巨磁電阻與石墨烯

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?？萍家恢痹诟淖兾覀兊纳罘绞?，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 Grünberg）。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。

一、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：磁納米結構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。

二、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，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。

三、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。之前學術界普遍認為碳元素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)，是一種碳單質(zhì)。單層石墨烯的載流子濃度不高， 在室溫下具有極高的遷移率，表現(xiàn)為一種奇特的相對論性的狄拉克費米子行為，其費米質(zhì)量為零并且費米速度可以達到光速的1/300，這使得它能夠很容易地通過場效應和門電壓來調(diào)節(jié)它的化學勢和載流子濃度，同時這個速度大大地超過了電子在一般導體中的運動速度，從而使石墨烯成為已知材料中電子傳導速率最快的材料。石墨烯還具有高強度、超高比表面積和超高熱導率等許多奇特的物理特性。它很透明，垂直入射的可見光只有很小一部分（2.3%）會被石墨烯吸收，而絕大部分的光都會透過去。它又很致密，連氦原子（最小的氣體分子）也不能穿過去。

四、石墨烯的制備

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。當然，目前還發(fā)展了其他幾種方法。主要有化學氣相沉積法，SiC襯底的外延生長法和氧化-還原法等。

五、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，且毒性很大，質(zhì)地很脆。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。且石墨烯本身柔軟度好，非常適合用來做可折疊的顯示設備。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梢栽?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。

六、結語

不論是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三十多年的巨磁電阻，還是新興的石墨烯，對它們的研究還遠沒有結束。在未來它們將在我們的生活中發(fā)揮更重要的作用。