巨磁電阻

1988年法國巴黎大學(xué)的阿爾貝·費爾教授研究小組首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，在國際上引起了很大的反響。20世紀(jì)90年代，人們在Fe/Cu，F(xiàn)e/Al，F(xiàn)e/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應(yīng)，由于巨磁阻多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有廣泛的應(yīng)用前景，美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁電阻材料及其在高技術(shù)上的應(yīng)用投入很大的力量。

1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達5Gbit/in2，最近達到11Gbit/in2，從而在與光盤競爭中磁盤重新處于領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應(yīng)大，易使器件小型化，廉價化，除讀出磁頭外同樣可應(yīng)用于測量位移，角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床，汽車測速，非接觸開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點。利用巨磁電阻效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點，可以制成隨機存儲器(MRAM)，其優(yōu)點是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息。

巨磁電阻效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的另一個重要方面是微弱磁場探測器。隨著納米電子學(xué)的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化要求測量系統(tǒng)也要微型化。在21世紀(jì)，超導(dǎo)量子相干器件、超微霍耳探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學(xué)中的主要角色。其中以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)設(shè)計超微磁場傳感器，要求能探測10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在過去是無法測量的，特別是在超微系統(tǒng)測量如此微弱的磁通密度十分困難，納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件可以完成這個任務(wù)。

瑞典皇家科學(xué)院9日宣布，將2007年諾貝爾物理學(xué)獎授予法國科學(xué)家阿爾貝·費爾和德國科學(xué)家彼得·格林貝格爾，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了"巨磁電阻"效應(yīng)。他們將分享1000萬瑞典克朗(1美元約合7瑞典克朗)的獎金。瑞典皇家科學(xué)院說:"今年的物理學(xué)獎授予用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小。"

通常說的硬盤也被稱為磁盤，這是因為在硬盤中是利用磁介質(zhì)來存儲信息的。一般而言，在密封的硬盤內(nèi)腔中有若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又進而被劃分為若干個扇區(qū)。磁盤片的每個磁盤面都相應(yīng)有一個數(shù)據(jù)讀出頭。

簡單地說，當(dāng)數(shù)據(jù)讀出頭"掃描"過磁盤面的各個區(qū)域時，各個區(qū)域中記錄的不同磁信號就被轉(zhuǎn)換成電信號，電信號的變化進而被表達為"0"和"1"，成為所有信息的原始"譯碼"。

伴隨著信息數(shù)字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時提高硬盤容量的技術(shù)。1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發(fā)現(xiàn)了"巨磁電阻"效應(yīng)，也就是說，非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大電阻變化的特殊效應(yīng)。

這一發(fā)現(xiàn)解決了制造大容量小硬盤最棘手的問題:當(dāng)硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助"巨磁電阻"效應(yīng)，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化。

1997年，第一個基于"巨磁電阻"效應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出頭問世，并很快引發(fā)了硬盤的"大容量、小型化"革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的硬盤，基本上都應(yīng)用了"巨磁電阻"效應(yīng)，這一技術(shù)已然成為新的標(biāo)準(zhǔn)。

瑞典皇家科學(xué)院的公報介紹說，另外一項發(fā)明于上世紀(jì)70年代的技術(shù)，即制造不同材料的超薄層的技術(shù)，使得人們有望制造出只有幾個原子厚度的薄層結(jié)構(gòu)。由于數(shù)據(jù)讀出頭是由多層不同材料薄膜構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，因而只要在"巨磁電阻"效應(yīng)依然起作用的尺度范圍內(nèi)，科學(xué)家未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。

這兩位科學(xué)家都比較喜歡音樂。費爾最喜歡的樂手是美國爵士樂鋼琴家塞羅尼斯·蒙克，而格林貝格爾對古典音樂十分癡迷，他還是一名吉他愛好者。

費爾1938年3月出生于法國南部小城卡爾卡索納，1970年在南巴黎大學(xué)獲博士學(xué)位，1976年開始擔(dān)任南巴黎大學(xué)教授。自1995年以來，費爾還一直擔(dān)任法國國家科研中心與法國泰雷茲集團組建的聯(lián)合物理實驗室科學(xué)主管。費爾于2004年當(dāng)選法國科學(xué)院院士。

格林貝格爾1939年出生于比爾森，1969年在達姆施塔特技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，1972年開始擔(dān)任德國于利希研究中心教授，2004年退休。

格林貝格爾的知識產(chǎn)權(quán)保護意識比較強。兩位科學(xué)家1988年發(fā)現(xiàn)"巨磁電阻"效應(yīng)時意識到，這一發(fā)現(xiàn)可能產(chǎn)生巨大影響。格林貝格爾為此還申請了專利。

目前，根據(jù)這一效應(yīng)開發(fā)的小型大容量電腦硬盤已得到廣泛應(yīng)用。兩位科學(xué)家此前已經(jīng)因為發(fā)現(xiàn)"巨磁電阻"效應(yīng)而獲得多個科學(xué)獎項。

1.什么是巨磁電阻?

答:在通有電流的金屬或半導(dǎo)體上施加磁場時，其電阻值將發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象稱為磁致電阻效應(yīng)，也稱磁電阻效應(yīng)(MR).目前，已被研究的磁性材料的磁電阻效應(yīng)可以大致分為:由磁場直接引起的磁性材料的正常磁電阻(OMR，ordinaryMR)、與技術(shù)磁化相

聯(lián)系的各向異性磁電阻(AMR，anisotropi。MR)、摻雜稀土氧化物中特大磁電阻(CMR，ColossalMR)、磁性多層膜和顆粒膜中特有的巨磁電阻(GMR，giantMR)以及隧道磁電阻(TMR，tunnelMR)等.

巨磁電阻簡而言之就是電阻值對磁場變化巨敏感的一種電阻材料。從論文里看具體的關(guān)系是在沒有外加磁場時材料程高阻態(tài)，有外加磁場(與極性無關(guān))時程低阻態(tài)。

2.為什么巨磁電阻效應(yīng)能應(yīng)用到計算機硬盤上?

答:計算機硬盤的常用材料是磁性材料，磁頭在寫數(shù)據(jù)的時候改變硬盤表面磁性材料單元的極性以記錄0和1，在讀取數(shù)據(jù)的時候，需要探頭能夠識別表面單元的極性，這時就可以用巨磁電阻---考慮一個用巨磁電阻做的探頭從一個單元移到另一個單元的過程，如果兩個單元表面極性相同，那么探頭表面的磁場強度似乎(我也不確切了解這方面原理，只是推測)應(yīng)當(dāng)變化不大，于是探頭的電阻變化也不大;如果兩個單元表面極性相反，那么探頭表面的磁場強度似乎應(yīng)當(dāng)經(jīng)歷一個從大到小再到大的過程，于是探頭的電阻值會出現(xiàn)一個尖峰(探測電阻很容易，只需要加恒定壓測電流)。只需要判斷有沒有這個尖峰出現(xiàn)就可以知道相鄰兩個單元的極性是否不同，再由某個已知極性的單元就可以推斷當(dāng)前單元的極性。電阻隨磁場的變化越劇烈，探頭的分辨率必然越好，于是會導(dǎo)致單位面積的硬盤容量越來越大，因此有必要對巨磁電阻理論的創(chuàng)始人心存感恩。

哪些材料能夠產(chǎn)生巨磁電阻效應(yīng)

1,在摻雜鈣鈦礦型錳氧化物R1-xAxMnO3中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻(GMR)， 其中1989年在摻雜鈣鈦礦型錳氧化物R1-xAxMnO3(其中A為二價堿土金屬離子，如Ca2+、Sr2+、Ba2+等，R為三價稀土金屬離子，如La3+、Pr3+、Tb3+、Sm3+等)中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻(GMR)，由于其在磁記錄、磁傳感器等方面潛在的應(yīng)用前景，以及金屬-絕緣體相變等所涉及的強關(guān)聯(lián)效應(yīng)，使該類化合物吸引了物理學(xué)界的廣泛注意。2,鈣鈦礦型錳氧化物L(fēng)a1-xCaxMnO3具有較大的磁熱效應(yīng)七十年代末至八十年代初，人們在半導(dǎo)體材料以及順磁材料中發(fā)現(xiàn)了由量子相干效應(yīng)(由于無序而加強的載流子庫侖相互作用)導(dǎo)致的正磁電阻，并建立了一套基于無序的理論來解釋所觀察到的實驗現(xiàn)象。去年, Manyala在Fe1-XCoXSi中首次觀察到鐵磁材料中的由量子相干效應(yīng)導(dǎo)致的正磁電阻。另一方面，人們又在1997年首次發(fā)現(xiàn)鈣鈦礦型錳氧化物L(fēng)a1-xCaxMnO3具有較大的磁熱效應(yīng)后[40,41]，鈣鈦礦型錳氧化物的磁熱效應(yīng)引起了人們的注意。3,La07Pb03MnO3單晶樣品的由量子相干效應(yīng)導(dǎo)致的正磁電阻效應(yīng)、A05Sr05MnO3 (A= Pr, Nd) 的巨磁熱效應(yīng)、多晶鋅鐵氧體和多晶NiXFe1-XS的巨磁電阻效應(yīng)

巨磁電阻(GMR)效應(yīng)是指用時較之無外磁場作用時存在顯著變化的現(xiàn)象，一般將其定義為gmr=其中(h)為在磁場h作用下材料的電阻率(0)指無外磁場作用下材料的電阻率。根據(jù)這一效應(yīng)開發(fā)的小型大容量計算機硬盤已得到廣泛應(yīng)用。

磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，人們把這種現(xiàn)象稱為磁電阻。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。

，電子在導(dǎo)電時并不是沿電場直線前進，而是不斷和晶格中的原子產(chǎn)生碰撞(又稱散射)，每次散射后電子都會改變運動方向，總的運動是電場對電子的定向加速與這種無規(guī)散射運動的疊加。稱電子在兩次散射之間走過的平均路程為平均自由程，電子散射幾率小，則平均自由程長，電阻率低。電阻定律R=ρl/S中，把電阻率ρ視為常數(shù)，與材料的幾何尺度無關(guān)，這是忽略了邊界效應(yīng)。當(dāng)材料的幾何尺度小到納米量級，只有幾個原子的厚度時(例如，銅原子的直徑約為0.3nm)，電子在邊界上的散射幾率大大增加，可以明顯觀察到厚度減小，電阻率增加的現(xiàn)象。

電子除攜帶電荷外，還具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁場兩種可能取向。早在1936年，就有理論指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材料的磁場方向平行的電子，所受散射幾率遠(yuǎn)小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的電子?？傠娏魇莾深愖孕娏髦?總電阻是兩類自旋電流的并聯(lián)電阻，這就是所謂的兩電流模型。

在多層膜巨磁電阻結(jié)構(gòu)中，無外磁場時，上下兩層磁性材料是反平行(反鐵磁)耦合的。施加足夠強的外磁場后，兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致，外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數(shù)應(yīng)用中是平行于膜面的。

有兩類與自旋相關(guān)的散射對巨磁電阻效應(yīng)有貢獻。

其一，界面上的散射。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，從一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態(tài)改變(平行-反平行，或反平行-平行)，電子在界面上的散射幾率很大，對應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，電子在界面上的散射幾率很小，對應(yīng)于低電阻狀態(tài)。

其二，鐵磁膜內(nèi)的散射。即使電流方向平行于膜面，由于無規(guī)散射，電子也有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態(tài)如何，在穿行過程中都會經(jīng)歷散射幾率小(平行)和散射幾率大(反平行)兩種過程，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯(lián)，對應(yīng)于高電阻狀態(tài)。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，自旋平行的電子散射幾率小，自旋反平行的電子散射幾率大，兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似一個小電阻與一個大電阻的并聯(lián)，對應(yīng)于低電阻狀態(tài)。

巨磁電阻材料是指電阻隨外加磁場強度的改變而發(fā)生顯著變化的材料,電阻的變化率一般達百分之幾,也有達百分之幾十的,最高可達百分之,這種磁電阻變化在納米薄膜材料中比較顯著。巨磁電阻薄膜材料的廣泛研究始于1988年Baibich等人的一個驚人的發(fā)現(xiàn),即在由Fe、Cr交替沉積形成的多層膜中發(fā)現(xiàn)了超過50%的磁電阻變化率,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了多層膜中層磁致電阻的總和,這種現(xiàn)象稱為巨磁電阻效應(yīng)(GMR)。

人們早就知道過渡金屬鐵、鈷、鎳能夠出現(xiàn)鐵磁性有序狀態(tài)。量子力學(xué)出現(xiàn)后，德國科學(xué)家海森伯(W. Heisenberg)明確提出鐵磁性有序狀態(tài)源于鐵磁性原子磁矩之間的量子力學(xué)交換作用，這個交換作用是短程的，稱為直接交換作用。后來發(fā)現(xiàn)很多的過渡金屬和稀土金屬的化合物具有反鐵磁(或亞鐵磁)有序狀態(tài)，化合物中的氧離子(或其他非金屬離子)作為中介，將最近的磁性原子的磁矩耦合起來，這是間接交換作用。直接交換作用的特征長度為0.1-0.3nm，間接交換作用可以長達1nm以上。1nm已經(jīng)是實驗室中人工微結(jié)構(gòu)材料可以實現(xiàn)的尺度，所以1970年之后，科學(xué)家就探索人工微結(jié)構(gòu)中的磁性交換作用。

1988年法國的M.N.Baibich等人在美國物理學(xué)會主辦的Physical Review Letters 上發(fā)表了有關(guān)Fe/Cr巨磁電阻效應(yīng)的著名論文，首次報告了采用分子外延生長工藝(MBE)制成Fe(100)/Cr(100)規(guī)則型點陣多層膜結(jié)構(gòu)。在這種(Fe/Cr)n結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e為強鐵磁性金屬，Cr為反鐵磁性金屬，n為Fe和Cr的總層數(shù)。它是采用MBE工藝將Fe(100)/Cr(100)生長在GaAs芯片上，其工藝條件是，保持MBE室內(nèi)剩余壓力為6.7×10-9Pa，芯片溫度20℃，淀積速率:對于Fe為0.06nm/s;對于Cr為0.1nm/s。它們每層的厚度約(0.9~9)nm，通常為30層。為獲得上述淀積速率，還專門設(shè)計了坩堝蒸發(fā)器。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Cr的厚度小于(0.9~3)nm 時，它與Fe層之間偶合的一個反向鐵磁特性(AF)的磁滯回線斜率逐漸增大。圖1 顯示了Fe層為3nm，Cr層分別為0.9nm、1.2nm 和1.8nm，磁感應(yīng)強度B在±2T 范圍內(nèi)，熱力學(xué)溫度T=4.2K，n=30、35、60 時，3個不同樣本的特性。隨著Cr 厚度的增加和總層數(shù)的降低，Δr/r也升高，而且高斯磁場強度B越弱，Δr/r 越高，當(dāng)B≈2T時，[Fe(3nm)/Cr(0.9nm)]60 膜的Δr/r可達50%以上。實驗還發(fā)現(xiàn)，即使溫度升至室溫，B降低了30%Δr/r 也可達到低溫值的一半，這一結(jié)論具有十分大的實用價值。

就在此前3個月，德國尤利希科研中心的物理學(xué)家彼得·格倫貝格爾( Peter Grunberg )領(lǐng)導(dǎo)的研究小組采用分子束外延(MBE)方法制備了鐵-鉻-鐵三層單晶結(jié)構(gòu)薄膜。在薄膜的兩層納米級鐵層之間夾有厚度為0.8nm的鉻層，實驗中逐步減小薄膜上的外磁場，直到取消外磁場，發(fā)現(xiàn)膜兩邊的兩個鐵磁層磁矩從彼此平行(較強磁場下)轉(zhuǎn)變?yōu)榉雌叫?弱磁場下)。換言之，對于非鐵磁層鉻的某個特定厚度，沒有外磁場時，兩邊鐵磁層磁矩是反平行的，這個新現(xiàn)象成為巨磁電阻效應(yīng)出現(xiàn)的前提。格倫貝格爾接下來發(fā)現(xiàn)，兩個磁矩反平行時對應(yīng)高電阻狀態(tài)，平行時對應(yīng)低電阻狀態(tài)，兩個電阻的差別高達10%。

1990年IBM公司的斯圖爾特·帕金(S. P. Parkin )首次報道了除鐵-鉻超晶格，還有鈷-釕和鈷-鉻超晶格也具有巨磁電阻效應(yīng)。并且隨著非磁層厚度增加，上述超晶格的磁電阻值振蕩下降。在隨后的幾年，帕金和世界范圍的科學(xué)家在過渡金屬超晶格和金屬多層膜中，找到了20種左右具有巨磁電阻振蕩現(xiàn)象的不同體系，為GMR材料開辟了廣闊的空間，同時帕金采用較普通的磁控濺射技術(shù)代替了精密的MBE方法制備薄膜，目前這已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)多層膜的標(biāo)準(zhǔn)。

1992年A.E.Berkowitz和Chien等人首次發(fā)現(xiàn)了Fe、Co 與Cu、Ag 分別形成二元合金顆粒膜中的磁電阻效應(yīng)，在低溫下其Δr/r可達(40~60)%。隨后陸續(xù)出現(xiàn)了Fe-Ag、Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag 等顆粒多層膜。

1993年人們在鈣鈦礦型稀土錳氧化物中發(fā)現(xiàn)了比GMR 更大的磁電阻效應(yīng)，即Colossal Magneto Resistance(CMR)龐磁電阻效應(yīng)，開拓了GMR 研究的新領(lǐng)域。

在發(fā)現(xiàn)低磁場GMR 效應(yīng)之后，1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR 器件――自旋閥。同年，美國的IBM公司研制出利用自旋閥原理的數(shù)據(jù)讀出磁頭，它將磁盤記錄密度提高了17倍，達5Gbit/6.45cm2(in2)。