試析巨磁電阻與石墨烯的制備與應用

許浩琛

摘 要 早年發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻給我們的生活帶來巨大變化，新型材料石墨烯的出現(xiàn)無疑又是對生活的莫大造化。文章從磁電阻效應比較出巨磁電阻的特征，而巨磁電阻的應用發(fā)展將又是一場存儲技術的革命；文章還分析了石墨烯的特性，闡述其制備方法及其發(fā)展與應用。本文對巨磁電阻與石墨烯在以后的研究有重要意義。

關鍵詞 巨磁電阻特征 應用 石墨烯特性 制備 發(fā)展應用

中圖分類號：O44 文獻標識碼：A

三十年前，一部電影要放在幾卷膠卷中分部儲存；如今，一個小小的移動硬盤就能存儲幾十部高清電影。在不久的將來，手機就可以像手表一樣彎曲。科技一直在改變我們的生活方式，其中巨磁電阻效應做了很多貢獻。而未來，或許是新型材料石墨烯的舞臺。

2007年，諾貝爾獎頒發(fā)給了發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應的阿爾伯特·費爾特（Albert Fert）和彼得·格倫博格（Peter Gr黱berg）。他們的工作直接帶來了一場硬盤革命，并極大的加速了信息時代的步伐。2010年，諾貝爾獎頒發(fā)給了在石墨烯方面進行突破性實驗的安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）。石墨烯——目前最被看好的具有廣闊前景的新型材料正在進入人們的視線。

1巨磁電阻的特征

磁電阻效應普遍存在于磁性和非磁性材料中， 對非磁性金屬磁電阻的特點是：磁電阻的相對變化率為正（MR > 0）， 其值很?。ㄒ话鉓R < 0. 1% ）各向異性， 正相對變化率磁電阻效應來源于載流子在運動中受到磁場導致的洛倫茲力， 偏離原來的運動軌跡， 使電子碰撞幾率增加， 引起附加的散射效應， 從而使電阻升高。

而巨磁電阻的特點則恰好相反：巨磁電阻的相對變化率為負（MR<0），其值很大，各向同性，巨磁電阻效應來源于磁性導體中傳導電子的自旋相關散射。為了使負的磁電阻變化率定義為一個正的物理量，我們定義：

巨磁電阻應具備：（1）兩類磁化位形。（2）兩自選電流模型適用：磁納米結(jié)構(gòu)尺寸小于自旋擴散長度。（3）界面和雜質(zhì)散射機理（適當?shù)谋砻娲植诙龋?/p>

巨磁電阻效應通常用兩自旋電流模型來描述。當兩個鐵磁層磁矩平行時，兩邊費米能級處自旋向下的電子數(shù)都較多，因此在兩個鐵磁/非磁界面受到的散射很弱，是低電阻通道，表示為2R；相反，自旋向上的電子數(shù)較少，因此在兩個鐵磁/非磁界面受到的散射很強，是高電阻通道，表示為2RH。根據(jù)兩自旋電流模型，相應的等效總電阻為2RLRH/（RL+RH）。當兩個鐵磁層磁矩反平行時，左邊鐵磁電極費米能級處自旋向下的電子數(shù)較多，對自旋向下的電子，在穿過第一個鐵磁/非磁界面時受到的散射較弱，是低電阻態(tài)，RL；但是在第二個鐵磁層中，自旋向下的電子態(tài)密度較少，在鐵磁/非磁界面受到的散射很強，是高電態(tài)，RH ，因此，自旋向下的通道的總電阻就是RL+RH。相似的，對自旋向上的電子通道，電子在兩個界面處分別受到強散射和弱散射，總電阻為RL+RH。

巨磁電阻效應最先出現(xiàn)在磁性多層膜中。經(jīng)分析，若要獲得巨磁電阻，必須通過外場得到平行和反平行構(gòu)型，而且非磁層的厚度要小于自旋擴散長度。最低態(tài)電阻RL與最高態(tài)電阻RH相差越大，磁電阻越大，這清晰的表述出磁電阻效應是由自旋向上和向下的電子的電阻不同引起的。

2巨磁電阻的應用

巨磁電阻最重要的應用就在計算機硬盤中。巨磁電阻效應的出現(xiàn)使得硬盤讀取信息方式發(fā)生了顛覆性的改變，它取代了原有利用電磁感應效應的原理進行讀取的方式。用巨磁電阻材料做成的讀寫磁頭相較于前靈敏度大幅提高，相應的，被讀取的介質(zhì)的存儲密度也越來越大，它使計算機硬盤的容量從幾百兆、幾千兆，一躍而提高幾百倍，達到幾百 G 乃至上千 G 。

如今，巨磁電阻最有前景的應用是磁性隨機儲存器（Magnetoresistance Random Access Memmory，MRAM）。MRAM利用磁性材料的雙穩(wěn)態(tài)特性來儲存信息，用磁電阻效應來讀出數(shù)據(jù)，所有的儲存單元都集成到集成電路芯片中，這種儲存器最大的優(yōu)點是“非揮發(fā)性”以及“隨機存儲”?！胺菗]發(fā)性”是指關掉電源后，仍可以保持記憶完整，功能與Flash相同，而“隨機存取”是指中央處理器讀取資料時，不一定要從頭開始，隨時可用相同的速率，從內(nèi)存的任何部位讀寫信息。 MRAM的出現(xiàn)，可以說是存儲技術的又一場革命，其發(fā)展和應用相當迅速。

3石墨烯的特性

人們一般認為碳元素單質(zhì)有兩種存在形式：石墨和金剛石。它們都是屬于三維的碳單質(zhì)材料。近幾年發(fā)現(xiàn)的碳納米管和富勒烯分別屬于一維材料和零維材料。關于石墨烯的理論持續(xù)了幾十年，但卻普遍認為這樣的二維晶格體系是不可能穩(wěn)定存在的，直到2004年安德烈？海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）將石墨烯真正分離出來并進行驗證。

石墨烯（Graphene）是由單層的碳原子緊密排列成二維的蜂巢狀六角格子的一種物質(zhì)。和金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管還有無定形碳一樣，它是一種碳單質(zhì)。通過石墨烯與其他碳單質(zhì)的比較，很容易看出我們可以將石墨烯進行剪切，彎曲和堆疊來形成碳納米管，富勒烯和石墨。雖然如此，但是由于二維平面上的量子效應，石墨烯的特性還是和其他碳單質(zhì)的特性完全不同。

4石墨烯的制備

對于石墨烯，最廣為流傳的制備方法就是膠帶剝離法，通過將粘有石墨的膠帶對折撕扯，不斷重復，便能得到不同厚度的碎片，在光學顯微鏡下經(jīng)過干涉實驗來判斷是否為單層石墨烯。這種方法雖然最簡單，卻仍舊是目前制備石墨烯最好，純度最高的方法。

5石墨烯的發(fā)展與應用

石墨烯最吸引人的應用便是制作柔軟透明電極。在日常生活的許多地方，如顯示器，秒表，都需要用上透明電極，而目前所使用的是透明薄膜材料是氧化銦錫（IT O），由于銦元素在地球上的含量有限，價格昂貴，尤其是毒性很大，質(zhì)地很脆，使它的應用受到限制。石墨烯恰好滿足我們透明、導電性好、容易制備等要求，適合做氧化銦錫的替代品。而且石墨烯本身柔軟度較好，非常適合用來做一些可以折疊的顯示設備。

利用石墨烯獨特的光學性質(zhì)，可以做出新型的光電感應設備。由于在整個可見光到紅外的波長范圍內(nèi)都可以吸收入射光的2.3%，吸收的光會導致載流子（電子和空穴）的產(chǎn)生，這使得石墨烯很合適用來做超快的光電感應設備。據(jù)估計，這樣的光電感應設備有可能能以500GHz的頻率工作，用于信號傳輸?shù)脑挘棵腌娍梢詡魉?000億個0或者1，可以在1秒內(nèi)完成兩張藍光光碟內(nèi)容的傳輸。

由于石墨烯還有超高的比表面積，它還可以用作超級電容器以及能量儲存等方面。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)為許多理論提供了新的支持，同時，也有望開發(fā)出許多新領域如：新導電高分子材料、多功能聚合物復合材料和高強度多孔陶瓷材料等。石墨烯、自旋電子學和相對論理論的結(jié)合也引出了拓撲絕緣體這一新方向。

6 結(jié)論

巨磁電阻的發(fā)展與應用給生活帶來巨大改變，石墨烯新型材料的出現(xiàn)又給生活帶來了許多的便利。文章通過對巨磁電阻和石墨烯的發(fā)展與應用進行現(xiàn)狀分析表明：巨磁電阻和石墨烯對存儲技術的發(fā)展意義重大，只要不斷對兩者進行研究與開發(fā)，將會對不同領域帶來技術性革命。

參考文獻

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