巨磁阻材料

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。

巨磁阻效应诺贝尔奖巨磁阻效应是指当一些材料受到外部磁场的作用时，其电阻会发生明显的变化。

这种现象最早被发现于1988年，迅速引起了科学界的广泛关注。

由于其重要性和广泛的应用前景，巨磁阻效应在2007年荣获诺贝尔物理学奖。

一、巨磁阻效应的原理巨磁阻效应的基本原理可归结为磁导率变化引起的电阻率变化。

在普通的金属导体中，电子输运主要受到热散射的影响，而在巨磁阻效应材料中，磁散射起主导作用，因此材料的电阻会随着磁场的变化而改变。

二、巨磁阻效应的应用巨磁阻效应的发现为磁存储技术提供了重要的突破口。

传统的硬盘驱动器使用的是磁电传感器，其灵敏度和分辨率有限。

而巨磁阻效应材料制成的传感器则具有更高的精确度和灵敏度，可以使磁存储设备更加可靠和高效。

此外，巨磁阻效应还广泛应用于医学成像、磁性传感器、磁流体阀和数据传输等领域。

通过利用巨磁阻效应，可以制造出更小、更快、更强大的设备，为科技和工程领域带来了巨大的进步。

三、巨磁阻效应的材料目前，已发现的巨磁阻效应材料主要包括铁磁金属和磁隧穿结构。

铁磁金属具有良好的磁导率和磁阻率变化，因此在巨磁阻效应的研究中扮演着重要角色。

而磁隧穿结构由两层铁磁金属之间的绝缘层构成，其电阻对磁场变化极为敏感，具有更高的磁阻率变化。

四、未来展望随着科技的不断发展，巨磁阻效应的应用前景将更加广阔。

人们期待通过巨磁阻效应材料的研究和改进，实现更高容量、更便携、更高速的磁存储设备。

另外，巨磁阻效应在传感器领域也有着巨大的潜力，可以应用于机器人、智能家居和自动驾驶等领域，为人类生活带来更多便利和创新。

总之，巨磁阻效应作为一项重要而又有潜力的科技成果，获得了诺贝尔物理学奖的认可和肯定。

这一发现为磁存储和磁传感技术带来了重要突破，将在未来继续为科技和工程领域的发展做出重要贡献。

巨磁阻效应及其在自旋电子学方面的应用巨磁阻效应（GMR）是指在引入薄膜和多层膜晶体学领域中，利用磁性材料的巨磁阻效应来实现高灵敏度的磁传感器和高容量的存储技术。

巨磁阻效应是一种基本的物理现象，它能够改变材料电导率，从而使材料的电阻率随磁场变化。

它得到了广泛的应用，在磁性材料的测量、传感、存储以及自旋电子学等方面具有广阔的应用前景。

巨磁阻效应的应用1. 磁传感器巨磁阻效应可用于制造磁传感器，如磁阻计、磁导弹波传感器和磁触头等。

这些传感器可以用于检测磁场的变化，包括用于测量和控制电机和发电机的磁场、磁卡读头以及其他磁场测量和控制应用。

这些传感器具有高精度、高速度和低噪音等特点。

2. 存储器巨磁阻效应可用于制造高密度磁存储器。

从最初的几百兆字节到现在的几百千兆字节，磁存储器的容量已经有了巨大的提高。

随着存储芯片的微型化和集成化，巨磁阻效应在存储器方面的应用变得更加有效。

3. 自旋电子学自旋电子学是一种奇近效应现象，是一种可以利用操纵电子自旋的电学和磁学技术的新型电子学。

自旋最根本的特征是它自身具有磁矩，可以与晶体中的磁场相互作用。

不同于传统的基于电子电荷的电子学技术，自旋电子学技术的研究将有望在未来的纳米电子学和计算机中得到广泛应用。

巨磁阻效应将成为未来自旋电子学的重要组成部分，可以用于制造自旋电子学器件，如磁性电阻、磁隧道结、自旋阻抗和自旋导体等。

自旋电子学也受到了越来越多的关注，它可能会打破德鲁德电子传导中的阻抗序列，提高信息处理的速度，解决低功耗、高速度和高容量存储器的问题。

总结巨磁阻效应从上个世纪90年代开始逐渐得到关注并得到了广泛的应用，其首次在高密度磁盘驱动器中被使用并取得了巨大的成功。

随着技术的不断发展和深入研究，巨磁阻效应展现出了越来越多的潜力，将成为未来高精度和高容量磁传感器、存储器以及自旋电子学器件的重要组成部分。

巨磁阻材料用途答案：1.磁场传感器：巨磁阻材料可以被制成灵敏度高、稳定性好的磁场传感器，常用于汽车、航空、仪器仪表等领域。

2.磁信息存储：巨磁阻材料具有磁记忆效应，可以用于生产磁盘、磁带等磁信息存储介质。

3.生物医学：巨磁阻材料可以被制成高灵敏度的生物传感器，用于生物医学领域中的分子识别、病原体检测、细胞成像等方面。

4.电磁屏蔽：巨磁阻材料可以吸收磁场中的能量，用于制作电磁屏蔽材料，可以保护电子设备免受磁场干扰。

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。

随着纳米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化要求测量系统也要微型化。

在21世纪，超导量子相干器件、超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中的主要角色。

其中以巨磁电阻效应为基础设计超微磁场传感器，要求能探测10-2T至10-6T的磁通密度。

如此低的磁通密度在过去是无法测量的，特别是在超微系统测量如此微弱的磁通密度十分困难，纳米结构的巨磁电阻器件可以完成这个任务。

延伸：一、巨磁阻材料的定义和发展史巨磁阻材料是指那些在外加磁场下，电阻值受磁场强度影响极大的材料。

其电阻率约在0.1-10T的磁场范围内，会出现明显的变化，且随着磁场强度的增加而增加。

该材料的发现可以追溯到20世纪60年代中期，当时荷兰Philips公司的一位工程师发现了这种特殊的电阻变化现象，这也是巨磁阻材料得名的由来。

自此以后，人们开始对这种材料进行研究，并发现其在许多领域都具有重要应用价值。

二、巨磁阻材料的特性1.灵敏度高：巨磁阻材料的电阻率在外加磁场的作用下会发生很大变化，这种变化可以用来检测磁场的强度和方向，因此在磁场传感器中得到广泛应用。

2.稳定性好：巨磁阻材料的电阻率变化对温度、时间和频率的依赖性较低，其性能相对稳定，因此可以用于制作耐用的磁场传感器和磁信息存储器。

3.具有磁记忆效应：巨磁阻材料中的磁矩方向可以保持相对稳定，在磁极性反转后仍能保持原来的状态，这种磁记忆效应可以应用于磁介质中。

物理学前沿——巨磁电阻及其原理一、概述磁电阻效应( M a g n e to r e s is ta n e e , M R )是指材料在外磁场下电阻发生改变的物理现象。

150年前T .T ho m so n首次发现,常规的铁磁材料,如铁,钻,镍,它们的电阻与磁场和电流的相对方向相关,被称为各向异性磁电阻效应( A n is o tr o Pi c Ma g n e to r e s i st a n e e , A M R )。

现在,已经知道A M R效应源于电子的自旋一轨道祸合作用,通常铁磁材料的磁电阻效应很小,只有百分之几。

磁电阻效应在技术应用中非常重要, 特别是在硬盘中作为读出头, 探测硬盘每个磁存储单元产生的微弱磁场。

19 5 6年, IBM的科学家Reynold Johnson 发明了世界上第一个计算机硬盘当时采用电磁感应的方法读写信息 ,这种方法需要存储单元产生较强的磁场 ,因此存储单元很大,密度很小,最大只能达到20 Mb/in^2。

直到20世纪80年代末期,IBM 在技术上实现了突破, 成功地在硬盘读出头中使用磁电阻效应, 增强了读出头的磁场灵敏度, 使得硬盘的存储密度大幅度提高, 达到了5 G b/in^2。

在19 8 8年之前, 人们通常认为磁电阻效应很难再在T homson的基础上有大的提高, 磁场传感器的灵敏度不可能再有质的飞跃, 进而大幅度的提高硬盘的存储密度, 这意味着磁盘技术将被光盘所淘汰。

因此, 当1988年AlbertFert 和Peter Grunberg分别领导的两个独立的研究小组在磁性多层膜中发现了巨磁电阻效应时, 立刻引起了科学家与企业界的关注。

所谓巨磁电阻效应,是指材料在一个微弱的磁场变化下产生很大电阻变化的物理现象。

2007年诺贝尔物理学奖授予了独立发现该效应的法国科学家AlbertFert和德国科学家Pe ter Grunberg 。

利用材料的巨磁电阻效应,研制出了新一类磁电阻传感器—GM R 传感器。