巨磁阻效应

巨磁阻效应及其应用

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摘要

本文通过分析2007诺贝尔奖得主对于发现巨磁阻效应的过程，介绍巨磁阻效应的发现、原理及其在各个方面的应用。

Abstract

This article is based on the 2007 Nobel Prize for Physics,explaining the principle of Giant Magneto-Resistive Effect,and studing about the applications and prospect of Giant Magneto-Resistive Effect.

目录

巨磁阻效应及其应用 ............................................................................................................... 1

摘要 ................................................................................................................................... 2 Abstract ............................................................................................................................. 2 引言 ................................................................................................................................... 4 第一章 巨磁阻效应的发现 ............................................................................................. 5

1.1费尔的研究 ...................................................................................................... 5 1.2 格林贝格尔的研究 ......................................................................................... 7 第二章 巨磁阻效应的原理 ............................................................................................. 9

2.1巨磁阻效应概念 ................................................................................................. 9 2.2巨磁阻效应的原理 ............................................................................................. 9 第三章 巨磁阻效应的应用 ........................................................................................... 11

3.1基于GMR的磁头 ............................................................................................ 11 3.2基于GMR的磁存储技术 ................................................................................ 11 3.3 GMR传感器 ..................................................................................................... 12 3.4 GMR磁场传感器可来探测DC、AC电流 .................................................... 13 3.5 GMR医用及生物磁场传感器 ......................................................................... 14 第四章 巨磁阻效应的发展前景 ................................................................................... 14 参考文献 ......................................................................................................................... 15

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引言

瑞典皇家科学院表示，2007 年诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读写硬盘数据的技术”，这项技术被认为是“前途广阔的纳米技术领域内首批实际应用之一”。 法国科学家阿尔贝•费尔和德国科学家彼得•格尔因分别独立发现巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive，GMR）而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。

诺贝尔评委会主席佩尔•卡尔松用比较通俗的语言解答了什么是巨磁阻效应。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升[1]。那么什么是巨磁阻效应呢？本文将会做出详细的介绍。

第一章 巨磁阻效应的发现

在1988 年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。他们在不同的科研机构，分别独立以不同的方式发现和研究了巨磁阻效应，最后由于他们的卓越贡献，在2007年共享诺贝尔物理学奖。

1.1费尔的研究

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通过分子束外延（molecular beam epitaxy，MBE）的技术生长(001)Fe/(001)Cr的超晶格结构，然后分别研究了在不同配比、不同厚度、不同磁场角度和场强下的器件的性质。

图1.1不同配比和不同厚度的(001)Fe/(001)Cr结构的超晶格的磁滞回线图

在4.2K的温度下，沿着(001)Fe/(001)Cr器件平面[110]方向使用一个磁场，图中的五支滞回曲线分别是[(Fe 60 Å)/(Cr 60Å)]5， [(Fe 30 Å)/(Cr 30Å)]10， [(Fe30 Å)/(Cr 18 Å)]30，[(Fe 30Å)/(Cr 12 Å)]30， [(Fe 30 Å.)/(Cr 9Å)]40，这五组器件的下标表示的是这个双分子层的层数，图中的曲线上的数字标注是每一个Cr原子层的厚度。

图1.2 不同的电流和磁场方向下的 [(Fe 30 Å)/(Cr 9Å)]40 超晶格的巨磁阻效应 温度仍然是4.2K，曲线a：电流沿着[110]方向，磁场在平面层内与电流方向平行 曲线b：磁场在平面内垂直于电流方向 曲线c：磁场方向垂直于层平面

我们可以看到，在磁场不等于0时，器件的电阻发生变化，直到磁场增加到某一值后，电阻不再发生变化。而且由曲线的对称性，磁场的正负，即方向对磁阻的影响是等效的。由ab两曲线对比，当磁场方向平行于平面，其与平面内电流的方向垂直或平行，对器件的磁阻效应影响不大；由bc两曲线对比，当磁场垂直于层面和平行于层面，器件的磁阻效应产生的磁场是不同的，但是最后所能达到的电阻值与无磁场电阻的比值却是一样的。

图1.3 不同的超晶格结构的巨磁阻效应对比

温度4.2K，电流和磁场都沿着层面内[110]方向，我们可以发现不同的厚度以及Fe、Cr的配比，磁阻效应的Hs值是不同的，最后达到的R/R(H=0)的值也是不同的。其中，[(Fe 30 Å.)/(Cr 9Å)]60的磁阻效应是最显著的，而且其所需的磁场也是最强的。

1.2 格林贝格尔的研究

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反铁磁夹层作用下的Fe-Cr-Fe层的电阻在Fe层反平行极化的情况下会增加。并且这个效应的效果远强于普通的各向异性磁阻，而且如果是在超过两层Fe层的结构中会有进一步的增强。我们会用到磁光克尔效应（Magneto-optic Kerr Effect，MOKE）来测量器件的滞回曲线。用ΔR=R⊥-R∥来表征磁阻效应的大小。

图1.4反平行磁化的双铁磁层

图中还展示了激光的入射面，为了观察光与自旋波散射的滞回曲线。

图1.5 反铁磁耦合的双Fe层的MOKE滞回曲线

图1.6 反铁磁耦合的双Fe层的巨磁阻效应

就是这样，两位伟大的科学家在几乎相同的时间按照不同的科研方式，发现了巨磁阻效应，为近代存储科技的进步做出了重要的贡献。

第二章 巨磁阻效应的原理

2.1巨磁阻效应概念

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。

2.2巨磁阻效应的原理

巨磁阻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。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。

如图2.2.1所示，左面和右面的材料结构相同，两侧是磁性材料薄膜层（蓝色），中间是非磁性材料薄膜层（橘色）。

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图2.1 巨磁阻效应的原理

左面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相同。

当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。

当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。

右面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相反。

当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，呈现小电阻；但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，呈现大电阻。

当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时，电子较难通过，呈现大电阻；但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料，呈现小电阻。

第三章 巨磁阻效应的应用

1990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。此后，巨磁阻效应被广泛地运用在计算机存储以及其它领域。

3.1基于GMR的磁头

众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区。1994 年，IBM 公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17 倍。1995 年，宣布制成每平方英寸3Gb 硬盘面密度所用的读出头，创下了世界记录。硬盘的容量从4GB 提升到了600GB 或更高。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。目前，采用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，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。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。正是依靠巨磁阻材料，才使得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[1]。

3.2基于GMR的磁存储技术

巨磁阻(GMR)磁头的应用带动了计算机产业的迅速发展，打破了信息高速公路图像传递存储的瓶颈，目前存储密度已高达56GB／平方英寸。世界GMR磁头的市场总额每年400亿美元。更令人可喜的是，美国的摩托罗拉公司宣布成功研制出GMR磁随机读取存储器(MRAM)，这种存储器将预示1000亿美元的市场容

量。

在1990年至1995年间，硬盘采用TFI读／写技术。TFI磁头实际上是绕线的磁芯。磁盘在绕线的磁芯下通过时会在磁头上产生感应电压。TFI读磁头之所以会达到它的能力极限，是因为在提高磁灵敏度的同时，它的写能力却减弱了。

90年代中期，希捷公司推出了使用AMR磁头的硬盘。AMR磁头使用TFI磁头来完成写操作，但用薄条的磁性材料来作为读元件。在有磁场存在的情况下，薄条的电阻会随磁场而变化，进而产生很强的信号。硬盘译解由于磁场极性变化而引起的薄条电阻变化，提高了读灵敏度。AMR磁头进一步提高了面密度，而且减少了元器件数量。由于AMR薄膜的电阻变化量有一定的限度，所以AMR磁头的灵敏度也存在极限。

GMR磁头继承了TFI磁头和AMR磁头中采用的读／写技术。但它的读磁头对于磁盘上的磁性变化表现出更高的灵敏度。GMR传感器的灵敏度比AMR磁头大3倍，所以能够提高硬盘的面密度和性能。GMR磁头工作原理是依赖于自旋的电子散射。为了说明GMR磁头的工作过程，引入了自旋阀(SV)这个术语。这种结构使自由层的磁化角度(自旋)的变化转变成电阻值的变化和电压输出的变化，所以称之为自旋阀。为了可靠稳定的工作，这些1．5纳米厚的薄层必须有很高的晶体质量和极少的物理与磁性缺陷，否则就难以承受严酷的硬盘工作温度条件[5]。

3.3 GMR传感器

GMR效应传感器基于多层金属薄膜的磁阻效应，采用真空(溅射)蒸镀、多层金属薄膜工艺技术制成。巨磁阻效应传感器与传统的金属薄膜磁阻元件不同，对弱磁场下灵敏度高，对磁场强度的方向变化非常敏感。GMR效应传感器是用来在很大范围内测量或传感磁场强度。GMR系列传感器直接检测磁场，而不是磁场的变化率。因此，它可以做直流场传感器。GMR效应传感器对于磁场中的小变化很敏感，这一点使得它能够准确的测量线性系统或者转动系统的位置和位 移。传感器元件本身尺寸很好这样加强了它对位置的敏感度，这点在几个小磁场的合磁场的应用中或者大磁场梯度的应用中很有用。导体在通电情况下存在磁场这使得这些设备还可以作为电路传感器或电流检测器。比起AMR(异性磁阻)系列传感器或霍尔效应传感器，GMR 系列传感器有比较大的输出，并且能在超出

AMR传感器工作范围的情况下正常工作。另外，强磁场不会使GMR系列传感器快速反转或者使输出反向，但是这在AMR传感器中可能会出现。强磁场GMR系列传感器不会造成任何损害。GMR效应传感器频率响应范围是DC~lMHz，对匀强场会产生输出。这点是它们和电感传感器区分，因为电感传感器只对磁场中的变化产生反应。高敏感度的GMR材料使得传感器具有很大的电阻。一般传感器中的电阻是5kQ。有一些专用的低功率设备的电阻是大于等于30k Q。传感器也可以被制作成在零场强时有一内置偏移，这一点使得可以在某个指定的场强值的输出提供一个零点输出[5]。

3.4 GMR磁场传感器可来探测DC、AC电流

众所周知，通电导线周围将产生磁场，其磁场的强弱与通电电流的大小成正比。若将GMR磁场传感器及环形软磁集磁通器放置在通电导线附近，则由GMR传感器的输出电压可以测量导线中通过的电流。我们已利用反铁磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场，并研制出线性测量范围正负200Oe的惠斯通电桥传感器。利用这种传感器可探测电流高达10,000安培的直流和交流。目前有三种办法可用来探测电流：电阻短路的办法，其缺点在于引入一电压降和这种方法不能提供上下级的隔离。电流转换器则基于安培定理，但是其仅仅用来探测直流。GMR磁场传感器不仅可用来探测直流和交流而且还可保证上下级隔离。随着半导体集成技术的发展，目前已把GMR薄膜传感器和集成线路板结合在一起，从而实现了小型化、集成化，提高了灵敏度和降低了成本。另外电流探测原理，目前已经用作隔离器、开关电源和无刷直流电机系统。隔离器主要是把高电压及高电流情况下的初级信号通过电压/频率转换并传给下一级，在下一级再通过频率/电压转换成为电压或电流信号，因此上下级而不相互干扰。这种探测电流大小的隔离器已被葡萄牙的一家公司所采用。至于开关电源，我们利用两次沉积自旋阀多层膜的办法，已研制出可探测微安级的交直流及探测磁场范围在正负20Oe的GMR磁场传感器。并且与西班牙的一所大学合作，成功地把这种传感器用在开关电源线路中作为反馈系统，可改善其频率输出特性高达1MHz。至于在无刷直流电机的应用：大家知道，有刷直流电机是用接触碳刷或金属片做整流子供电，使转子旋转。这种接触式整流子因摩擦给电机带来非常不

好的影响，比如使用寿命短、噪音大、有火花、产生干扰电磁波等。如果用GMR传感器代替电机的摩擦整流子，那么就可以避免因电刷摩擦而带来的影响，而且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此，它的稳定性和可靠性都非常高[6]。

3.5 GMR医用及生物磁场传感器

人体之中存在着各种形式的机械运动，它们是机体完成必要的生理功能的前提和保证，因此检测这些生物机械运动，无论对基础医学还是对临床医学来讲，都具有十分重要的意义。以前，由于必须利用体积大和功率高、价格贵的超导量子磁强计而局限在方面医学的发展。高灵敏度及集成化的GMR磁敏传感器的出现为这些机械运动和病变部位的非接触式的探测提供了方便，并推动其发展。下面介绍几种特殊在此方面的应用。磁性生物传感器的原理如图7所示：首先各种各样的细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、DNA可以用纳米级的磁性小颗粒来标记，也就是首先是这些被探测的对象磁性化，进而在用高灵敏度的GMR磁场传感器来探测它们的具体位置。这种也可用于医学及临床分析、DNA分析、环境污染监测等领域。高灵敏度的GMR传感器也可用在用来脑电图、心机图等的高精度的仪器设备上，来诊断类似于脑肿瘤病变的问题。利用GMR磁场传感器可以检测眼球运动、眼睑运动的方法，这有助于定量评价和研究困倦、视力疲劳现象，和诊断某些眼科疾病[6]。

第四章 巨磁阻效应的发展前景

巨磁阻效应的发现带来了信息产业的飞速发展，获得诺贝尔奖金当之无愧。它也为电子设计带来了更丰富的资源，如何充分利用GMR效应值得认真思考。现在利用GMR效应研制出来的传感器、耦合器等新型器件越来越多，这些器件所带来的功耗减少、成本减少等优点可以在先阶段得到充分利用。

人类利用电子的荷电性在半导体芯片上创造了今天的信息时代，自旋极化输运给人类带来的也许又是一片广阔的天地。磁电子学给予人类以梦想和希望，同时也给予我们更多、更大的挑战。事实上人类对于自旋极化输运的了解还处于一个非常肤浅的阶段，对新出现的新现象、新效应的理解基本上还是一种“拼凑式”

的、半经典的唯象理论。作为磁学和微电子学的交叉学科，磁电子学将无论在基础研究还是在应用开发上都将是凝聚态物理学工作者和电子工程技术人员大显身手的新领域。

磁电子学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。深圳华夏磁电子技术开发有限公司志在建立一个磁电子学在国内的发展平台，广泛的吸引国内外磁电子学人才，促进磁电子学在国内的产业化发展，在磁传感器芯片生产的基础上，开发生产磁随机存贮器、全金属计算机等高精尖磁电子产品，树立一个新技术与产业化同步发展的典范。

参考文献 [1] 殷婷、杨辰，巨磁阻效应及其应用,《工程科技》，2010

[2] M. N. Baibich,J. M. Broto, A. Fert，Giant Magnetoresistance of (001)Fel(001) Cr Magnetic Superlattices，Phys. Rev. Lett. 61, 2472–2475 (1988)

[3] G. Binasch, P. Griinberg，Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange，Phys. Rev. B 39, 4828–4830 (1989)

[4] 维基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/File:Spin-valve_GMR.svg

[5] 陈伟平，巨磁阻效应及其应用，《电子技术》2007,36(11)

[6] IT168，巨磁阻效应获诺贝尔奖项专题，

http://www4.it168.com/jtzt/shenlan/nuobeier/