMR都靠外磁场改变两铁磁层磁场的相对取向实现巨磁电阻效应，但结构及无外磁场时的耦合状态不一定如图1。如自旋阀结构的GMR，由钉扎层，被钉扎层，中间导电层和自由层构成。其中，钉扎层使用反铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料，铁磁和反铁磁材料在交换 2
耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场将被钉扎层的磁化方向固定，不随外磁场改变。自由层使用软铁磁材料，它的磁化方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向，对应于很高的灵敏度，硬盘所用的GMR磁头就采用这种结构。
无外磁场时顶层磁场方向
无外磁场时底层磁场方向 电阻 \ 欧姆
磁场强度 / 高斯图1 多层膜GMR结构图
2 GMR磁阻特性测量 图2 某种GMR材料的磁阻特性
图3 磁阻特性测量实验原理图
将GMR置于螺线管磁场中，磁场方向平行于膜平面，磁阻两端加5伏电压。GMR铁磁膜初始磁化方向垂直于磁场方向，调节线圈电流，从负到正逐渐增大磁场强度，记录磁阻电流并计算磁阻。再逐渐减小磁场强度，记录对应数值。不同外磁场强度时电阻的变化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性。
3 GMR模拟传感器结构及电流测量
在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构，图4是某型号传感器的结构。
对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。图4中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3、R4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R1、R2 阻值随外磁场改变。设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R，R1、R2 在外磁场作用下电阻减小ΔR，简单分析表明，输出电压：
3
Uout=UinΔR/(2R?ΔR)
屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R1、R2电阻所在的空间,进一步提高了R1、R2 的磁灵敏度。从图4的几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k?数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。
R2R1 R4 R3 a几何结构
图4 GMR模拟传感器结构图
GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，且灵敏度高于其它磁传感器，可以方便的将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例，可以用它来测量电流。用GMR传感器测量电流不用将测量仪器接入电路，不会对电路工作产生干扰，既可测量直流，也可测量交流，具有广阔的应用前景。
图5 模拟传感器测量电流实验原理图
由理论分析可知，通有电流I的无限长直导线，与导线距离为r的一点的磁感应强度为：
B=μ0I/2πr=2I×10?7/r
磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，测得B，就可知I。
在实际应用中，为了使GMR模拟传感器工作在线性区，提高测量精度，还常常预先给传感器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。
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【实验内容与步骤】
一、GMR磁阻特性测量
1. 将GMR模拟传感器置于螺线管内中心位置，功能切换按钮切换为“巨磁阻测量” 2. 将测试仪“5V电压源”串接电流表后接基本特性组件“巨磁电阻供电”；
3. 调节“恒流调节旋钮”，使输出电流从100mA到0mA，反接插头后从0mA调到100mA，记录电
流表读数；(从100mA到-100mA)
4. 调节“恒流调节旋钮”，使输出电流从100mA到0mA，反接插头后从0mA调到100mA，记录电
流表读数；(从-100mA到100mA)
5. 由步骤3、4得出的数据根据公式B = μ0nI 计算出螺线管内的磁场强度B；
表1 GMR磁阻特性的测量
磁阻两端电压5V 外磁场强度（高斯）
增大磁场
励磁电流
二 用GMR模拟传感器测量电流
1. 将实验仪5V电压源接电流测量组件“巨磁电阻供电”，“恒流输出”接“待测电流输入”，“信号输出”接电压表；将偏置磁铁转到远离GMR模拟传感器位置，即弱磁偏置状态。 2. 将电流由0逐步步调到300mA，步距10mA，记录电压表读数。 3. 将电流由300mA逐步步调到0，步距10mA，记录电压表读数。 4. 将偏置磁铁转到接近GMR模拟传感器位置，即强磁偏置状态。 5. 将电流由0逐步步调到300mA，步距10mA，记录电压表读数。 6. 将电流由300mA逐步步调到0，步距10mA，记录电压表读数。
表3 用GMR模拟传感器测量电流
电流/A
输出电压/mV
偏置
减小电流
减小磁场 磁阻电流
磁阻
磁场强度
磁阻电流
磁阻
无磁偏置 有磁
增加电流 减小电流 增加电流
5
【数据处理与要求】
1． 以磁场强度B为横坐标，电阻为纵坐标做出磁阻特性曲线。
2． 以电流读数为横坐标，电压表的读数为纵坐标做图，比较不同磁偏置下的测量灵敏度（斜率）。
【思考题】
1. 什么是巨磁电阻效应？巨磁电阻结构组成有何特点？
2. 什么是解释巨磁电阻效应的两电流模型？
【参考书】
1． 陈宜生，周佩瑶，冯艳全。物理效应及其应用.天津大学出版社，1996
2． 沈元华等，基础物理实验.北京：高等教育出版社，2003
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