![[讲解]巨磁阻效应的原理及应用](https://img.doczj.com/imgb9/1lo1pypqfd213jmut7s92x55d4jpatkw-91.webp)
![[讲解]巨磁阻效应的原理及应用](https://img.doczj.com/imgb9/1lo1pypqfd213jmut7s92x55d4jpatkw-72.webp)
[讲解]巨磁阻效应的原理及应用
巨磁阻效应的原理及应用
物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应(GMR)。
要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中，对于单电子原子(包括碱金属原子)处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数l、自旋量子数s,1,2，和总角动量量子数j。主量子数(n=1，2，3，4 …)会视电子与原子核间的距离(即半径座标r)而定。平均距离会随着n增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。角量子数(l=0，1 … n-1)(又称方位角量子数或轨道量子数)通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，l=0的轨道叫s轨道，l=1的叫p轨道，l=2的叫d 轨道，而l=3的则叫f轨道。磁量子数(ml= -l，-l+1 … 0… l-1，l)代表特征值，。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态(泡利不相容原理)，故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的第四个量子数—自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。
“我们对过渡金属的电导率有了如下认识:电流由s 电子传递，其有效质量近乎于自由电子。然而电阻则取决于电子从 s 带跃迁到 d 带的散射过程，因为跃迁
几率与终态的态密度成正比，而局域性的 d 带在费米面上的态密度是很大的。这就是过渡金属电阻率高的原因。这种 s-d 散射率取决于 s 电子与 d 电子自旋的相对取向。
巨磁电阻(GMR)效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。GMR是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非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。关于这种效应可以用两自选电流模型来解释:
普通磁电阻 (正, 极小, 各向异性)
,,MR,R(H),R(0)/R(H)
巨磁电阻 (负, 巨大 , 各向同性)
R(0),R(H)S MR,,,1 R(0)
R(0),R(H),,SMR,2R(H)S
1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe 多层膜中的层间耦合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr 多层膜中发现其Δρ/ρ在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR效应的概念，在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间耦合多层膜。1988年后的3年，人们便研制出可在低磁场(10-2,10-6T)出现GMR效应的多层膜如[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]
等结构，此后更掀起了GMR效应的研发热潮。
巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向新技术世界的大门——自旋电子学。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 。巨磁电阻效应从发现到器件的商品应用也是一个迅速转化的过程。现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域，还出现了许多GMR 器件，如磁盘驱动器的读写磁头和随机存储器(RAM)等。磁电子新技术的实用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技术的成功开发。发现GMR效应后，在应用电子随机自旋度的道路上迈开了第一步。最近10多年来，对自旋输运电子技术的应用开发取得突飞猛进的进展，收到明显的经济效益和社会效益。现在就将GMR的部分应用列举如下: 1. SV-GMR磁头和传感器
构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀(SpinValve)元件。它的基本结构是由钉扎磁性层(例如Co)、Cu间隔层和自由磁性层(例如NiFe等易磁化层)组成的
多层膜。由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR
元件的电阻值改变，进而使读出电流发生变化。运用SV-GMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件的器件高1至数个量级，更容易集成化，封装尺寸更小，可靠性更高。它不仅可以取代以前的MR传感器，还可以制成传感器阵列，实现智能化，用来表述通行车辆，飞机机翼、建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征，跟踪地磁场的异常现象等。还有人提出可以作为抗体和生物标本检验的传感元件，应用范围较之MR传感器显著扩大。当前，GMR传感器已在液压汽缸位置传
感、真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、车辆通行情况检测等领域得到应用。在军事上，GMR传感器有着更加重要的应用价值。美国军方正在研制高g军火用捷联式(Strop Down)MEMS传感器，用在制导、导航和控制(GN,C)或时空位置信息(TSPI)中。
2( 巨磁电阻随机存取存储器(MRAM)
这是采用纳米制造技术，把沉积在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成图形
阵列，形成存储单元，以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0”;与半导体存储器一样，是用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读出的一种新型磁存储器。MRAM潜在的重要优点是非易失性，抗
辐射能力强、寿命长。这些是DRAM、SRAM等半导体存储器所不具备的性能。同时，它又兼有后者具有的大容量、高速存取、低成本、高集成度等特点。因此，MRAM不仅被军事和宇航业界所看重，而且在迅速普及的数码照相、移动电话及多
媒体信息处理等广阔的民用市场中得到应用。正因为如此，美、日、欧等发达国家和地区及高新技术产业界都十分重视这项新技术，正投巨资加快产品的商业化3(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。另外，这种无刷电机转矩-重量比较大，速度转矩特性的线性度比较好。
4(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限制了在医学中的发展。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。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传感器也可用在脑电图、心电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。
其它还有很多，不一一列举。
5. GMR在各种逻辑元件和全金属计算机中的应用
利用GMR材料可研制出磁性二极管、三极管和各种逻辑元件。目前正在把磁性GMR多层膜和半导体材料集成在一起，主要是利用电子的自旋注入(SPIN—INJECTION)来开发新的磁性器件。全金属的计算机将成为可能。
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【实验原理】 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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。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1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 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2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。 无外磁场时顶层磁场方向 无外磁场时底层磁场方向 图2 多层膜GMR 结构图 图3是图2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。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
磁电阻与巨磁电阻 姓名：刘一宁班级:核32 指导教师：王合英实验日期：2015.03.13 【摘要】：本实验使用了由基本电路原理配合巨磁电阻原件制作的一套巨磁电阻实验仪，通过改变巨磁电阻处的磁场测量了巨磁电阻的磁阻特性曲线、磁电转换特性曲线，并在体验了其在测量电流、测量转速、磁读写等方面的应用。最后获得了巨磁电阻词组特性曲线、GMR 模拟传感器的磁电转换曲线、GMR开关传感器的磁电转换特性曲线、巨磁电阻测量电流的数据、齿轮旋转过程中巨磁电阻梯度传感器输出电压曲线、磁信号读出情况，自旋阀磁电阻两个不同角度的磁阻特性曲线。发现巨磁电阻的磁阻随磁场变大而减小，且与方向无关，但是其存在磁滞现象。而自旋阀磁电阻则在磁场由一个方向磁饱和变化到另一个方向磁饱和的过程中磁电阻不断减小或增加，这与磁电阻和磁场的角度有关，且在0磁场附近变化特别明显。 关键词：巨磁电阻、自旋阀磁电阻、磁阻特性曲线、磁电转换特性 一、引言： 1988年法国巴黎大学的肯特教授研究小组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，在国际上引起了很大的反响。20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。 1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit/in2，最近达到11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，
巨磁电阻实验报告
巨磁电阻实验报告 【目的要求】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换 特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角 位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理【原理简述】 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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。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1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott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2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。 电 阻 \ 欧 姆
［讲解］巨磁阻效应的原理及应用 巨磁阻效应的原理及应用 物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR）。 要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数1、自旋量子数s,l,2,和总角动量量子数j。主量子数5二1, 2, 3, 4…）会视电子与原子核间的距离（即半径座标"而定。平均距离会随着n增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。角量子数（1=0, 1…n-L）（乂称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，1二0的轨道叫s轨道，1二1的叫p轨道，1二2的叫d 轨道，而1二3的则叫f轨道。磁量子数（ml= -1, -1+1 - 0…1-1, 1）代表特征值，。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的笫四个量子数一自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。 “我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s电子传递，其有效质量近乎于自由电子。然而电阻则取决于电子从s带跃迁到d带的散射过程，因为跃迁
巨磁电阻效应及其应用实 验报告 The following text is amended on 12 November 2020.
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理【实验原理】 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=l/S中，把电阻率视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。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），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。 ;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2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。 图3是图2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。 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。
巨磁电阻实验报告 【目的要求】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【原理简述】 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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。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1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 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2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。 无外磁场时顶层磁场方向 无外磁场时底层磁场方向 图 2 多层膜GMR 结构图 图3是图2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 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
巨磁电阻效应及其应用 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。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、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 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，1932年诺贝尔奖得主)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。 图 1 反铁磁有序 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有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误!未找到引用源。所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，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。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。 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。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。 德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm 的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹配。其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样，并没有特别的发现。直到1986年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在
巨磁电阻效应及其应用 巨磁电阻效应的发现和应用获得2007年诺贝尔物理学奖。本实 验重点理解磁性对电子散射的影响、双电流模型、RKKY理论和 巨磁电阻效应产生的物理机理，了解巨磁电阻效应的实际应用领 域和应用时所采用的技术设计。 【思考题】 1什么是磁电阻效应和巨磁电阻效应?巨磁电阻效应的发现对物理学和技术应用有什么重要贡献？ 2为什么铁磁材料中电子散射与电子自旋状态有关？ ３为什么非磁性层的厚度会影响巨磁电阻效应大小?用RＫＫY理论理解此现象。 ４如何用双电流模型解释磁性多层膜的巨磁电阻效应？该模型除解释巨磁电阻效应外还有哪些应用？ 5磁性多层膜与自旋阀磁电阻在薄膜结构、性能与应用方面有什么不同？ 6磁硬盘记录的原理是什么？为什么磁电阻的应用能大大提高磁记录的密度和读写速度？ ７将多层膜制成GMR元件时一般将其几何结构光刻成微米宽度迂回形状,目的是什么? 8将GMR元件用作传感器时，采用桥式电路有什么好处? 9在GMＲ桥式电路中，有时在电桥对角位置的两个电阻表面加磁屏蔽,有时不加，其原因是什么? 10如何提高GＭR传感器的灵敏度？如何用磁电阻效应测量导线中的电流？ １1对磁性样品测量应注意哪些问题？为什么先将样品磁化到饱和再进行测量？如何判断样品已经被磁化到饱和状态？ １２你认为巨磁电阻效应的发现者能获得诺贝尔物理学奖的理由是什么? 13如果你自己要制备一个有巨磁电阻效应的磁性多层膜，薄膜结构应满足那些条件?
【引言】 2007年12月10日,法国物理学家阿尔贝·费尔(AｌbｅrｔＦｅｒt）和德国物理学家彼得·格伦贝格(Pｅｔｅr Crünbｅｒg）分别获得了一枚印着蓝白红标志的２０07年诺贝尔物理奖章,他们各自独立发现的巨磁阻效应(giaｎｔ magnetｏrｅsｉsｔance, GMR）[1,2]。 早在一百多年前, 人们对铁磁金属的输运特性受磁场影响的现象，就做过相当仔细的观测。莫特的双电流理论,把电子自旋引入对磁电阻的解释，而巨磁电阻恰恰是基于对具有自旋的电子在磁介质中的散射机制的巧妙利用。 目前巨磁电阻传感器已应用于测量位移、角度等传感器、数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等很多领域，与光电等传感器相比，它具有功耗小,可靠性高，体积小,能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点,可以制成随机存储器(ＭRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。巨磁电阻薄膜材料的广泛应用，也是纳米材料的第一项实际应用，它使得人们对磁性尤其是纳米尺寸的磁性薄膜介质之输运特性的研究有了突飞猛进的发展，由此带来计算机存储技术的革命性变化，从而深刻地改变了整个世界。 【实验目的】 通过纳米结构层状薄膜的巨磁电阻效应及不同结构的GＭR传感器特性测量和自旋阀磁电阻测量,了解磁性薄膜材料和自旋电子学的有关知识，并由磁电阻和巨磁电阻的历史发展，及关键人物解决问题的思想方法，认识诺贝尔物理奖项目巨磁电阻的原理、技术,和对科学技术发展的重要贡献。体会实验的设计与实施，理解其原理和方法，体验科学发现的精髓与快乐,促进学生逐步形成系统的物理思想，期望由此启发学生对物理科学和高新技术的浓厚兴趣。 【实验原理】 一磁电阻与巨磁电阻效应 磁电阻MＲ(magnetｏ－resisｔaｎｃｅ的缩写符号)效应是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。磁电阻效应按磁电阻值的大小和产生机理的不同可分为：正常磁电阻效应(Ｏrdinary MR: OMR）、各向异性磁电阻效应（Anisotrｏpｉc MR: ＡMR)、巨磁电阻效应(ｇiant MR：GＭR）和庞磁电阻效应（ColossalＭＲ:ＣMＲ)等。 表征磁电阻效应大小的物理量为MR，其定义有两种,分别为：
巨磁阻效应实验报告 篇一:磁阻效应实验报告 近代物理实验报告 专业2011级应用物理学班级(2) 指导教师彭云雄姓名同组人 实验时间 2013 年 12 月23 日实验地点 K7-108 实验名称磁阻效应实验 一、实验目的 1、 2、 3、 4、测量电磁铁的磁感应强度与励磁电流的关系和电磁铁磁场分布。测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系。作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。对此关系曲线的非线性区域和线性区域分别进行拟合。 二、实验原理 图1磁阻效应原理 1 一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍耳电场。 如果霍耳电场作用和某一速度载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，那么小于或大于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，电阻增大，表现出横向磁阻效应。若将图1中a端和b端短路，则磁阻效应更明显。通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ(0)表示。其中ρ(0)为零磁场时的电阻率，设磁电阻在磁感应强度为B的磁场中电阻率为ρ(B)，则
Δρ=ρ(B)-ρ(0)。由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R(0)正比于 Δρ/ρ(0)，这里ΔR=R(B)-R(0)，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量 ΔR/R(0)来表示磁阻效应的大小。 图2 图2所示实验装置，用于测量磁电阻的电阻值R与磁感应强度B之间的关系。实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率ΔR/R(0)正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中ΔR/R(0)与磁感应强度B呈线性关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要应用。 2 如果半导体材料磁阻传感器处于角频率为ω的弱正弦波交流磁场中，由于磁电阻相对变化量ΔR/R(0)正比于B，则磁阻传感器的电阻值R将随角频率2ω作周期性变化。即在弱正弦波交流磁场中，磁阻传感器具有交流电倍频性能。若外界交流磁场的磁感应强度B为 B=B0COSωt (1) (1)式中，B0为磁感应强度的振幅，ω为角频率，t为时间。 2设在弱磁场中ΔR/R(0)=KB(2) (2)式中，K为常量。由(1)式和(2)式可得 R(B)=R(0)+ΔR=R(0)+R(0)×[ΔR/R(0)] 22=R(0)+R(0)KB0COSωt 2 1212R(0)KB0+R(0)KB0COS2ωt (3) 22 1122(3)式中，R(0)+R(0)KB0为不随时间变化的电阻值，而R(0)KB0cos2ωt为以角频22=R(0)+ 率2ω作余弦变化的电阻值。因此，磁阻传感器的电阻值在弱正弦波交流磁场中，将产生倍频交流电阻阻值变化。
巨磁阻效应的原理及应用 物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR ）。 要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n 、角量子数l 、自旋量子数s ＝1／2，和总角动量量子数j 。主量子数（n=1，2，3，4 …）会视电子与原子核间的距离（即半径座标r ）而定。平均距离会随着n 增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。 角量子数（l=0，1 … n-1）（又称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，l=0的轨道叫s 轨道，l=1的叫p 轨道，l=2的叫d 轨道，而l=3的则叫f 轨道。磁量子数（ml= -l ，-l+1 … 0 … l-1，l ）代表特征值，。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。 从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的第四个量子数—自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。 “我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s 电子传递，其有效质量近乎于自由电子。然而电阻则取决于电子从 s 带跃迁到 d 带的散射过程，因为跃迁几率与终态的态密度成正比，而局域性的 d 带在费米面上的态密度是很大的。 这就是过渡金属电阻率高的原因。这种 s-d 散射率取决于 s 电子与 d 电子自旋的相对取向。 巨磁电阻（GMR ）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。GMR 是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非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。关于这种效应可以用两自选电流模型来解释： 普通磁电阻 (正, 极小, 各向异性) 巨磁电阻 (负, 巨大 , 各向同性) [])(/)0()(H R R H R MR -=[][] ) ()()0() 0()()0(21S S S H R H R R MR R H R R MR -=-=
实验十四巨磁电阻效应及应用 【实验目的】 1.了解GMR效应的原理 2.测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3.测量GMR的磁阻特性曲线 4.测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线 5.用GMR传感器测量电流 6.用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理 7.通过实验了解磁记录与读出的原理 【实验仪器】 巨磁电阻效应及应用实验仪 【实验原理】 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。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、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G 乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略了。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。除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外，由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应，已显示出比GMR效应更高的灵敏度。除在多层膜结构中发现GMR效应，并已实现产业化外，在单晶，多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐中，以及一些磁性半导体中，都发现了巨磁电阻效应。 本实验介绍多层膜GMR效应的原理，并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应用领域。 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则散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自 221
巨磁电阻效应及其应用实验报告记录
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【实验原理】 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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。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1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 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2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。 无外磁场时顶层磁场方向 顶层铁磁膜 中间导电层 底层铁磁膜 无外磁场时底层磁场方向 图2 多层膜GMR 结构图 图3是图2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。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
五、实验数据及处理 1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示：（n=24000匝/m）
以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最低处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
2. GMR的磁阻特性曲线的测量 根据实验数据由公式B = μ0nI算得的磁感应强度，由R=U/I算得的电阻如下表所示：（磁阻两端电压U=4V）
作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最高处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
3. GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示： 高电平：1V，低电平：-1V 作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
近代物理实验报告 专业应用物理学班级 11级指导教师马厂 姓名实验时间 2013 年月日实验地点 K7-402 实验名称巨磁阻效应实验 实验三巨磁阻效应实验 【实验目的】 1．了解巨磁阻效应原理，了解巨磁阻传感器的原理及其使用方法； 2．学习巨磁阻传感器定标方法，用巨磁阻传感器测量弱磁场； 3．测定巨磁阻传感器敏感轴与被测磁场间夹角与传感器灵敏度的关系； 4．测定巨磁阻传感器的灵敏度与其工作电压的关系； 5．用巨磁阻传感器测量通电导线的电流大小。 【实验原理】 1．巨磁阻效应 1988年,法国巴黎大学的研究小组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁阻效应，在国际上引起很大的反响。巨磁阻（Giant Magneto Resistance）是一种层状结构，外层是超薄的铁磁材料（Fe,Co,Ni等），中间层是一个超薄的非磁性导体层（Cr,Cu,Ag等），这种多层膜的电阻随外磁场变化而显著变化。 通常情况下，Cr,Cu,Ag等是良好的导体，但当它的厚度只有几个原子时，导体的电阻率会显著增加。在块状导体材料中，导体内电子由于会和其它微粒碰撞，所以在“散射”改变运动方向之前都要运动很长一段距离。在电子散射之前运动的距离的平均长度称为平均自由程。然而，在非常薄的材料中，电子的运动无法达到最大平均自由程。电子很可能直接运动到材料的表面并直接在那里产生散射，这导致了在非常薄的材料中平均自由程较短。因此导体中的电子要在这种材料中运动更加困难，导致导体电阻率的增大。 巨磁阻的磁性层是用来抗铁磁耦合的。当没有外界磁场作用时，这两层材料的磁化是相互对立的。可以假设为两根“头尾相连”的条形磁铁（两个磁铁是平行的，其中一个的北极与另一个的南极同向），中间隔着一张薄塑料纸。巨磁阻材料中磁性层的磁化方向也是“头尾相连”的，中间是非磁性层。 下图显示的是GMR材料结构内部的一些电子的射程。两个箭头指明了抗磁耦合。 图1 抗磁耦合图示 注意：电子是散射到两个GMR材料的表面。这是因为电子从上层自旋试图进入下层自旋，反之亦然。由于电子自旋的不同，电子比较有可能散射到两个表面。这种情况的结局是导电电子的平均自由程的长度相当短，从而导致了材料具有相对高的电阻率。 如果外加在GMR材料上的外界磁场足够大，它就能够克服两个磁性层之间磁化的抗磁耦合。这种条件下，两个薄层的电子都会做同样的自旋。这时，电子便容易在巨磁阻材料中运动，电子的平均自由程增长，导致巨磁阻材料的电阻率降低。
磁感应强度/高斯 磁阻/Ω 减小磁场增大磁场 励磁电流 /mA 磁感应强度/高斯 磁阻电流 /mA 磁阻/Ω 磁阻电流 /mA 磁阻/Ω 100 30.15928947 2.080 1923.077 2.090 1913.876 90 27.14336053 2.070 1932.367 2.090 1913.876 80 24.12743158 2.070 1932.367 2.080 1923.077 70 21.11150263 2.060 1941.748 2.080 1923.077 60 18.09557368 1.988 2012.072 1.990 2010.05 50 15.07964474 1.957 2043.945 1.953 2048.131 40 12.06371579 1.920 2083.333 1.916 2087.683 30 9.047786842 1.883 2124.27 1.880 2127.66 20 6.031857895 1.847 2165.674 1.845 2168.022 10 3.015928947 1.815 2203.857 1.814 2205.072 5 1.507964474 1.799 2223.457 1.791 2233.389 0 0 1.779 2248.454 1.794 2229.654 -5 -1.507964474 1.794 2229.654 1.815 2203.857 -10 -3.015928947 1.812 2207.506 1.831 2184.599 -20 -6.031857895 1.849 2163.332 1.868 2141.328 -30 -9.047786842 1.882 2125.399 1.900 2105.263 -40 -12.06371579 1.920 2083.333 1.935 2067.183 -50 -15.07964474 1.958 2042.901 1.972 2028.398 -60 -18.09557368 1.994 2006.018 1.998 2002.002 -70 -21.11150263 2.060 1941.748 2.060 1941.748 -80 -24.12743158 2.060 1941.748 2.060 1941.748 -90 -27.14336053 2.070 1932.367 2.060 1941.748 -100 -30.15928947 2.070 1932.367 2.070 1932.367
巨磁电阻效应及其应用【实验目的】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理 【实验原理】 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=?l/S 中，把电阻率 ?视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约 34nm），可以忽略边界效应。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），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。 ;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 2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。 图3是图 2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R/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。 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。 多层膜 GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在
巨磁电阻效应及其应用 2007年7月27日来源:《国际电子变压器》2007年7月刊作者： 余声明 1 前言 磁性金属和合金一般都有磁电阻效应，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻发生改变的现象。所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧变化而比常规磁电阻要大一个数量级以上的效应，是近十多年来发现的一种新现象。 在过去十多年中，已经发现了三种技术上可行的磁电阻：“巨磁电阻”（Giant Magneto-Resistive，GMR）、“超巨磁电阻”（Colossal Magneto-Resistance，CMR）和“穿隧磁电阻”（Tunneling Magneto-Resistive，TMR）。它们都具有三层结构：上下两层为磁性层引发电子自旋、产生磁场的层级；中间为非磁性层，其功能是产生变化的电阻。不同类型的磁电阻的非磁性层所使用的材料有所不同：GMR使用的是金属铜，CMR使用的是稀土锰氧化物，TMR则是使用氧化铝。 本文只就GMR效应、器件与应用作一论述。 2 巨磁电阻效应 1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间耦合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现
其Δρ/ρ在 4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR 效应的概念，在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间耦合多层膜。1988年后的3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜如[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]等结构，此后更掀起了GMR效应的研发热潮。 GMR是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非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。三层结构的与自旋有关的输运性质如图1所示，上下两层为铁磁材料，中间夹层是非磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的。现在可以制造出对小的磁场就能得到很大电阻变化的材料，并且可以在室温下工作。 巨磁电阻效应从发现到器件的商品应用也是一个迅速转化的过程。现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域，还出现了许多GMR 器件，如磁盘驱动器的读写磁头和随机存储器（RAM）等。 磁电子新技术的实用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技
巨磁阻效应的原理及应用 李恒毅 2015202020005 摘要：本文叙述了巨磁阻效应的原理及其应用：原理部分进行了简单阐述， 并举出了五种常见的例子进行说明；应用方面则消息说明了巨磁阻效应在 计算机磁盘、测量电流以及激光探测器方面的应用。最后对这一理论成果 的进一步应用做出了展望。 0 引言 巨磁阻效应在1988年由德国于利希研究中心的彼得·格林贝格和巴黎第十一大学的埃尔伯·费尔分别独立发现。格林贝格的研究小组在最初的工作中只是研究了由铁、铬、铁三层材料组成的结构物质，实验结果显示电阻下降了1.5%。而费尔的研究小组则研究了由铁和铬组成的多层材料，使得电阻下降了50%。格林贝格和于利希研究中心享有巨磁阻技术的一项专利，他最初提交论文的时间要比费尔略早一些（格林贝格于1988年5月31日，费尔于1988年8月24日），而费尔的文章发表得更早（格林贝格于1989年3月，费尔于1988年11月）。费尔准确地描述了巨磁阻现象背后的物理原理，而格林贝格则迅速看到了巨磁阻效应在技术应用上的重要性。 自从巨磁阻效应被发现以来，由于其在计算机硬盘读取磁头、磁传感器以及磁记录方面的中大应用价值，引起了广泛的关注，使得对它的基础研究以及应用和开发应用几乎是齐头并进的，成为当前凝聚态物理研究和材料科学的前沿和热点之一。这是由于这点，上面提到的埃尔伯·费尔和彼得·格林贝格二人在2007年获得诺贝尔物理学奖。 1 巨磁阻效应的原理及其示例 磁致电阻（MR）指的是外磁场导致的电阻的变化，通常定义为一个无量纲的比值： 其中R(H)和R(0)分别是有外加磁场H和零磁场(H=0)情形下的电阻。普通（非磁）金属的磁致电阻有三个基本特征：正的磁阻（），磁阻很小（）和各向异性。最后一个特性指的是磁阻的大小依赖于外磁场和外电场（电流方向）的夹角，横向磁阻（外磁场垂直于外电场）通常大于纵向磁阻（外磁场平行于外电场）。正的磁阻起因于载流子在运动中受到磁场的洛伦兹力，偏离原来的运行轨迹，引起附加的散射效应。 巨磁阻的三个基本特性与普通金属恰好相反。它们分别是负的磁阻（），磁阻很大（）和各向同性。各向同性是指磁阻的大小与外磁场的方向无关，这是因为巨磁阻的机理与磁场导致的洛伦兹力是无关的。 已经发现具有巨磁阻效应的材料有很多，其特性不同，产生的机理也不同。粗略的来说，可以分为以下几类： 1.1、磁性多层膜 巨磁阻多层膜由适当的铁磁层（如Fe, Co, Ni等）和非铁磁层（如Cu, Cr, Ag等）相间生长而成。由于磁晶各向异性，在外磁场作用下，沿着易轴和难轴方向的磁阻曲线是不一致的。目前提出了许多理论来解释这一现象。这些理论的焦点问题是界面的粗糙度所引起的电子自选相关散射。从经典角度看，粗糙度引入了界面的反射与透射系数；从量子角度看，它引入了自旋相关散射势。 目前常用的制备方法有分子束外延、电沉积法和超高真空蒸发以及磁控溅射。其中磁控溅射法所得到的GMR较大，应用最为普遍。 1.2、颗粒膜