巨磁电阻多层膜结构的研究进展

巨型磁电阻材料的研究进展近年来，随着信息技术的不断发展，巨型磁电阻材料因其独特的磁电效应得到了广泛的研究与应用。

巨型磁电阻材料的研究进展对于现代信息技术的发展具有重要的意义。

本文将综述近年来巨型磁电阻材料研究领域的进展。

一、简介所谓磁电阻效应，就是材料在磁场影响下，其电阻产生变化。

巨型磁电阻是指在外加磁场作用下，其电阻随磁场方向的变化而变化的磁性材料。

这一效应的发现和研究可以追溯到20世纪70年代，在过去的几十年中，巨型磁电阻材料的性能得到不断地提高和发展。

这种材料具有广泛的应用前景，在高灵敏度传感器、存储芯片以及磁性存储等领域都有重要的应用。

二、巨型磁电阻材料的种类巨型磁电阻材料一般分为二维和三维结构的材料。

其中，二维结构的巨型磁电阻材料主要有沿轴或层状晶体结构的磁性柔性瓷体、铁电薄膜和纳米晶体。

三维结构的巨型磁电阻材料一般为磁性金属，如铁、镍和钴等材料。

这些材料具有优良的性能，可用于磁存储器、传感器、磁性导航等领域。

三、磁电阻效应机理巨型磁电阻材料的磁电阻效应是由于磁畴旋转或移动引起的。

磁畴旋转和移动可以改变材料的电阻，从而显示出磁电阻效应的特性。

磁性颗粒的微观结构和磁畴结构的变化及其与电子结构等方面的研究对于磁电阻效应机理的研究尤为重要。

四、巨型磁电阻材料的制备方法目前，制备巨型磁电阻材料的方法主要有物理气相沉积法、溅射法、化学还原法、层状堆垛法、溶胶-凝胶法等。

其中，物理气相沉积法因其薄膜制备的优势被广泛应用于界面磁电材料的研究。

溅射法也是一种常用的制备方法，在制备厚膜和薄膜方面较为常用。

化学还原法制备巨型磁电阻材料可以控制材料的尺寸和形貌，具有制备复杂结构样品的优势。

五、巨型磁电阻材料的应用前景巨型磁电阻材料具有广泛的应用前景，可用于磁传感器、磁存储器、自动控制系统、磁性导航等领域。

同时，随着新一代信息技术的不断发展，巨型磁电阻材料在高密度存储器、磁性芯片以及磁性传感器等领域的应用将会越来越广泛。

物理学研究进展巨磁电阻众所周知，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(Giant Magnetoresistance，简记为GMR)。

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重大应用价值，引起了广泛的关注，使得对它的基础研究及应用和开发研究几乎是齐头并进的，成为当前凝聚态物理研究和材料科学的前沿和热点之一。

GMR效应原理GMR效应理论复杂，不同类型材料的作用机理不同。

且多数仍在探索中，目前以二流体模利定性解释磁性多层膜GMR效应较为成熟。

该模型中铁磁金属的电流南自旋向上、向下的电了分别传输，自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的传导电子受的散射小，电阻率低。

磁性多层膜相邻磁层的磁矩反铁磁耦合时，自旋向上、向下的传导电子在传输过程中分别受周期性的强、弱散射而表现为高阻态；相邻磁层在外加磁场作用下趋于平行时，自旋向上的传导电子受较弱的散射而构成低阻通道，自旋向下的传导电子则受强散射形成高阻通道，因两通道并联，故多层膜表现为低阻状态。

巨磁电阻材料为了满足应用的要求，对GMR材料的主要要求是：高的室温GMR效应，即由外加磁场引起的室温电阻变化率高；低的工作磁场，即在较低的外加磁场强度下得到高的MR；高的稳定性，即环境条件(温度、湿度、振动等)变化时，MR的变化要尽量小。

就目前研究热点的几类GMR材料，可以说是各有特点。

目前，已发现具有GMR效应的材料主要有多层膜、自旋阀、颗粒膜、磁性隧道结和氧化物超巨磁电阻薄膜等5大类。

(1)磁性金属多层膜铁磁层(Fe，Ni，Co及其合金)和非磁层(包括3d，4d以及5d非磁金属)交替重叠构成的金属磁性多层膜常具有巨磁电阻效应，其中每层膜的厚度均在纳米量级。

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 \ 欧姆小，进入磁饱和区域。

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。

巨磁电阻效应和应⽤_实验报告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\欧姆磁场强度/ ⾼斯图3 某种GMR材料的磁阻特性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。

巨磁电阻效应及其应用【实验目的】1、了解GM效应的原理2、测量GM模拟传感器的磁电转换特性曲线3、测量GM的磁阻特性曲线4、用GM传感器测量电流5、用GM梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GM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二I/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0.3 nm）,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GM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。

基础物理实验研究性实验报告巨磁电阻效应及其应用目录摘要 (1)1.基本原理 (1)2.实验仪器 (2)2.1实验仪主机 (2)2.2基本特性组件模块 (3)2.3电流测量组件 (3)2.4角位移测量组件 (4)2.5磁读写组件 (4)3.实验内容 (4)3.1GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 (4)3.2GMR磁阻特性测量 (5)3.3GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 (6)3.4用GMR模拟传感器测量电流 (7)3.5GMR梯度传感器的特性及应用 (8)3.6磁记录与读出 (8)4.注意事项 (8)5.数据处理 (9)5.1 GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 (9)5.1.1公式推导 (9)5.1.2GMR模拟传感器的磁电转换特性数据处理 (9)5.2 GMR磁阻特性测量 (10)5.3 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 (11)5.4用GMR模拟传感器测量电流 (12)5.5 GMR梯度传感器的特性及应用 (13)5.6磁记录与读出 (14)6.误差分析 (14)7.结果讨论 (15)8.实验总结 (15)[参考文献] (16)附录 (16)摘要本文的主要内容包括对GMR模拟传感器的磁电转换特性、GMR磁阻特性、GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性的测量及探究，对运用GMR模拟传感器测量电流的探究，对GMR梯度传感器的特性探究及应用，以及磁记录与磁读出的原理与过程。

通过具体实验数据处理，进一步理解实验的原理及步骤，并作出相应的误差分析与结果讨论。

最后，对本次实验进行总结并表达感想。

关键词：GMR，传感器，实验，数据处理，总结1.基本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。