巨磁电阻原理

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磁性多层膜巨磁电阻效应理论

作者：董燕 文亚南 梁齐

来源：《科技创新导报》2011年第26期

摘 要:简要概述了磁性多层膜结构巨磁电阻效应的现有主要理论。对唯像理论、Boltzmann输运方程理论和量子理论的相关工作进行了总结评述。

关键词:磁性多层膜材料巨磁电阻效应理论

中图分类号:O48 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0092-02

巨磁电阻(GMR)材料的电阻可对外磁场产生巨幅响应,在信息存储等领域具有十分重要的应用前景。自20世纪80年代在(Fe/Cr)N多层膜中发现起,GMR研究便倍受关注,连续膜、颗粒膜等高GMR磁性多层膜结构材料及GMR磁场传感器等器件不断涌现。同时巨磁电阻效应理论的研究也取得了长足发展,唯像理论、半经典理论和量子理论均相继构建,使多层膜结构材料GMR的众多问题得以分析,为GMR多层膜材料设计提供了理论基础。本文概要介绍以上理论。

1 唯像基本理论

多层膜结构材料GMR唯像基本理论是后续高级理论的物理基础,在GMR研究中居于十分重要的地位。该理论基于二流体模型提出,认为多层膜磁层内电子分为自旋向上和自旋向下两类,相邻磁层内磁矩反平行排列。磁矩对反方向自旋电子的散射作用强于同方向自旋电子,无外场作用时多层膜内电子不能连续穿越两个磁层,体系呈高电阻;外场作用下,体系内磁矩趋向外场方向,导致体系内自旋方向与外场方向相同的电子可以穿越整个体系,引起体系电阻剧烈下降。该理论要求相邻磁层成反铁磁耦合、单一磁层厚度必须远小于传导电子的平均自由程,同时磁性原子对不同自旋方向电子的散射率必须相差很大。

2 Boltzmann输运方程理论

唯像理论正确指出了外场作用改变体系电子散射行为是GMR起源的基本机制,但只考虑了磁层内部体散射的作用。Camley等通过对(Fe/Cr)N多层膜的Boltzmann输运方程的计算发现增加体系层数及电子平均自由程同膜厚度比值可增强GMR效应强度,表明界面散射在GMR中起龙源期刊网

巨磁电阻（ＧＭＲ）应用

肖又专，库万军，曾荣伟

（深圳市华夏磺电子技术开发有限公司深圳５１８０３１）

摘要：巨磁电阻（Ｇｍ）效应是１９８８年发现的一种磁电阻效应．自发现以来其在各领域的应用发展得到广泛的重视．我们用蚋米技术制作的巨硅电阻（Ｇ撒）传感器在多个领域得到

应用。取得良好效果．谊项技术还在不断的发展过程中，我扪致力于磁电子学在固内的产业

化发展．

信息时代的今天．传感器已经成为各个庶川领域．特别是自动检测、白动控制系统中

不可缺少的重要技术工具。传感器是信息采集系统的首要部件，是实现现代化测量和白动控

制（包括遥感、遥测、遥控）的主要环节，是现代信息产业的源头，又是信息社会赖以存在和发展的物质与技术基础。信息高速公路的发展紧密依赖于计算机的存储量币ｌ读出速度。而

这些又依赖于读山磁头技术的发展．

１９８８年．ＧＭＲ效应的发现和发展，在世界范甬内引起了避性传感器币Ｉ磁记录行业的技术革命。这是由于Ｇ职材料相对于半导体霍尔材料，ＡＭＲ材料等且有特别高的磁场灵敏应

（３０％／Ｏｅ）和宽的交、直流磁场探测范围（１０Ｌ１０＾０ｅ）。集成化Ｃ，ＭＲ磁场传感器可以替代

目前市场上的磁通门计、ＡＭＲ传赙器、蓓尔元件及干簧管等．Ｇ帅效应的原理是传导电子的自旋相关散射．６躲磁场传感器主要Ｈｊ来探测强弱交、直流磁场（１０’ｉ—１０＇Ｏｅ），交、直流

电流（１０。＇－１０。安培），线性位移，角速度（角位移）．通过对以上物理鼙的测量．各种不同用途的Ｃ－ＭＲ磁场传感器已广泛使．【ＩＪ在交通管理、航空航天导航、地质矿藏勘探、机器人机械手、机床的自动化控制、液位监控、防ｊ；ｌ￡报警系统、开关屯源、屯机马达及洗衣机、接近开

关、远程抄袭、车辆的刹车系统、编码器、生物医学、磁性介质和油墨钞币的鉴别等各行各业。Ｇ崃磁头已占领田际磁头行业市场的９５％．实现了每平方英寸的存储信息量为５６０亿位．

是目前最高的存储体系。ＧＭＲ磁头每季度的销售量是１０亿美元．

随着ＧＲＲ的理论研究莆ｌ运用技术的发展，一门研究电子的输运过程．同时考虑到电子

超巨磁电阻薄膜物理及应用

摘要： 由于在外界温度变化和磁场作用下表现出巨大的磁电阻效应(CMR)，超巨磁电阻材料成为一个热点研究课题。CMR材料在硬盘读出磁头，随机存储器上极具潜力，在磁传感器、光热辐射探测器、场效应晶体管及磁制冷等方面的应用也崭露头角。首先介绍了CMR薄膜材料的结构和机理，接着详细讨论了它们在器件应用上，尤其是在激光感生电压热电电压效应(LITV)、Bolometer、传感器等有关方面的应用进展。最后展望了CMR薄膜未来的应用前景。

引言

众所周知，许多物质在外磁场作用下都可观察到磁致电阻效应，但一般材料最大只有2％～3％ 。l988年，法国巴黎大学的巴西学者Baibich等⋯首次报道了Fe／Cr超晶格的磁电阻变化率达到50％ ，比通常的磁电阻效应大一个数量级，而且远远超过多层膜中Fe层磁电阻变化的总和，这一现象被称为巨磁电阻效应(GiantMagnetoresistance，简记为GMR)。此后，人们相继在自旋阀，颗粒膜，非连续膜和隧道结以及钙钛矿锰氧化物薄膜中发现了巨磁电阻效应。值得关注的是，1993年，Helmolt等 在LaBaMnO3薄膜中观察到了更巨大的负磁阻效应，其MR效应可达到l0 ％～l0。％，引起了物理、计算机、材料和自动控制等领域的众多科学家的极大兴趣，因为这预示了巨磁电阻效应的研究不仅由金属、合金样品扩展到了氧化物材料，还提出许多前沿的物理问题，这无疑将对巨磁电阻材料的实际应用起到巨大的推动作用。随后的进一步研究发现，掺杂稀土锰氧化物在磁场下的反常输运性质不同于金属磁性超晶格样品中的巨磁电阻效应，而是与氧化物高温超导体中电子的强关联和输运更相近。因而，掺杂稀土锰氧化物的磁电阻随外磁场变化的现象又称为超巨磁电阻效应(ColossalMagnetoresistance，CMR)，并与强关联物理联系在一起。本文简单介绍了超巨磁电阻材料的结构和机理，着重讨论了近年来CMR材料在LITV 器件，Bolometer，传感器及磁随机存储器等方面的应用进展，最后展望了CMR材料的发展前景。

巨磁阻效应及其传感器的原理和应用

一、 概述

对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通常用电阻变化率Δr/r描述。研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可达（3~5）%。所谓巨磁电阻（GMR）效应，是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。

1、分类

GMR材料按其结构可分为具有层间偶合特性的多层膜（例如Fe/Cr）、自旋阀多层膜（例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi）、颗粒型多层膜（例如Fe-Co）和钙钛矿氧化物型多层膜（例如AMnO3）等结构；其中自旋阀（spin

valve）多层膜又分为简单型和对称型两类；也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类的。

2、巨磁电阻材料的进展

1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间偶合现象。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Δr/r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效应的层间偶合多层膜。自1988年发现GMR效应后仅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]n）。