巨磁電阻效應

宋霄森

摘要：2007年10月9日，瑞典皇家科學院宣布，將2007年度諾貝爾物理學獎頒發(fā)給法國科學家艾爾伯·費爾和德國科學家皮特·克魯伯格，以表彰他們在十九年前各自獨立發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應。巨磁電阻（GMR）效應自發(fā)現(xiàn)以來即引起各國企業(yè)界及學術界的高度重視，GMR效應已成為當前凝聚態(tài)物理研究的熱點之一。本文粗略的介紹了巨磁電阻效應的原理及應用。

關鍵詞：巨磁阻 自旋 磁性材料

一、巨磁電阻效應的發(fā)現(xiàn)

巨磁阻效應，是指在磁性材料與非磁性材料相間的多層膜中，電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(xiàn)象。早在1988年，費爾和格林貝格爾就各自獨立發(fā)現(xiàn)了這一特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。那時，法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應命名為巨磁阻效（GiantMagneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3個月，德國優(yōu)利希研究中心格林貝格爾教授領導的研究小組在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結構中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。GMR發(fā)現(xiàn)后，人們迅速開發(fā)出一系列微型化，靈敏度高的電磁新器件，并得到了廣泛的應用。其中最突出的是在美國IBM實驗室工作的的英國人斯圖爾特的工作。她領導的研究小組在費爾和格林貝爾發(fā)現(xiàn)的基礎上，繼續(xù)嘗試用通常的磁性材料進行實驗，并且很快獲得成功：以后又在室溫，常規(guī)磁場條件下做大量相關實驗，他們發(fā)現(xiàn)用較簡單濺射技術制備多晶鐵/鉻/鐵三層膜和鐵/鉻多層膜同樣有GMR效應，獲得了在溫室和低溫412K時的GMR值就分別高達25%和110%。這一突破性的進展，更大的提升了人們利用GMR材料制成電子器件的價值，特別是加快了計算機技術性能的更新?lián)Q代。

二、巨磁電阻效應的基本知識

眾所周知，計算機硬盤是通過磁介質來存儲信息的。一塊密封的計算機硬盤內部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又被劃分為若干個扇區(qū)。

磁盤片上的磁涂層是由數(shù)量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個磁盤面都相應有一個磁頭。當磁頭“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。

最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類磁頭是通過電磁感應的方式讀寫數(shù)據(jù)。然而，隨著信息技術發(fā)展對存儲容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實際需求。因為使用這種磁頭，磁致電阻的變化僅為1%～2%之間，讀取數(shù)據(jù)要求一定的強度的磁場，且磁道密度不能太大，因此使用傳統(tǒng)磁頭的硬盤最大容量只能達到每平方英寸20兆位。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。

1997年，全球首個基于巨磁阻效應的讀出磁頭問世。正是借助了巨磁阻效應，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，并且轉換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現(xiàn)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)碼電子產品中所裝備的硬盤，基本上都應用了巨磁阻效應，這一技術已然成為新的標準。

三、巨磁電阻效應的應用

現(xiàn)如今，研究巨磁電阻效應及其應用是磁電子學中一項重要內容。在室溫下具有巨磁電阻效應的巨磁電阻材料目前已有許多種類，例如，多層膜巨磁電阻材料，顆粒型巨磁電阻材料，氧化物型巨磁電阻材料，隧道結型磁電阻材料等。巨磁電阻效應的發(fā)現(xiàn)促進了磁電子學的興起和發(fā)展，GMR？材料的優(yōu)異性能使其在信息記錄及磁電子學器件等領域有著廣闊的應用前景。

磁阻效應自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭。大家知道，硬盤讀取數(shù)據(jù)是通過磁頭來完成的。最早的磁頭是一種讀寫合一的電池感應式磁頭，由于他對硬盤的設計造成不便，很快就被一種分離式的MR磁頭替代。但隨著單碟容量的不斷增加，MR磁頭也達到了極限。這樣人們很快就意識到了GMR材料的重要性，于是便利用磁阻效應開發(fā)研制的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，這使得存儲單字節(jié)數(shù)據(jù)所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。第一個商業(yè)化生產的數(shù)據(jù)讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術已經成為全世界幾乎所有電腦、數(shù)碼相機、MP3播放器的標準技術。

GMR在計算機內存方面的開發(fā)應用也取得了極大的進展。內存用來存放計算機正在使用或執(zhí)行中的數(shù)據(jù)或程序。前些年，內存廣泛采用的隨機儲存器主要是半導體動態(tài)儲存器和靜態(tài)儲存器。但這兩種均為易失性的儲存器，即當機斷電時，所存數(shù)據(jù)容易丟失。這些年來，人們用GMR研制成了巨磁電阻隨機儲存器， 巨磁電阻隨機存儲器采用GMR效應制備的巨磁電阻隨機存儲器（MRAM）與傳統(tǒng)半導體隨機存儲器相比，不僅具有非易失性、抗輻射、長壽命和低成本等優(yōu)點，而且其所需電流電壓信號小、響應時間短，實現(xiàn)了高存儲密度和快速存取。Honeywell公司是首個利用GMR材料作為存儲器芯片的公司，之后IBM、摩托羅拉、西門子和INESC？等都開始加緊研究。IBM？公司的Tang等人提出了自旋閥GMR設計方案，采用NiFe/Cu/NiFe/MnFe？自旋閥巨磁電阻多層膜作為存儲單元，使存儲速度達到亞納秒（10-10s）數(shù)量級，為計算機內存儲器的研究指明了新的研究方向。

除讀出磁頭和內存外，巨磁阻效應同樣可應用于測量位移、角度等傳感器中。在GMR傳感器之前，人們主要利用AMR材料制成的傳感器。由于AMR磁電阻變化率小，在檢測微弱磁場時受到限制。而巨磁電阻材料制成的傳感器則電阻率變化大，能對微弱磁場進行傳感，具有抗惡劣環(huán)境的特點；再加上體積小、功耗少、可靠性強等優(yōu)勢，它逐步替代霍爾傳感器、感應線圈傳感器等傳統(tǒng)產品。利用AMR材料制成的傳感器可廣泛地應用于數(shù)控機床、汽車導航、非接觸開關和旋轉編碼器中，磁傳感器主要用來檢查磁場的存在、強弱、方向等。由于GMR元件的磁電阻變化率大，磁場靈敏度高，可傳感微弱磁場，不僅大大提高了磁傳感器的分辨率、靈敏度、精確性等指標，還擴大了磁電阻傳感器的測量和應用范圍，在家用電器、汽車、自動控制、物性檢測和生物醫(yī)學等方面呈現(xiàn)出廣闊的應用前景。與光電等傳感器相比，磁傳感器具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點。

四、總結

2007年諾貝爾物理學獎頒發(fā)給兩位長期從事基礎研究的科學家，其意義不僅僅是因為他們的發(fā)現(xiàn)被廣泛應用，造福了人類，而且更重要的意義在于發(fā)現(xiàn)具有極大的潛力，為我們打開了通往自旋電子學等新領域大門，推動了未來人類社會信息化的進程。作為當代大學生，我們的未來也許不一定從事物理理論的研究工作，也許不能像艾爾伯·費爾和德國科學家皮特·克魯伯格那樣對物理學的發(fā)展作出巨大貢獻，但是，我們要時刻關注，擁有一雙善于發(fā)現(xiàn)的眼睛，盡我們自己最大的力量為我國的物理事業(yè)增磚添瓦。作為大學生，我們未來也許不一定從事物理理論的研究工作，也許不能像艾爾伯·費爾和德國科學家皮特·克魯伯格那樣對理論進展作出巨大貢獻。但是，對于這樣的理論我們需要知道，也需要關注，就是需要一雙像圖爾特·帕金這樣銳利的眼睛，再看到某種物理新進展的時候，能迅速聯(lián)想到自己的工作，并進行研究，找到能創(chuàng)造財富的契機。

參考文獻 ：

[1]百度百科

[2]吳楠，巨磁電阻效應的原理及其應用，自然雜志，2007

[3]盧森鍇，巨磁電阻效應及其研究進展，北京大學訪問學者