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[交流] 巨磁电阻效应及其应用

巨磁电阻效应及其应用

摘要:巨磁电阻效应位居当前凝聚态物理研究热点中的首位,因此得到了国内外研究人员的广泛重视。本文首先阐述巨磁电阻效应的作用机理及研究现状,进而对其应用进行综述,深入分析了巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)、传感器方面的应用，并指出其在其它方面的应用也令人瞩目,有着广阔的市场前景.
关键字：巨磁电阻效应、随机存储器、磁电阻传感器
1．引言
在当今信息时代里，信息高速公路的逐步建立和发展，促使人们不断地发掘和探索新型的功能材料，以适应高密度信息存储和快速读写的需要，磁电阻的研究正是在这种需要下应运发展起来的。在外磁场作用下材料的电阻发生变化，这种现象称之为磁电阻(Magnetoresistance，MR)效应。为了描述这种效应的大小，定义了磁电阻MR，可以表示为以下两种形式：
MR=[ΔR/R(0)×100%=[R(0)- R(H)]/ R(0)×100% (1-1)
或
MR=[ΔR/R(H)×100%=[R(0)- R(H)]/ R(H)×100% (1-2)
R(0)和R(H)分别是对应同一温度下零磁场和非零磁场作用下的电阻。金属及合金中普遍存在磁电阻效应，但磁场只能使电阻发生微小的变化。早在1857年,W.Thom son首先发现了铁磁多晶体的各向异性磁电阻(AMR,Anisotropic Magnetoresistance)效应[1]，铁磁性金属Fe、Co、Ni及其合金有较强的磁电阻效应，达到1～3%。八十年代后期，巴西的Baibich等在[Fe/Cr]多层膜中发现了高达50%的磁电阻，立即引起了人们的高度重视，由于这个结果远远超过了多层膜中Fe层MR的总和，故称这种现象为巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，GMR)效应[2]，从此揭开了巨磁电阻效应研究的序幕。巨磁阻效应已位居当前凝聚态物理研究热点中的首位,而且已经发展到室温、微弱磁场变化情况下即可观察到的程度,从而为其广泛应用打下了良好的基础。
2．巨磁电阻效应的原理
　  物质的磁电阻现象虽然在1857年就被人们发现,但是直到20世纪20年代量子力学建立后,科学家才能解释该现象的成因。因此,在巨磁电阻效应被发现后的十多年间,虽然研究人员一直没有停止对其作用机理的研究,却没有取得突破性的进展。且由于不同类型巨磁电阻材料的作用机理也不尽相同,因此在对巨磁电阻效应机理的研究方面仍然是任重而道远。
对于磁性多层膜的巨磁电阻效应,可利用二流体模型进行定性解释[3] ,如图1 所示。

      (a) 反铁磁耦合时电阻处于高阻态的输运特性


(b) 外加磁场作用下电阻处于低阻态的输运特性
(图中: R2 > R1 > R3)
图1 二流体模型的示意图
二流体模型中,铁磁金属中的电流由自旋向上和自旋向下的电子分别传输,自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的传导电子所受的散射小,因而电阻率低。当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接受周期性的强、弱散射,因而均表现为高阻态R1;当多层膜中的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到较弱的散射作用,构成了低阻通道R3,而自旋向下的传导电子则因受到强烈的散射作用形成高阻通道R2,因为有一半电子处于低阻通道,所以此时的磁性多层膜表现为低阻状态。这就是磁性多层膜巨磁电阻效应的起因。颗粒膜中的巨磁电阻效应类似于多层膜的情况,也是起源于自旋相关的杂质粒子的散射。不同之处在于颗粒膜中的巨磁电阻效应是各相同性的,其垂直磁电阻和纵向磁电阻是相同的,但在磁性多层膜中,由于退磁因子的关系,两者略有不同[4-8]。目前对颗粒膜巨磁电阻效应的理论研究还处于初级阶段,这主要因为颗粒膜是一个无序系统(铁磁颗粒的空间分布和磁化取向分布均无规律,系统缺乏对称性) ,所以更增加了理论处理的困难。磁性隧道结的磁致电阻机理与多层膜和颗粒膜的均不相同。前面已经提到,多层膜的巨磁电阻效应主要来源于铁磁/非铁磁界面和铁磁体内部的自旋相关散射过程,而磁性隧道结的巨磁电阻效应则主要来源于自旋相关的隧道过程。研究结果表明,在由两层铁磁金属和中间绝缘层构成的磁性隧道结中,巨磁电阻大小与铁磁金属层的自旋极化率有关。对其巨磁电阻效应的定性解释是:在磁性隧道结中,磁场克服两铁磁层的矫顽力就可使其磁化方向转为和磁场方向一致,此时隧道电阻最小;而当磁场减小至反方向时,矫顽力小的铁磁层首先反转,两铁磁层的磁场方向相反,隧道电阻达到极大值。文献[9]首先报道了该效应,并给出相应的计算公式,简称隧道哈密顿方法,文献[10]则利用量子力学的相关理论提出另外一种计算方法,简称隧穿方法。文献[11]对两种方法的性能进行了比较,结果如图2 所示。

图2 　两种方法的比较结果
图中:横坐标P 表示极化率;纵坐标TMR 表示磁性隧道结的电阻变化率。可见,隧穿方法的计算结果要比隧道哈密顿方法大得多,这主要是因为在利用隧穿方法计算时,为了确保平行于界面方向上的动量守恒,只有部分费米面上的电子参与了隧穿过程,隧穿电流减小,导致了电阻计算结果偏大。由于两种方法在应用时均只能和部分实验结果相符合,所以都不够完善,因此对磁性隧道结磁致电阻机理的深入研究工作还应当深入开展。稀土锰氧化物具有钙钛矿型晶体结构,在一般情况下为非导体,并具有反铁磁性。当稀土被二价碱土元素部分替代后(掺杂浓度在012～015 之间) ,形成的混合价锰氧化物在居里温度附近的巨磁电阻变化率高达116×106% ,称为庞磁电阻效应,这吸引了人们更为广泛的关注。对于庞磁电阻效应的理论研究,曾有文章利用双交换模型进行解释,但是理论计算表明双交换机理的理论计算结果与实验值有很大差异。因此,为了消除理论和实验间的差异,可以在双交换机理的基础上,再考虑Jahn-Teller型电声子耦合的影响,但是该理论仍不能兼顾低温下的金属型电导和居里温度附近的特大磁电阻现象[12]。文献[13]提出双交换机理和非磁无序效应相结合的理论模型,较成功地解释了混合价锰氧化物的庞磁电阻效应,取得了和实验结果的定量一致,如图3所示。

图3 　居里温度与磁电阻间的关系
图中: Tc 为居里温度,ρo 为磁电阻。
Tc 随ρo 增大而减小的物理原因是锰氧化物的铁磁性由巡游电子的运动引起的,ρo增大表明非磁无序增大,将限制巡游电子的运动,从而减弱铁磁性和使Tc下降。
3．巨磁电阻(GMR)效应的应用
　　巨磁电阻效应的应用也是以令人瞩目的速度在发展着,它从实验室走向应用仅仅花了6年的时间,1994 年美国IBM公司即研制出基于巨磁阻效应的磁记录读出磁头。2000年7月在德国德累斯顿举行的第3届欧洲磁场传感器和驱动器学术会议上,关于巨磁电阻传感器的论文占总数的1/3以上,可见人们的关注程度。
3.1 GMR效应在随机存储器(MRAM) 中的应用
　　目前广泛采用的是RAM时半导体动态存储器(DRAM)和静态存储器(SRAM)。DRAM的容量已有每个芯片40亿位(4 Gbit/chip) ,速度可达15-20ns;而SRAM容量已达每个芯片400 万位(4 Mbit/chip) ,速度比DRAM 快一个数量级, 达2ns. 但无论DRAM和SRAM均为易失性的,机器断电时,所存数据会全部丢失,且抗辐射性能差,给使用带来极大的不便。而利用GMR效应制作的MRAM和现有的半导体RAM 相比,最大的优点是非易失、抗辐射、长寿命、结构简单和低成本,基本上可以不限次数的重写。由于使用了GMR材料,每位尺寸的减少并不影响读取信号的灵敏度,可实现最大的存储密度[14-16]。
　　MRAM在国防和民用工业中都有着极为重要的价值和应用前景。如计算机的BIOS芯片、蜂窝电话、传真机、固态录像机、个人数字助理机和大容量电子存储器方面都有良好的应用前景。特别是抗辐射性能,在军事目的和在航天航空中的应用具有重要的意义。随着TMR的研究进展,用TMR制作MRAM将获得更好的性能。
3.2 GMR效应在传感器中的应用
磁电阻传感器一般是将非磁学量转化为磁学量或直接对磁学量进行高灵敏度测量的器件。它是根据多种的磁效应制成的。巨磁电阻传感器是利用巨磁电阻效应来实现磁传感作用的一类高灵敏度磁传感器件。
巨磁电阻位移传感器的原理如图4所示。当巨磁电阻传感器(GMR传感器)在位置A、B之间滑动时,其输出将会呈线性变化,通过相应的变换即可得到位移的变化,目前这种传感器的灵敏度已经可以达到1μm 以下[17]。

图4 巨磁电阻位移传感器的工作原理             图5　角速度传感器原理图
角速度传感器的测量原理见图5。图中,齿轮转动时,靠近齿轮的永磁体磁场分布会发生变化,放置的巨磁电阻传感器将有周期性信号输出,通过对信号的分析处理即可得到角速度,也可得知任意时刻相对于基准点的角度[18] 。也可以将永磁铁固定到齿轮上进行设计,其工作原理和输出信号特点与图5相同。
3.3 GMR 效应在其它领域中的应用
　  GMR 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,要求测量系统也微型化。21 世纪超导量子相干器件和超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学的主要角色。其中以GMR效应为基础设计的超微磁场传感器,要求能探测10-2T至10-6T磁通密度。如此低的磁通密度在过去是没有办法测量的,特别是在超微系统测量如此弱的磁通密度是十分困难的,纳米结构的巨磁电阻器件经过定标可能完成上述目标[19-20]。
　　总之,巨磁电阻材料有着广阔的应用前景。不过,各种巨磁电阻材料产生巨磁电阻效应的物理本质至今仍未完全清楚;对于GMR材料的进一步开发和应用,其主要任务之一还是设法提高各类GMR材料的室温MR值和降低其工作磁场,以上问题都有待于国内外科研人员进行更深入的研究。毋庸置疑,随着技术的高速发展和材料结构的深入研究,GMR效应的基础研究和应用开发不久将会取得更大进展[21]。
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