巨磁電阻效應(yīng)

宋霄森

摘要：2007年10月9日，瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2007年度諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給法國科學(xué)家艾爾伯·費(fèi)爾和德國科學(xué)家皮特·克魯伯格，以表彰他們在十九年前各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)。巨磁電阻（GMR）效應(yīng)自發(fā)現(xiàn)以來即引起各國企業(yè)界及學(xué)術(shù)界的高度重視，GMR效應(yīng)已成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理研究的熱點(diǎn)之一。本文粗略的介紹了巨磁電阻效應(yīng)的原理及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：巨磁阻 自旋 磁性材料

一、巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)

巨磁阻效應(yīng)，是指在磁性材料與非磁性材料相間的多層膜中，電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。早在1988年，費(fèi)爾和格林貝格爾就各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了這一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。那時，法國的費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應(yīng)命名為巨磁阻效（GiantMagneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3個月，德國優(yōu)利希研究中心格林貝格爾教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。GMR發(fā)現(xiàn)后，人們迅速開發(fā)出一系列微型化，靈敏度高的電磁新器件，并得到了廣泛的應(yīng)用。其中最突出的是在美國IBM實(shí)驗(yàn)室工作的的英國人斯圖爾特的工作。她領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在費(fèi)爾和格林貝爾發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)嘗試用通常的磁性材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并且很快獲得成功：以后又在室溫，常規(guī)磁場條件下做大量相關(guān)實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)用較簡單濺射技術(shù)制備多晶鐵/鉻/鐵三層膜和鐵/鉻多層膜同樣有GMR效應(yīng)，獲得了在溫室和低溫412K時的GMR值就分別高達(dá)25%和110%。這一突破性的進(jìn)展，更大的提升了人們利用GMR材料制成電子器件的價值，特別是加快了計(jì)算機(jī)技術(shù)性能的更新?lián)Q代。

二、巨磁電阻效應(yīng)的基本知識

眾所周知，計(jì)算機(jī)硬盤是通過磁介質(zhì)來存儲信息的。一塊密封的計(jì)算機(jī)硬盤內(nèi)部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū)。

磁盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細(xì)小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個磁盤面都相應(yīng)有一個磁頭。當(dāng)磁頭“掃描”過磁盤面的各個區(qū)域時，各個區(qū)域中記錄的不同磁信號就被轉(zhuǎn)換成電信號，電信號的變化進(jìn)而被表達(dá)為“0”和“1”，成為所有信息的原始譯碼。

最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類磁頭是通過電磁感應(yīng)的方式讀寫數(shù)據(jù)。然而，隨著信息技術(shù)發(fā)展對存儲容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實(shí)際需求。因?yàn)槭褂眠@種磁頭，磁致電阻的變化僅為1%～2%之間，讀取數(shù)據(jù)要求一定的強(qiáng)度的磁場，且磁道密度不能太大，因此使用傳統(tǒng)磁頭的硬盤最大容量只能達(dá)到每平方英寸20兆位。硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨(dú)立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。

1997年，全球首個基于巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭問世。正是借助了巨磁阻效應(yīng)，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現(xiàn)引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應(yīng)用了巨磁阻效應(yīng)，這一技術(shù)已然成為新的標(biāo)準(zhǔn)。

三、巨磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用

現(xiàn)如今，研究巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用是磁電子學(xué)中一項(xiàng)重要內(nèi)容。在室溫下具有巨磁電阻效應(yīng)的巨磁電阻材料目前已有許多種類，例如，多層膜巨磁電阻材料，顆粒型巨磁電阻材料，氧化物型巨磁電阻材料，隧道結(jié)型磁電阻材料等。巨磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)促進(jìn)了磁電子學(xué)的興起和發(fā)展，GMR？材料的優(yōu)異性能使其在信息記錄及磁電子學(xué)器件等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭。大家知道，硬盤讀取數(shù)據(jù)是通過磁頭來完成的。最早的磁頭是一種讀寫合一的電池感應(yīng)式磁頭，由于他對硬盤的設(shè)計(jì)造成不便，很快就被一種分離式的MR磁頭替代。但隨著單碟容量的不斷增加，MR磁頭也達(dá)到了極限。這樣人們很快就意識到了GMR材料的重要性，于是便利用磁阻效應(yīng)開發(fā)研制的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。第一個商業(yè)化生產(chǎn)的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3播放器的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。

GMR在計(jì)算機(jī)內(nèi)存方面的開發(fā)應(yīng)用也取得了極大的進(jìn)展。內(nèi)存用來存放計(jì)算機(jī)正在使用或執(zhí)行中的數(shù)據(jù)或程序。前些年，內(nèi)存廣泛采用的隨機(jī)儲存器主要是半導(dǎo)體動態(tài)儲存器和靜態(tài)儲存器。但這兩種均為易失性的儲存器，即當(dāng)機(jī)斷電時，所存數(shù)據(jù)容易丟失。這些年來，人們用GMR研制成了巨磁電阻隨機(jī)儲存器， 巨磁電阻隨機(jī)存儲器采用GMR效應(yīng)制備的巨磁電阻隨機(jī)存儲器（MRAM）與傳統(tǒng)半導(dǎo)體隨機(jī)存儲器相比，不僅具有非易失性、抗輻射、長壽命和低成本等優(yōu)點(diǎn)，而且其所需電流電壓信號小、響應(yīng)時間短，實(shí)現(xiàn)了高存儲密度和快速存取。Honeywell公司是首個利用GMR材料作為存儲器芯片的公司，之后IBM、摩托羅拉、西門子和INESC？等都開始加緊研究。IBM？公司的Tang等人提出了自旋閥GMR設(shè)計(jì)方案，采用NiFe/Cu/NiFe/MnFe？自旋閥巨磁電阻多層膜作為存儲單元，使存儲速度達(dá)到亞納秒（10-10s）數(shù)量級，為計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲器的研究指明了新的研究方向。

除讀出磁頭和內(nèi)存外，巨磁阻效應(yīng)同樣可應(yīng)用于測量位移、角度等傳感器中。在GMR傳感器之前，人們主要利用AMR材料制成的傳感器。由于AMR磁電阻變化率小，在檢測微弱磁場時受到限制。而巨磁電阻材料制成的傳感器則電阻率變化大，能對微弱磁場進(jìn)行傳感，具有抗惡劣環(huán)境的特點(diǎn)；再加上體積小、功耗少、可靠性強(qiáng)等優(yōu)勢，它逐步替代霍爾傳感器、感應(yīng)線圈傳感器等傳統(tǒng)產(chǎn)品。利用AMR材料制成的傳感器可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、汽車導(dǎo)航、非接觸開關(guān)和旋轉(zhuǎn)編碼器中，磁傳感器主要用來檢查磁場的存在、強(qiáng)弱、方向等。由于GMR元件的磁電阻變化率大，磁場靈敏度高，可傳感微弱磁場，不僅大大提高了磁傳感器的分辨率、靈敏度、精確性等指標(biāo)，還擴(kuò)大了磁電阻傳感器的測量和應(yīng)用范圍，在家用電器、汽車、自動控制、物性檢測和生物醫(yī)學(xué)等方面呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。與光電等傳感器相比，磁傳感器具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點(diǎn)。

四、總結(jié)

2007年諾貝爾物理學(xué)獎頒發(fā)給兩位長期從事基礎(chǔ)研究的科學(xué)家，其意義不僅僅是因?yàn)樗麄兊陌l(fā)現(xiàn)被廣泛應(yīng)用，造福了人類，而且更重要的意義在于發(fā)現(xiàn)具有極大的潛力，為我們打開了通往自旋電子學(xué)等新領(lǐng)域大門，推動了未來人類社會信息化的進(jìn)程。作為當(dāng)代大學(xué)生，我們的未來也許不一定從事物理理論的研究工作，也許不能像艾爾伯·費(fèi)爾和德國科學(xué)家皮特·克魯伯格那樣對物理學(xué)的發(fā)展作出巨大貢獻(xiàn)，但是，我們要時刻關(guān)注，擁有一雙善于發(fā)現(xiàn)的眼睛，盡我們自己最大的力量為我國的物理事業(yè)增磚添瓦。作為大學(xué)生，我們未來也許不一定從事物理理論的研究工作，也許不能像艾爾伯·費(fèi)爾和德國科學(xué)家皮特·克魯伯格那樣對理論進(jìn)展作出巨大貢獻(xiàn)。但是，對于這樣的理論我們需要知道，也需要關(guān)注，就是需要一雙像圖爾特·帕金這樣銳利的眼睛，再看到某種物理新進(jìn)展的時候，能迅速聯(lián)想到自己的工作，并進(jìn)行研究，找到能創(chuàng)造財富的契機(jī)。

參考文獻(xiàn) ：

[1]百度百科

[2]吳楠，巨磁電阻效應(yīng)的原理及其應(yīng)用，自然雜志，2007

[3]盧森鍇，巨磁電阻效應(yīng)及其研究進(jìn)展，北京大學(xué)訪問學(xué)者