什么是巨磁电阻效应_巨磁电阻效应的应用介绍

　　巨磁电阻效应是什么

所谓巨磁电阻效应是指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显著变化的现象。一般将其定义为GMR＝其中（H）为在磁场H作用下材料的电阻率（0）指无外磁场作用下材料的电阻率。由外加磁场引起的一些磁性材料的电阻巨大变化（称为巨磁电阻效应）便是磁电子学中一项重要内容。在室温下具有巨磁电阻效应的巨磁电阻材料目前已有许多种类，例如，多层膜巨磁电阻材料，颗粒型巨磁电阻材料，氧化物型巨磁电阻材料，隧道结型磁电阻材料等。

　　巨磁阻效应与层结构分析

所谓磁阻效应是指导体或半导体在磁场作用下其电阻值发生变化的现象，巨磁阻效应在1988年由彼得•格林贝格（Peter Grünberg）和艾尔伯•费尔（Albert Fert）分别独立发现，他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖。研究发现在磁性多层膜如Fe/Cr和Co/Cu中，铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分隔开来。在特定条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，这一现象称为“巨磁阻效应”。

巨磁阻效应可以用量子力学解释，每一个电子都能够自旋，电子的散射率取决于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，则电子散射率就低，穿过磁性层的电子就多，从而呈现低阻抗。反之当自旋方向和磁性材料磁化方向相反时，电子散射率高，因而穿过磁性层的电子较少，此时呈现高阻抗。

基于巨磁阻效应的 传感器其感应材料主要有三层：即参考层（Reference Layer或Pinned Layer），普通层（Normal Layer）和自由层（Free Layer）。如图1所示，参考层具有固定磁化方向，其磁化方向不会受到外界磁场方向影响。普通层为非磁性材料薄膜层，将两层磁性材料薄膜层分隔开。自由层磁场方会随着外界平行磁场方向的改变而改变。

图1 巨磁阻层结构

如图2所示，两侧蓝色层代表磁性材料薄膜层，中间橘色层代表非磁性材料薄膜层。绿色箭头代表磁性材料磁化方向，灰色箭头代表电子自旋方向，黑色箭头代表电子散射。左图表示两层磁性材料磁化方向相同，当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，因而呈现低阻抗。而右图表示两层磁性材料磁化方向相反，当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，因而呈现高阻抗。

图2 电子自旋与磁化方向示意图

接下来本文针对NVE公司型号为AA005-02的巨磁阻传感器，对其磁化状态与阻态形式进行介绍。

如图3所示，A为导电的非磁性薄膜层。在没有外加磁场的状态下，反铁磁耦合的作用使得两侧的B层中的磁矩方向处于相反的状态，此时，对流过元件的电流呈现高阻态。

图3 高阻态形式

如图4所示，当大于反铁磁耦合的磁场作用于巨磁阻元件时，自由层磁化方向对齐外部磁场方向，此时，电阻急剧下降，对外呈现低阻态。电阻下降

图4 低阻态形式

　　巨磁电阻效应的应用介绍

巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头（Read Head）。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。第一个商业化生产的数据读取探头是由IBM公司于1997年投放市场的，到目前为止，巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。

在Grünberg最初的工作中他和他领导的小组只是研究了由铁、铬（Chromium）、铁三层材料组成的样品，实验结果显示电阻下降了1.5%。而Fert及其同事则研究了由铁和铬组成的多层材料样品，使得电阻下降了50%。

阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔所发现的巨磁阻效应造就了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。单以读出磁头为例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，创下了世界记录。硬盘的容量从4GB提升到了600GB或更高。

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。

除读出磁头外，巨磁阻效应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、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中，与光电等传感器相比，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。目前，我国国内也已具备了巨磁阻基础研究和器件研制的良好基础。中国科学院物理研究所及北京大学等高校在巨磁阻多层膜、巨磁阻颗粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中国科学院计算技术研究所在磁膜随机存储器、薄膜磁头、MIG磁头的研制方面成果显着。北京科技大学在原子和纳米尺度上对低维材料的微结构表征的研究及对大磁矩膜的研究均有较高水平。

今天，移动硬盘、MP3播放器等磁盘驱动设备随处可见，每天我们都可以将这些小巧精致的科技产品放在衣袋中随身携带，随时享受它们给我们带来的便利和快乐，然而为了这一时刻的到来，伟大的公司与伟大的科学家一起，都付出了难以计算的智慧和辛劳。巨磁电阻效应的发现，让硬盘的体积不断缩小，容量却不断变大。