磁性材料及巨磁电阻效应简介.
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巨磁电阻文档
巨磁电阻什么是巨磁电阻？巨磁电阻（Giant Magnetoresistance，简称GMR）是一种基于磁场对导电性质的影响而产生的电阻效应。
巨磁电阻的发现在科学和工程领域引起了广泛的关注，特别是在磁存储和传感器技术中有着重要的应用。
与常规的电阻不同，巨磁电阻是通过在导电薄膜中引入磁性材料层来实现的。
当磁场施加到这些导电薄膜中时，电阻的值会发生变化。
这种变化可以通过测量电阻的大小来检测和量化外加磁场的作用。
巨磁电阻的原理巨磁电阻现象的存在是由于磁性材料的电子构型。
磁性材料中的电子在未受到外加磁场时有着不同的自旋方向。
当一个外加磁场施加到这些材料上时，电子的自旋方向会重新排列，导致电子的运动受到限制。
这种限制会导致材料的电阻值发生变化。
更具体地说，巨磁电阻是由于磁性层与非磁性层之间的自旋控制相互耦合而产生的。
在常规情况下，自旋方向不同的电子会发生散射，导致电阻增加。
然而，在巨磁电阻结构中，磁性层的自旋可以干预非磁性层电子的自旋取向，从而减少了自旋散射。
这种减少导致了巨磁电阻的降低。
巨磁电阻的应用巨磁电阻的研究不仅对电子学领域有重要意义，而且在实际应用中也有着广泛的用途。
磁存储器：巨磁电阻的发现推动了硬盘驱动器的发展。
传统的硬盘驱动器使用了机械式的磁读写头来存取数据，而基于巨磁电阻效应的磁存储器使用了读头中的巨磁电阻元件。
这种元件可以响应磁场的变化，从而实现数据的读取和写入。
相比传统的硬盘驱动器，基于巨磁电阻的磁存储器具有更高的速度、更大的容量和更低的功耗。
传感器技术：巨磁电阻也在传感器技术中发挥着重要的作用。
基于巨磁电阻的传感器可以感知周围的磁场，并将其转化为电阻值的变化。
这种变化可以通过测量电阻来检测和量化磁场的强度和方向。
因此，巨磁电阻传感器广泛应用于地理导航、汽车行驶方向检测等领域。
生物医学应用：巨磁电阻也在生物医学应用中找到了应用。
例如，巨磁电阻效应可用于测量生物体内的磁场，如心脏的磁场和脑部电活动。
巨磁电阻效应
ห้องสมุดไป่ตู้
目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密 度提高到560亿位/平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。 随着低电阻高信号的TMR的获得，存储密度达到了1000亿位/平方英寸。
2007年9月13日，全球最大的硬盘厂 商希捷科技（Seagate Technology） 在北京宣布，其旗下被全球最多数字 视频录像机（DVR）及家庭媒体中心 采用的第四代DB35系列硬盘，现已达 到1TB（1000GB）容量，足以收录多 达200小时的高清电视内容。正是依靠 巨磁阻材料，才使得存储密度在最近 几年内每年的增长速度达到3～4倍。 由于磁头是由多层不同材料薄膜构成 的结构，因而只要在巨磁阻效应依然 起作用的尺度范围内，未来将能够进 一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。
光信息91 09095005 陈松
法国科学家阿尔贝· 费尔 和德国科学家彼得· 格林 贝格尔因分别独立发现巨 磁阻效应而共同获得 2007年诺贝尔物理学奖。 这项技术用于读取硬盘数 据，得益于这项技术，硬 盘在近年来迅速变得越来 越小。
巨磁阻效应，是指磁性材料的电 阻率在有外磁场作用时较之无外 磁场作用时存在巨大变化的现象。 巨磁阻是一种量子力学效应，它 产生于层状的磁性薄膜结构。这 种结构是由铁磁材料和非铁磁材 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。巨磁阻效应被 成功地运用在硬盘生产上，具有 重要的商业应用价值。
目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密 度提高到560亿位/平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。 随着低电阻高信号的TMR的获得，存储密度达到了1000亿位/平方英寸。
2007年9月13日，全球最大的硬盘厂 商希捷科技（Seagate Technology） 在北京宣布，其旗下被全球最多数字 视频录像机（DVR）及家庭媒体中心 采用的第四代DB35系列硬盘，现已达 到1TB（1000GB）容量，足以收录多 达200小时的高清电视内容。正是依靠 巨磁阻材料，才使得存储密度在最近 几年内每年的增长速度达到3～4倍。 由于磁头是由多层不同材料薄膜构成 的结构，因而只要在巨磁阻效应依然 起作用的尺度范围内，未来将能够进 一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。
光信息91 09095005 陈松
法国科学家阿尔贝· 费尔 和德国科学家彼得· 格林 贝格尔因分别独立发现巨 磁阻效应而共同获得 2007年诺贝尔物理学奖。 这项技术用于读取硬盘数 据，得益于这项技术，硬 盘在近年来迅速变得越来 越小。
巨磁阻效应，是指磁性材料的电 阻率在有外磁场作用时较之无外 磁场作用时存在巨大变化的现象。 巨磁阻是一种量子力学效应，它 产生于层状的磁性薄膜结构。这 种结构是由铁磁材料和非铁磁材 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。巨磁阻效应被 成功地运用在硬盘生产上，具有 重要的商业应用价值。
巨磁阻效应 诺贝尔奖
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
巨磁阻效应发展的奠基人
法国科学家阿尔贝· 费尔和德国科学家彼得· 格林贝格尔 因1988年先后各自独立发现“巨磁电阻”效应而共同获得2007 年诺贝尔物理学奖。
阿尔贝· 费尔
彼得· 格林贝格尔
三、巨磁阻效应的应用
巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制使 硬磁盘的体积更小和更灵敏的数据读出头。这使得存 储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使 得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。
硬磁盘存储器的结构
磁记录原理和记录方式
• 磁记录中的“位”和二进制信息中的“位 ”大多数情况下都是对应的：大多数情况 下磁场方向代表“0”，而它的反向磁场代表 “1”，这是一种最容易理解的信号调制方式 ，是很可靠的一种理论理解，可以在理论 分析的时候使用。
原理图
磁记录方式 写入数据
写线圈 I 铁芯 磁通 写线圈 I
二、效应发现
早在1988年，费尔和格林贝格尔就各自 独立发现了这一特殊现象：有些磁性材料在 非常弱小的磁性变化下就能导致发生非常显 著的电阻变化。那时，法国的费尔在铁、铬 相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化 可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅 度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨 磁阻效应。
二、请利用巨磁阻材料，设计一个可以实现“通” 、和“断”的装置，并分析该装置可能的一些应用
。
•
“通”和”断“在电脑磁盘读取数据中的设计 图
谢谢大家！
组长：张羲 组员：赵玉平，陈烜，张超，张荣贵，李若 恒，叶顺。
巨磁阻效应及其应用
一、什么是巨磁阻效应？
平行磁化方向(低阻态)
相反磁化方向(高阻态)
巨磁阻效应是指当铁磁材料和非磁性金属层交替组合成的材料在
足够强的磁场中时,电阻突然巨幅下降的一种现象。如果相邻材料中的 磁化方向平行的时候，电阻会变得很低；而当磁化方向相反的时候电 阻则会变得很大。电阻值的这种变化是由于不同自旋的电子在单层磁 化材料中的散射性质不同而造成的。
巨磁电阻效应及其应用
巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻效应（GMR）是指一种材料在外加磁场作用下，其电导率发生改变，从而导致电阻率发生变化的现象。
这一现象最早是在20世纪50年代由Alfred G. Yelon等人在垂直于金属层面的磁场作用下观察到的。
但直到1988年，Prinz等人才发现了铁磁性薄膜间的GMR现象，这也使得GMR效应引起了科学家们的广泛兴趣。
GMR效应在接下来的几年里得到了深入研究，被发现可以用于高密度数据存储和无线通讯等多种应用中。
GMR效应可以由一系列不同的物理机制所产生。
其中，最为常见的是自旋環境杂化（SEH）和直接交换耦合（DEC）。
在SEH机制下，电流通过一条薄膜时会造成电子的自旋极化，这个自旋极化可以将与之相邻的薄膜中的自旋磁矩引起旋转，导致自旋的损失。
因此，在自旋磁矩方向相同的情况下，电阻率会较小，而在自旋反向的情况下，电阻率会较大。
在DEC机制下，自旋子交换能会通过金属层之间的电场作用而引起自旋磁矩的反向。
这也可以导致GMR效应的体现，但其具体机理仍有待深入探究。
GMR效应在很多领域都具有重要的应用。
其中最为广泛的是在数据存储中的应用。
磁头读取硬盘上的数据时，通过读取与保存数据时的自旋方向差异来区分不同的数据信息。
而GMR头比传统头更加灵敏，因此能够更准确地读取数据，同时也能够提高数据存储的密度。
此外，GMR效应还可以应用于磁性传感器中。
例如，GMR平面传感器可以精确地测量磁场的强度和方向，因此被广泛应用于导航、探矿以及科学实验中。
此外，GMR还可以应用于生物医学领域中的诊断和治疗。
比如在生命科学中，GMR传感器可以用于检测药物和蛋白质的相互作用，在诊断和治疗中也具有潜在的应用价值。
总之，GMR效应是一种基于材料电导率随磁场变化的现象。
其重要的应用领域包括数据存储、磁性传感器以及生物医学等领域。
随着技术的进步和理解的不断深入，GMR效应将有更多广阔的应用前景。
巨磁电阻效应及应用的原理
巨磁电阻效应及应用的原理巨磁电阻效应的定义巨磁电阻效应是指当外加磁场发生变化时，材料的电阻发生改变的现象。
这种现象的发现和研究引发了巨磁电阻效应的探索和应用。
巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应是由磁性材料自旋极化和电子传输的相互作用引起的。
这种效应主要依赖于磁性材料中的自旋极化态以及电子的传输方式。
当磁场施加在磁性材料上时，磁场与材料中的自旋相互作用会引起自旋的重新排列。
自旋的重新排列会导致电子在材料中的传输行为发生变化，从而影响材料的电阻。
这种自旋排列的重新配置会引起电子的散射和反射，从而影响电子的传输路径和速度。
巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的发现和研究为许多实际应用提供了可能。
以下是巨磁电阻效应的一些主要应用：1.磁存储器：巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中，可用于读取和写入数据。
磁存储器可以储存大量的数据，而且巨磁电阻效应能够实现快速、高密度的读写操作。
2.磁传感器：巨磁电阻效应广泛应用于磁传感器中，用于检测磁场的变化。
磁传感器可以用于地理导航系统、磁共振成像仪、汽车导航系统等。
3.磁阻变传感器：巨磁电阻效应还可应用于磁阻变传感器中，用于检测物体的位置、位移和旋转角度。
磁阻变传感器可以应用于汽车制动系统、手持设备的姿态感知等领域。
4.磁阻随机存取存储器（MRAM）：巨磁电阻效应在磁阻随机存取存储器中的应用有很大潜力。
MRAM具有非易失性、低功耗、高速度和高密度等优点。
5.磁阻式角度传感器：巨磁电阻效应还可以应用于磁阻式角度传感器中，用于检测物体的角度变化。
磁阻式角度传感器可以应用于机械臂、机器人和汽车的转向系统等。
巨磁电阻效应的应用范围还在不断扩大，随着磁性材料和电子技术的进一步发展，巨磁电阻效应的新应用也在不断涌现。
总结巨磁电阻效应是材料的电阻在外加磁场变化时发生改变的现象，其实现需要磁性材料的自旋极化与电子传输的相互作用。
巨磁电阻效应的应用广泛，包括磁存储器、磁传感器、磁阻变传感器、磁阻随机存取存储器和磁阻式角度传感器等。
巨磁阻效应实验报告
巨磁阻效应实验报告一、实验目的。
本实验旨在通过实验验证巨磁阻效应的存在，并探究其在磁性材料中的应用。
二、实验原理。
巨磁阻效应是指在外加磁场作用下，磁性材料的电阻发生显著变化的现象。
通俗地讲，当磁场的强度发生变化时，磁性材料中的电阻也会随之变化。
这一现象被广泛应用于磁场传感器、磁存储器等领域。
三、实验器材。
1. 磁性材料样品。
2. 电源。
3. 万用表。
4. 磁场强度测量仪。
四、实验步骤。
1. 将磁性材料样品置于外加磁场中，通过电源调节磁场强度；2. 使用万用表测量磁性材料样品在不同磁场强度下的电阻值；3. 利用磁场强度测量仪记录磁场强度与电阻值的对应关系。
五、实验结果与分析。
经过实验测量与记录，我们得到了磁性材料在不同磁场强度下的电阻值。
通过数据分析，我们发现磁性材料的电阻值随着外加磁场的强度发生显著变化，呈现出巨磁阻效应。
这一现象与实验原理相符合，证实了巨磁阻效应的存在。
六、实验结论。
本实验验证了巨磁阻效应的存在，并探究了其在磁性材料中的应用。
巨磁阻效应的发现为磁场传感器、磁存储器等领域的技术发展提供了重要的理论基础。
通过本实验，我们对巨磁阻效应有了更深入的了解，为相关领域的研究与应用提供了重要的参考。
七、参考文献。
1. 《巨磁阻效应在传感器中的应用研究》，XXX，XXX出版社，2008年。
2. 《磁性材料的电学性质研究》，XXX，XXX出版社，2010年。
八、致谢。
在此，特别感谢实验指导老师对本实验的指导与帮助，以及实验室同学们的配合与支持。
以上为本次巨磁阻效应实验的报告内容，谢谢阅读。
巨磁电阻效应
巨磁电阻效应巨磁电阻效应是一种材料的特殊电学性质，它在磁场的作用下，导致材料电阻发生变化。
这种效应最早于1857年被法国物理学家埃米尔·埃德蒙·皮卡尔发现，并在20世纪80年代得到了进一步的研究和应用。
一、巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应的原理主要基于磁电阻效应和自旋极化效应。
当电流通过材料时，自由电子会受到周围磁场的影响而发生偏转。
当磁场垂直于电流方向时，自由电子的自旋方向和运动方向会发生关联，这也被称为自旋阻尼。
在自旋阻尼的作用下，自由电子的速度和自旋方向会发生变化，导致电子在材料中碰到来自其他自由电子的阻力。
这种阻力会导致材料电阻的增加，从而出现巨磁电阻效应。
二、巨磁电阻效应的应用1. 磁存储技术巨磁电阻效应被广泛应用于磁存储器中，例如硬盘驱动器和磁存储芯片。
在磁存储器中，巨磁电阻效应可以使得读取电路能够更加准确地检测到磁场的变化，从而实现数据的读取和写入。
2. 磁传感器由于巨磁电阻效应的敏感性和可控性，它在磁传感器领域得到了广泛的应用。
磁传感器利用巨磁电阻效应可以测量磁场的强度和方向，广泛应用于导航、车辆安全和医疗设备等领域。
3. 电子设备巨磁电阻效应还被应用于电子设备中，例如磁传感器、扬声器和微波器件等。
这些设备利用巨磁电阻效应可以实现电阻的调节和信号的处理。
三、巨磁电阻效应的优势和展望与传统电阻相比，巨磁电阻效应有以下几个优势：1. 效应大：巨磁电阻效应的变化幅度可达到几十倍甚至上百倍。
2. 快速响应：巨磁电阻效应的响应速度可以达到纳秒级别。
3. 高稳定性：巨磁电阻效应是一种内禀的性质，不受温度和时间的影响。
随着科技的不断进步和应用场景的拓宽，巨磁电阻效应在各个领域都有很大的发展潜力。
未来，随着材料科学和纳米技术的进一步发展，相信巨磁电阻效应将有更加广泛的应用，为人们的生活带来更多便利和创新。
巨磁电阻材料的性质和应用研究现状
“硬磁性层” “分隔层” “软磁性层”
第二类自旋阀示意图
自旋阀旳优点与缺陷
优点：磁电阻变化率∆R/R对外磁场旳响应呈线性关系，频 率特征好；低饱和场，工作磁场小；与AMR相比，电阻随 磁场变化迅速，因而操作磁通小，敏捷度高；利用层间转 动磁化过程能有效地克制Barkhausen噪声，信噪比高。
缺陷：自旋阀多层膜旳磁电阻变化量并不大，同步目前面 临旳最大问题是它旳抗腐蚀和热稳定性都不太好。
“钉扎层” “被钉扎层”
“分隔层” “自由层”
第一类自旋阀示意图
实例分析：
Ta FeMn（7nm） NiFe（4.5） Cu（2.2nm） NiFe（6nm）
NiFe（6nm）/Cu（2.2nm）/NiFe（4.5） /FeMn（7nm）自旋阀示意图
在磁场强度等于NiFe（6nm）层旳反向矫顽力旳外场作 用下， NiFe（6nm）层中旳磁化矢量首先翻转，这时， 在两个NiFe层中旳磁化矢量成反平行排列，这就形成 了电子自旋有关散射旳高电阻态。假如磁场在反方向上 继续增长，当磁场强度到达某一临界值时， NiFe （4nm）层也转向磁场方向，这就形成了电子自旋有关 旳低电阻态。
就目前研究热点旳几类GMR材料, 能够说是各有 特点。
已发觉具有GMR效应旳材料主要有多层膜、自旋 阀、纳米颗粒膜、磁性隧道结、非连续多层膜、 氧化物陶瓷、熔淬薄带等。
多层膜
多种铁磁层（Fe、Ni、Co及其合金）和非磁层（涉 及3d、4d、以及5d非磁金属）交替生长而构成旳磁性多 层膜，大多都具有GRM效应，其中尤以多晶（Co/Cu） 多层膜旳磁电阻效应最为突出。室温、1T磁场下GMR 值为70%，远不小于多晶（Fe/Cr）。
自旋阀旳磁化曲线（a）和磁电阻曲线（b）
第二类自旋阀示意图
自旋阀旳优点与缺陷
优点：磁电阻变化率∆R/R对外磁场旳响应呈线性关系，频 率特征好；低饱和场，工作磁场小；与AMR相比，电阻随 磁场变化迅速，因而操作磁通小，敏捷度高；利用层间转 动磁化过程能有效地克制Barkhausen噪声，信噪比高。
缺陷：自旋阀多层膜旳磁电阻变化量并不大，同步目前面 临旳最大问题是它旳抗腐蚀和热稳定性都不太好。
“钉扎层” “被钉扎层”
“分隔层” “自由层”
第一类自旋阀示意图
实例分析：
Ta FeMn（7nm） NiFe（4.5） Cu（2.2nm） NiFe（6nm）
NiFe（6nm）/Cu（2.2nm）/NiFe（4.5） /FeMn（7nm）自旋阀示意图
在磁场强度等于NiFe（6nm）层旳反向矫顽力旳外场作 用下， NiFe（6nm）层中旳磁化矢量首先翻转，这时， 在两个NiFe层中旳磁化矢量成反平行排列，这就形成 了电子自旋有关散射旳高电阻态。假如磁场在反方向上 继续增长，当磁场强度到达某一临界值时， NiFe （4nm）层也转向磁场方向，这就形成了电子自旋有关 旳低电阻态。
就目前研究热点旳几类GMR材料, 能够说是各有 特点。
已发觉具有GMR效应旳材料主要有多层膜、自旋 阀、纳米颗粒膜、磁性隧道结、非连续多层膜、 氧化物陶瓷、熔淬薄带等。
多层膜
多种铁磁层（Fe、Ni、Co及其合金）和非磁层（涉 及3d、4d、以及5d非磁金属）交替生长而构成旳磁性多 层膜，大多都具有GRM效应，其中尤以多晶（Co/Cu） 多层膜旳磁电阻效应最为突出。室温、1T磁场下GMR 值为70%，远不小于多晶（Fe/Cr）。
自旋阀旳磁化曲线（a）和磁电阻曲线（b）
巨磁阻效应原理
巨磁阻效应原理
巨磁阻效应是指在外加磁场作用下，磁电阻材料的电阻发生显
著变化的现象。
巨磁阻效应的发现，不仅在基础物理研究中具有重
要意义，而且在传感器、存储器、磁场测量等领域有着广泛的应用。
本文将着重介绍巨磁阻效应的原理及其在实际应用中的意义。
首先，我们来了解一下巨磁阻效应的基本原理。
巨磁阻效应是
由磁电阻材料的磁性微结构引起的。
在磁电阻材料中，存在着由磁
性和非磁性层交替排列形成的磁性微结构。
当外加磁场作用于这些
磁性微结构时，磁性层的磁矩会发生重新排列，从而导致了材料整
体电阻的变化。
这种磁矩重排所导致的电阻变化就是巨磁阻效应。
接下来，我们将讨论巨磁阻效应在实际应用中的意义。
由于巨
磁阻效应具有灵敏度高、响应速度快、能耗低等优点，因此在传感
器领域有着广泛的应用。
例如，利用巨磁阻效应制成的磁场传感器
可以用于测量地磁场、电流、位移等物理量，具有精度高、抗干扰
能力强的特点。
此外，巨磁阻效应还被应用于磁存储器领域。
利用
巨磁阻效应制成的磁阻随机存储器具有存储密度高、读写速度快的
特点，可以用于制造高性能的磁存储器。
除此之外，巨磁阻效应还
在磁场测量、磁导航等领域有着重要的应用价值。
总结一下，巨磁阻效应是一种重要的磁性现象，其原理是由磁
性微结构的磁矩重排所导致的电阻变化。
巨磁阻效应具有灵敏度高、响应速度快、能耗低等优点，在传感器、存储器、磁场测量等领域
有着广泛的应用前景。
相信随着科学技术的不断发展，巨磁阻效应
将会在更多领域展现出其重要的作用。
巨磁电阻效应的原理及应用
巨磁电阻效应的原理及应用1. 巨磁电阻效应的介绍巨磁电阻效应（Giant Magnetoresistance，GMR）是一种描述材料电阻随外加磁场变化的现象。
GMR的发现被认为是短距离存储技术的突破，对磁敏感材料和磁传感器的发展具有重要意义。
2. 巨磁电阻效应的原理巨磁电阻效应的产生与磁性多层膜结构中存在的顺磁性层和铁磁性层之间的相互作用有关。
当外加磁场改变时，磁性多层膜中的磁性层会发生磁矩的重排和旋转，从而导致电子的自旋定向与电子传输方向的关系发生变化。
这种变化会导致电阻的变化，即巨磁电阻效应的产生。
3. 巨磁电阻效应的应用巨磁电阻效应的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：3.1 磁存储器巨磁电阻效应在磁存储领域发挥着重要作用。
由于巨磁电阻效应的出现，磁存储器的读写速度得到了显著提高。
传统磁存储器需要通过读写头的接触来读取数据，而采用巨磁电阻效应材料制成的磁存储器只需通过测量电阻值的变化来完成数据读取，大大提高了读取速度和数据存取密度。
3.2 磁传感器巨磁电阻效应材料常常被用于制作磁传感器。
巨磁电阻效应材料的电阻值随外加磁场的变化而变化，因此可以利用巨磁电阻效应材料制成的传感器来测量磁场的强度和方向。
磁传感器在航空航天、交通运输、医疗设备等领域中得到了广泛应用。
3.3 磁电阻随机存取存储器（MRAM）巨磁电阻效应也被应用于磁电阻随机存取存储器（Magnetoresistive Random Access Memory，MRAM）的制造。
MRAM是一种新型的非易失性存储器，兼具闪存和DRAM的优点。
相比传统存储器技术，MRAM具有读取速度快、功耗低、抗辐射等优势。
3.4 理论研究与材料改进巨磁电阻效应的研究也对材料科学领域有着重要意义。
科学家们通过对巨磁电阻效应的原理和机制的研究，不断改进巨磁电阻材料的性能和稳定性，以实现更高的电阻变化率和更佳的传感特性。
4. 结论巨磁电阻效应作为一种重要的磁电效应，具有广泛的应用前景。
巨磁阻效应的原理及应用
巨磁阻效应的原理及应用1. 引言巨磁阻效应（Giant Magneto Resistance，简称GMR）是一种材料特性，是指在外加磁场下，材料电阻发生大幅度变化的现象。
由于其在信息存储、传感器等领域具有广泛的应用，因此对其原理及应用进行深入研究和了解具有重要意义。
2. 巨磁阻效应的原理巨磁阻效应源于磁性多层结构材料中的自旋阻尼效应和磁性交换效应。
当多层结构材料中的两个磁性层之间被非磁性层隔开时，自旋极化电流通过这些层会引起阻尼之间的传递，导致电阻发生变化。
巨磁阻效应的原理可以用以下几点进行解释：•磁性多层结构：采用多层薄膜结构，其中包含不同磁性层和非磁性层。
•自旋极化电流：施加自旋极化电流时，电子的自旋会对电子传输产生影响。
•自旋阻尼效应：自旋极化电流通过磁性层时，会与该层磁矩发生相互作用，引起自旋的阻尼。
•磁性交换效应：自旋极化电流引起的自旋阻尼会与相邻磁性层之间的磁性交换作用产生耦合，导致电阻变化。
3. 巨磁阻效应的应用3.1 磁存储器巨磁阻效应在磁存储器中有广泛应用。
磁存储器利用外加磁场的变化，改变磁性多层结构材料中的电阻，从而存储和读取信息。
巨磁阻效应的高灵敏度和可控性，使得磁存储器具有更高的容量和更快的速度。
3.2 磁传感器巨磁阻效应也可以应用于磁传感器中。
磁传感器利用材料的电阻变化来感应磁场的变化。
巨磁阻传感器具有高灵敏度、宽工作范围和低功耗的特点，广泛应用于磁测量、地磁导航和磁生物学等领域。
3.3 磁电阻头巨磁阻效应还可以用于磁电阻头的制造。
磁电阻头是读取硬盘驱动器中存储信息的装置，利用材料电阻的变化来感知磁场中的数据。
巨磁阻效应的高灵敏度和稳定性，使得其在磁电阻头中有广泛的应用。
3.4 其他应用领域除了上述应用领域，巨磁阻效应还可应用于磁生物学、磁传导等领域。
例如，巨磁阻效应可以用于生物传感器中，实现对生物磁场的检测和分析。
此外，巨磁阻效应还可以用于磁传导器件中，实现磁传导的控制和调节。
磁性材料及巨磁电阻效应简介
磁性材料及巨磁电阻效应简介物理系隋淞印学号 SC11002094引言磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料，人们对物质磁性的认识源远流长。
磁性材料的进展大致上分几个历史阶段：当人类进入铁器时代，除表征生产力的进步外，还意味着金属磁性材料的开端，直到l8世纪金属镍、钴相继被提炼成功，这一漫长的历史时期是3d过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段；20世纪初期(1900-1932)，FeSi、FeNi、FeCoNi磁性合金人工制备成功，并广泛地应用于电力工业、电机工业等行业，成为3d过渡族金属磁性材料的鼎盛时期，从此以后，电与磁开始了不解之缘；20世纪后期，从50年代开始，3d过渡族的磁性氧化物(铁氧体)逐步进入生产旺期，由于铁氧体具有高电阻率，高频损耗低，从而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料，标志着磁性材料进入到铁氧体的历史阶段；1967年，SmCo合金问世，这是磁性材料进入稀土—3d过渡族化合物领域的历史性开端。
1983年，高磁能积的钕铁硼(Nd—FeB)稀土永磁材料研制成功。
现已誉为当代永磁王。
TbFe巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更丰富了稀土一3d过渡族化合物磁性材料的内涵。
1972年的非晶磁性材料与1988年的纳米微晶材料的呈现，更添磁性材料新风采。
1988年，磁电阻效应的发现揭开了自旋电子学的序幕。
因此从20世纪后期延续至今，磁性材料进入了前所未有的兴旺发达时期，并融入到信息行业，成为信息时代重要的基础性材料之一。
磁性材料的分类磁性材料应用十分广泛，品种繁多，存在以下多种分类方式。
按物理性质分类：(1)按静磁特性：即根据静态磁滞回线上的参量，如矫顽力、剩磁等来确定磁性材料的类型。
例如：永磁属高矫顽力一类磁性材料；软磁属低矫顽力的一类磁性材料；矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料；磁记录介质属于中等矫顽力，同时，具有高剩磁的一类磁性材料，而磁头却要求低矫顽力、高饱和磁化强度。
巨磁电阻原理
巨磁电阻原理巨磁电阻效应是指在外加磁场的作用下，材料的电阻发生变化的现象。
这一效应是由于磁性材料中自旋磁矩的定向受到外磁场的影响而引起的。
巨磁电阻效应在磁存储、传感器、磁电阻头等领域具有重要应用价值。
巨磁电阻效应的原理可以通过以下几个方面来解释：首先，当外加磁场作用于磁性材料时，磁性材料中的自旋磁矩会发生定向，导致材料的电子运动轨道发生变化。
这种变化会影响材料的电子输运性质，进而改变材料的电阻。
其次，巨磁电阻效应还与磁性材料中的磁畴结构有关。
磁畴是指在磁性材料中具有一定方向的微观磁矩区域。
在无外磁场作用时，磁性材料中的磁畴呈现出随机分布的状态，导致材料的电阻较大。
而在外加磁场作用下，磁畴会发生重新排列，使得磁性材料的电阻发生变化。
最后，巨磁电阻效应还与自旋极化有关。
自旋极化是指在磁性材料中，电子的自旋方向会受到外磁场的影响而发生变化。
这种自旋极化会影响材料的电子输运性质，从而改变材料的电阻。
总的来说，巨磁电阻效应是由外磁场对磁性材料中的自旋磁矩、磁畴结构和自旋极化等方面的影响而产生的。
利用这一效应，可以设计出各种应用于磁存储、传感器等领域的巨磁电阻器件，为现代电子技术的发展提供了重要的支持。
在实际应用中，巨磁电阻效应的研究和应用具有重要的意义。
通过对巨磁电阻效应的深入理解，可以设计出更加高效、稳定的巨磁电阻器件，为磁存储、磁传感器等领域的发展提供更多可能性。
同时，巨磁电阻效应的研究也有助于深入理解磁性材料的电子输运性质，为材料科学的发展做出贡献。
综上所述，巨磁电阻效应是一种重要的磁电效应，其原理涉及磁性材料中的自旋磁矩、磁畴结构和自旋极化等方面。
通过对这些方面的研究，可以设计出各种高效、稳定的巨磁电阻器件，为现代电子技术的发展提供重要支持。
巨磁电阻效应的研究和应用具有重要的意义，对于推动磁存储、传感器等领域的发展具有重要的推动作用。
巨磁阻跟巨磁效应
巨磁阻又称特大磁电阻，即GMR （Giant Magneto Resistive），比AMR技术磁头灵敏度高2倍以上，GMR磁头是由4层导电材料和磁性材料薄膜构成的：一个传感层、一个非导电中介层、一个磁性的栓层和一个交换层。
巨磁阻的简介•巨磁阻前3个层控制着磁头的电阻。
在栓层中，磁场强度是固定的，并且磁场方向被相临的交换层所保持。
而且自由层的磁场强度和方向则是随着转到磁头下面的磁盘表面的微小磁化区所改变的，这种磁场强度和方向的变化导致明显的磁头电阻变化，在一个固定的信号电压下面，就可以拾取供硬盘电路处理的信号。
巨磁阻磁头GMR磁头与MR磁头一样，是利用特殊材料的电阻值随磁场变化的原理来读取盘片上的数据，但是GMR磁头使用了磁阻效应更好的材料和多层薄膜结构，比MR磁头更为敏感，相同的磁场变化能引起更大的电阻值变化，从而可以实现更高的存储密度，现有的MR磁头能够达到的盘片密度为3Gbit－5Gbit/in2（千兆位每平方英寸），而GMR磁头可以达到10Gbit－40Gbit/in2以上。
目前GMR磁头已经处于成熟推广期，在今后它将会逐步取代MR磁头，成为最流行的磁头技术。
•瑞典皇家科学院2007年10月9日宣布，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔共同获得2007年诺贝尔物理学奖。
这两名科学家获奖的原因是先后独立发现了“巨磁电阻”（Giant MagnetoResistance，GMR）效应。
所谓“巨磁电阻”效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。
根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。
•1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。
那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive，GMR）。
巨磁电阻效应
巨磁电阻效应材料
巨磁电阻效应材料
1.什么是巨磁阻效应?
2.它是怎样发现的? 3.产生这种效应的物理机制是什么? 4.在应用方面有哪些意义和前景?
巨磁读出磁头
位移传感器
巨磁电阻生物传感器 巨磁电阻转速传感器
巨磁阻效应的发展史
1857 年，英国开尔文勋爵通过实验发现了铁 磁材料在磁场中电阻改变的磁电阻效应。
磁电阻效应
指某些铁磁性材料在受到外加磁场作用时引起电阻变化的现象。不 论磁场与电流方向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应，前者(平行 )称为纵磁场效应，后者(垂直)称为横磁场效应。
表征磁电阻大小的物理量为磁阻比（MR）：
ρH—磁场下的电阻率，ρ0—零磁场下的电阻率
巨磁电阻效应
巨磁阻效应(GMR)：指在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中，电阻
外加饱和磁场
当外加于颗粒膜的磁场为零时，颗粒膜的磁化强度为零，各铁磁颗粒的磁 化方向混乱排列，传导电子受到最大的散射作用，样品处于大电阻状态；当外 磁场增加时，颗粒膜存在一定的磁化强度，各铁磁颗粒的磁化方向趋于外磁场 方向，传导电子所受散射小，样品电阻降低。
影响GMR效应的因素
1.颗粒尺寸D0
存在一个平均颗粒尺寸，一般几十纳米，所测得的磁电阻值最大。
硬磁性层 分隔层
软磁性层
自旋阀两种方式
自旋阀的优缺点
优点 ：磁电阻变化率 ∆R/R对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；
低饱和场，工作磁场小；电阻随磁场变化迅速，灵敏度高等；
缺点 ：自旋阀多层膜的磁电阻变化量并不大，同时现在面临的最大问
题就是它的抗腐蚀和热稳定性都不太好。
纳米颗粒结构的GMR效应
多层膜
多层膜示意图
磁性层和非磁性层交替生长构成磁性多层膜，制备多层膜方法： 溅射，蒸发和分子数外延法。
巨磁电阻效应材料
1.什么是巨磁阻效应?
2.它是怎样发现的? 3.产生这种效应的物理机制是什么? 4.在应用方面有哪些意义和前景?
巨磁读出磁头
位移传感器
巨磁电阻生物传感器 巨磁电阻转速传感器
巨磁阻效应的发展史
1857 年，英国开尔文勋爵通过实验发现了铁 磁材料在磁场中电阻改变的磁电阻效应。
磁电阻效应
指某些铁磁性材料在受到外加磁场作用时引起电阻变化的现象。不 论磁场与电流方向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应，前者(平行 )称为纵磁场效应，后者(垂直)称为横磁场效应。
表征磁电阻大小的物理量为磁阻比（MR）：
ρH—磁场下的电阻率，ρ0—零磁场下的电阻率
巨磁电阻效应
巨磁阻效应(GMR)：指在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中，电阻
外加饱和磁场
当外加于颗粒膜的磁场为零时，颗粒膜的磁化强度为零，各铁磁颗粒的磁 化方向混乱排列，传导电子受到最大的散射作用，样品处于大电阻状态；当外 磁场增加时，颗粒膜存在一定的磁化强度，各铁磁颗粒的磁化方向趋于外磁场 方向，传导电子所受散射小，样品电阻降低。
影响GMR效应的因素
1.颗粒尺寸D0
存在一个平均颗粒尺寸，一般几十纳米，所测得的磁电阻值最大。
硬磁性层 分隔层
软磁性层
自旋阀两种方式
自旋阀的优缺点
优点 ：磁电阻变化率 ∆R/R对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；
低饱和场，工作磁场小；电阻随磁场变化迅速，灵敏度高等；
缺点 ：自旋阀多层膜的磁电阻变化量并不大，同时现在面临的最大问
题就是它的抗腐蚀和热稳定性都不太好。
纳米颗粒结构的GMR效应
多层膜
多层膜示意图
磁性层和非磁性层交替生长构成磁性多层膜，制备多层膜方法： 溅射，蒸发和分子数外延法。
巨磁电阻效应实验报告
巨磁电阻效应实验报告巨磁电阻效应实验报告引言巨磁电阻效应是指当磁场作用于磁性材料时，其电阻发生变化的现象。
这一效应的发现引起了科学界的广泛关注，并在实际应用中具有重要意义。
本文将对巨磁电阻效应进行实验研究，并对实验结果进行分析和讨论。
实验目的本实验的目的是通过测量不同磁场下磁性材料的电阻变化，验证巨磁电阻效应的存在，并探究其相关特性。
实验原理巨磁电阻效应是由磁性材料中的磁矩在外加磁场下重新排列引起的。
当磁场作用于磁性材料时，磁矩会发生定向排列，从而改变了电子的运动状态，导致电阻发生变化。
实验装置本实验使用了一台恒流源、一块磁性材料样品、一台万用表和一台电磁铁。
恒流源用于提供稳定的电流，万用表用于测量电阻，电磁铁则用于产生不同的磁场。
实验步骤1. 将电磁铁放置在实验台上，使其与磁性材料样品保持一定的距离。
2. 将磁性材料样品连接到恒流源和万用表上，确保电路连接正确。
3. 打开电磁铁，调节电流大小，使得电磁铁产生不同的磁场强度。
4. 在每个磁场强度下，记录万用表上的电阻数值。
5. 重复步骤3和步骤4，直到测量完所有磁场强度下的电阻数值。
实验结果根据实验数据，我们可以绘制出磁场强度与电阻之间的关系曲线。
实验结果显示，在磁场强度增加时，电阻呈现出明显的变化。
当磁场强度较小时，电阻变化较小；而当磁场强度增加到一定程度时，电阻的变化趋势逐渐加剧。
实验讨论巨磁电阻效应的存在可以通过实验结果得到验证。
当磁场作用于磁性材料时，磁矩会重新排列，导致电子的运动受到限制，从而使电阻发生变化。
这一现象在实验中得到了直接观察和测量。
此外，实验结果还表明，巨磁电阻效应的强度与磁场强度呈正相关关系。
随着磁场强度的增加，电阻的变化趋势逐渐加剧，这可能是由于磁矩重新排列所导致的电子运动受限程度加大。
结论通过本实验，我们验证了巨磁电阻效应的存在，并对其特性进行了初步探究。
实验结果显示，磁场强度对磁性材料的电阻变化具有显著影响，磁场强度越大，电阻的变化趋势越明显。
巨磁电阻
产生材料
哪些材料能够产生巨磁电阻效应 1,在掺杂钙钛矿型锰氧化物 R1-xAxMnO3 中发现巨磁电阻（GMR）， 其中 1989 年 在掺杂钙钛矿型锰氧化物 R1-xAxMnO3（其中 A 为二价碱土金属离子，如 Ca2+、Sr2+、 Ba2+等，R 为三价稀土金属离子，如 La3+、Pr3+、Tb3+、Sm3+等）中发现巨磁电阻（GMR）， 由于其在磁记录、磁传感器等方面潜在的应用前景，以及金属-绝缘体相变等所涉及的强关 联效应，使该类化合物吸引了物理学界的广泛注意。2,钙钛矿型锰氧化物 La1-xCaxMnO3 具有较大的磁热效应七十年代末至八十年代初，人们在半导体材料以及顺磁材料中发现了由 量子相干效应（由于无序而加强的载流子库仑相互作用）导致的正磁电阻，并建立了一套基 于无序的理论来解释所观察到的实验现象。去年, Manyala 在 Fe1-XCoXSi 中首次观察到铁 磁材料中的由量子相干效应导致的正磁电阻。另一方面，人们又在 1997 年首次发现钙钛矿 型锰氧化物 La1-xCaxMnO3 具有较大的磁热效应后[40,41]，钙钛矿型锰氧化物的磁热效应 引起了人们的注意。3,La07Pb03MnO3 单晶样品的由量子相干效应导致的正磁电阻效应、 A05Sr05MnO3 (A= Pr, Nd) 的巨磁热效应、多晶锌铁氧体和多晶 NiXFe1-XS 的巨磁电阻效 应
在多层膜巨磁电阻结构中，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。
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。
哪些材料能够产生巨磁电阻效应 1,在掺杂钙钛矿型锰氧化物 R1-xAxMnO3 中发现巨磁电阻（GMR）， 其中 1989 年 在掺杂钙钛矿型锰氧化物 R1-xAxMnO3（其中 A 为二价碱土金属离子，如 Ca2+、Sr2+、 Ba2+等，R 为三价稀土金属离子，如 La3+、Pr3+、Tb3+、Sm3+等）中发现巨磁电阻（GMR）， 由于其在磁记录、磁传感器等方面潜在的应用前景，以及金属-绝缘体相变等所涉及的强关 联效应，使该类化合物吸引了物理学界的广泛注意。2,钙钛矿型锰氧化物 La1-xCaxMnO3 具有较大的磁热效应七十年代末至八十年代初，人们在半导体材料以及顺磁材料中发现了由 量子相干效应（由于无序而加强的载流子库仑相互作用）导致的正磁电阻，并建立了一套基 于无序的理论来解释所观察到的实验现象。去年, Manyala 在 Fe1-XCoXSi 中首次观察到铁 磁材料中的由量子相干效应导致的正磁电阻。另一方面，人们又在 1997 年首次发现钙钛矿 型锰氧化物 La1-xCaxMnO3 具有较大的磁热效应后[40,41]，钙钛矿型锰氧化物的磁热效应 引起了人们的注意。3,La07Pb03MnO3 单晶样品的由量子相干效应导致的正磁电阻效应、 A05Sr05MnO3 (A= Pr, Nd) 的巨磁热效应、多晶锌铁氧体和多晶 NiXFe1-XS 的巨磁电阻效 应
在多层膜巨磁电阻结构中，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。
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。
巨磁电阻结构组成的特点
巨磁电阻结构组成的特点
巨磁电阻结构作为一种电子元器件，具有以下特点：
1. 巨磁电阻效应
巨磁电阻结构最显著的特点就是能够产生巨磁电阻效应。
巨磁电阻效
应是一种磁场效应，即在磁场作用下，巨磁电阻结构的电阻值会随着
磁场的变化而发生相应变化。
这种变化可以达到几倍到几百倍的程度，因此具有很高的灵敏度。
2. 组成结构
巨磁电阻结构主要由两个磁性层夹带一个非磁性层组成。
这种结构形
成了一个磁隧穿效应，当磁性层的磁矩方向发生变化时，导致非磁性
层电子的自旋方向发生改变，进而引起巨磁电阻效应的变化。
3. 可调性强
由于巨磁电阻效应的特性，巨磁电阻结构可以实现强度和方向可调的
磁场检测。
因此，在磁场传感器以及磁记忆器等领域具有广泛的应用
前景。
4. 工艺复杂
巨磁电阻结构的制造工艺比较复杂，需要合理的磁性材料选择和复杂
的微纳加工工艺。
同时，巨磁电阻结构的稳定性也较难保证，因此其
可靠性和稳定性方面的研究也是目前研究的重点。
综上所述，巨磁电阻结构是一种具有特殊巨磁电阻效应的磁性材料，
在磁场传感器、磁记忆器等领域有着广泛应用，但其制造工艺较为复杂，需要考虑其可靠性和稳定性问题。
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磁性材料及巨磁电阻效应简介物理系隋淞印学号SC11002094引言磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料, 人们对物质磁性的认识源远流长。
磁性材料的进展大致上分几个历史阶段:当人类进入铁器时代, 除表征生产力的进步外,还意味着金属磁性材料的开端，直到18世纪金属镍、钻相继被提炼成功, 这一漫长的历史时期是3d 过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段; 20世纪初期(1900-1932, FeSi、FeNi 、FeCoNi 磁性合金人工制备成功,并广泛地应用于电力工业、电机工业等行业, 成为3d 过渡族金属磁性材料的鼎盛时期, 从此以后, 电与磁开始了不解之缘; 20世纪后期, 从50年代开始, 3d 过渡族的磁性氧化物(铁氧体逐步进入生产旺期, 由于铁氧体具有高电阻率, 高频损耗低, 从而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料, 标志着磁性材料进入到铁氧体的历史阶段; 1967年, SmCo 合金问世, 这是磁性材料进入稀土—3d 过渡族化合物领域的历史性开端。
1983年,高磁能积的钕铁硼(Nd—FeB 稀土永磁材料研制成功。
现已誉为当代永磁王。
TbFe 巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更丰富了稀土一3d 过渡族化合物磁性材料的内涵。
1972年的非晶磁性材料与1988年的纳米微晶材料的呈现, 更添磁性材料新风采。
1988年, 磁电阻效应的发现揭开了自旋电子学的序幕。
因此从20世纪后期延续至今, 磁性材料进入了前所未有的兴旺发达时期, 并融入到信息行业, 成为信息时代重要的基础性材料之一。
磁性材料的分类磁性材料应用十分广泛, 品种繁多, 存在以下多种分类方式。
按物理性质分类:(1按静磁特性:即根据静态磁滞回线上的参量,如矫顽力、剩磁等来确定磁性材料的类型。
例如:永磁属高矫顽力一类磁性材料; 软磁属低矫顽力的一类磁性材料; 矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料; 磁记录介质属于中等矫顽力, 同时, 具有高剩磁的一类磁性材料, 而磁头却要求低矫顽力、高饱和磁化强度。
(2 按交叉耦合效应:分为磁光、磁热、磁致收缩、旋磁、吸波材料。
按反常霍尔效应:分为铁电、铁磁、巨磁阻抗材料等。
(3 按与自旋相关的输运性质:有自旋电子学材料。
按化学组成分类:可分为金属(合金、无机(氧化物、有机化合物以及其复合磁性材料。
按维度分类:可分为纳米(零维、一维、二维、颗粒膜、非晶、纳米微晶、块体磁性材料。
按磁有序结构分类:可分为铁磁、亚铁磁、反铁磁、超顺磁材料。
按应用分类:可分为永磁、软磁、磁记录、旋磁、磁致收缩、磁传感器、隐身、磁制冷等材料。
巨磁电阻效应(GMR磁电阻效应(Magnetoresistanee, MR是指材料在外磁场下电阻发生改变的物理现象。
150年前T.Thomson 首次发现,常规的铁磁材料,如铁、钴、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(Anisotropie Magnetoresistanee , AMR。
现在, 已经知道AMR 效应源于电子的自旋一轨道耦合作用,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。
1956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 Gb /in 2。
在1988年之前,人们通常认为磁电阻效应很难再在Thomson 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Albert Fert 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Albert Fert 和德国科学家Peter Grunberg。
禾U用材料的巨磁电阻效应，研制出了新一类磁电阻传感器一GMR 传感器。
与传统的磁阻传感器相比, GMR 传感器具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小等优点,有广泛的应用前景。
巨磁电阻效应是在由铁磁和非磁金属材料重复堆叠而成的磁性多层膜中发现的，其中每一层的厚度只有几个原子层。
Albert Fert和Peter Grunberg不仅在实验中观察到了很强的磁电阻效应, 更重要的是他们还把这种现象归因为一种全新的物理机制,是与已知的各向异性磁电阻效应完全不同的物理机制。
Fert 在他的原文章题目中就已经将这种效应命名为“巨磁电阻效应”后, 来这一名称一直被人们沿用。
Grunberg 还意识到这种效应在技术应用中的可能性, 申请了专禾。
实际上, 在他们两个研究组发现巨磁电阻效应之前, 就已经有一些研究组研究类似体系的磁电阻效应。
但是, 他们都没有敏锐的认识到这类磁电阻效应是由于一种新的物理机理产生或是一种新的效应。
因此, 这些研究成果没有被公认为巨磁电阻效应的发现,也就非常遗憾的与诺贝尔奖失之交臂。
从巨磁电阻效应的发现开始,对磁性薄膜的研究完全转入了磁电子学的研究。
仅仅6年之后，1994年IBM的科学家Stuart Parkin根据这一物理原理，研制出灵敏度很高的硬盘读出磁头,将硬盘存储密度一下子提高了17倍。
3年之后, IBM 就推出了基于巨磁电阻效应的商业化的硬盘产品。
在接下来的20年里，硬盘容量迅速提高，单位存储成本大大降低。
现在，几百Gb 的硬盘已经被配置到大多数的电脑里。
2004年，希捷公司在硬盘读出头中开始采用隧道磁电阻效应。
这是在巨磁电阻效应的基础上发展起来的新技术，具有更大的磁电阻效应。
每一次新的技术的引进都导致硬盘存储密度的大幅度提高，巨磁电阻效应的发现和应用使得硬盘技术发生了革命性的变化，促成了上百亿美元的产业。
巨磁电阻效应的发现打开了新的科学和技术的大门，特别是对数据存储和磁传感器产生了巨大影响。
巨磁电阻效应的发现及其应用，是一个科学新发现带来全新技术和商业产品的很好示例。
巨磁电阻效应的应用及展望巨磁电阻效应从被发现至今, 已经有了很广泛的应用, 在这里我们简单介绍GMR 效应在以下三个方面的应用。
巨磁电阻传感器传统磁电阻传感器主要有半导体(InSb 及软磁合金两种。
半导体磁电阻元件具有MR 大及线性度好的优点, 但所需磁场较高, 温度稳定性较差; 软磁合金薄膜元件饱和场低, 故低场灵敏度高, 但其MR 数值不高GMR 元件具有巨大的GMR 值和较大的磁场灵敏度等特点, 用来替代传统磁电阻传感器, 可大大提高传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标。
特别是在微弱磁场的传感方面。
则显示出了更大的优越性。
采用GMR 材料制作磁性旋转编码器,除具有灵敏度高、准确性好的特点外, 还具有耐高温、耐腐蚀等恶劣环境的能力, 可替代耐恶劣环境能力差的光电式编码器。
而广泛用于汽车电子技术、机电一体化控制等领域的位移、速度、加速度、角度、转速传感器。
IBM 公司的Parker 等对基于NiFe /Ag 的各种类型多层膜GMR 的性能及优缺点进行了广泛的研究和综合比较, 对于开发GMR 传感器具有积极的指导作用。
高密度和超高密度磁记录读磁头传统电磁感应式磁头, 在读取高密度磁记录信息时, 信噪比已不能满足要求, 因为此时对应于每个记录位的磁通量是微弱的如果采用薄膜磁电阻磁头读取信息, 磁场的微弱变化对应着磁电阻的显著变化, 是读取高密度磁记录信息较理想的手段。
但普通薄膜磁电阻磁头的各向异性磁电阻(AMR 最大不超过6%,磁电阻变化的磁场灵敏度最大约为0. 4%/Oe ,所需外场约400A /m 。
这些特性使得普通薄膜磁电阻磁头,如NiFe 合金薄膜所能实现的磁记录信息的密度仍受到一定的限制,迄今所获得的最高水平为3Gb /in 2。
而巨磁电阻薄膜的GMR在室温下可达10%~30%,磁场灵敏度可达1~8%/Oe 。
因而在超高密度磁记录读磁头上极具竞争力。
1994年IBM 公司宣布首次利用GMR 多层膜研制成计算机硬盘读出磁头, 可使磁盘系统的记录密度达到10Gb /in 2,超过现有光盘记录密度。
GMR 随机存储器(MRAM目前计算机RAM 多采用si 集成电路组成的易丢失性的动态及静态随机存储器(DRAM及SRAM , DRAM 存储量大,价格低，但速度较慢(约10 ms量级；SRAM的速度可达纳秒量级, 但存储密度稍低且价格较贵。
前几年, 利用各向异性磁电阻开发出了不易丢失性的磁电阻存储器(MRAM, 它具有非破坏性读出信息和耐辐射等特点。
但在存储量和存储速度等方面却无法与DRAM 相比巨磁电阻效应的发现, 给这一类磁电子器件带来了新的曙光并使之得到高速的发展。
Pohm 和Brown 等利用GMR 在0. 9cm 2的面积上实现了l6Mhit 的MRAM 及由此在一个6in 盘片上获得了一个存储量达256Mbyte 的随机存储器。
Tang 等报导了基于自旋阀的MRAM 单元设计方案, 它采用NiFe /cu /NiFe /MnFe 自旋阀巨磁电阻多层膜作为存储单元条, 其中一层磁性层的磁性被反铁磁性的MnFe 层钉扎。
另一层则成为磁性自出层。
当单元条的宽度小于磁畴畴壁厚度(约1um 时,磁性自由层表现出单畴磁性,即它只存在两种磁化状态, 而没有任何中间态, 这样, 整个单元条的电阻也将只呈现两种状态。
因此, 这种结构的存储单元具有非常快的存储速度。
对于1um >6um单元条存储试验回路，当输入4mA电流时,可产生30mV的差值电压，亦即5mV /um ,其存储密度高于一般SRAM ;单元条的开关时间小于2ns(主要受试验回路RC 时间常数限制。
其速度高于一般DRAM , 可与一般SRAM 相比拟。
GMR 效应的发现距今只不过十几年的时间,但它无论在基础研究上,还是在应用开发上都取得了长足的进展, 充分显示出这种新型功能材料旺盛的生命力和广阔的应用背景。
另外, GMR 薄膜材料大多采用磁控溅射技术制备, 使得GMR 元件的制造既可以与半导体集成电路制造工艺相兼容, 又便于工业化批量生产。
可以预见, 在未来几十年, GMR 效应的利用将对电子工业及材料工业产生广泛而深远的影响。