巨磁電阻效應是什么

所謂巨磁電阻效應是指材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在顯著變化的現象。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。由外加磁場引起的一些磁性材料的電阻巨大變化（稱為巨磁電阻效應）便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。

巨磁阻效應與層結構分析

所謂磁阻效應是指導體或半導體在磁場作用下其電阻值發生變化的現象，巨磁阻效應在1988年由彼得？格林貝格（Peter Grünberg）和艾爾伯？費爾（Albert Fert）分別獨立發現，他們因此共同獲得2007年諾貝爾物理學獎。研究發現在磁性多層膜如Fe/Cr和Co/Cu中，鐵磁性層被納米級厚度的非磁性材料分隔開來。在特定條件下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍，這一現象稱為“巨磁阻效應”。

巨磁阻效應可以用量子力學解釋，每一個電子都能夠自旋，電子的散射率取決于自旋方向和磁性材料的磁化方向。自旋方向和磁性材料磁化方向相同，則電子散射率就低，穿過磁性層的電子就多，從而呈現低阻抗。反之當自旋方向和磁性材料磁化方向相反時，電子散射率高，因而穿過磁性層的電子較少，此時呈現高阻抗。

基于巨磁阻效應的傳感器其感應材料主要有三層：即參考層（Reference Layer或Pinned Layer），普通層（Normal Layer）和自由層（Free Layer）。如圖1所示，參考層具有固定磁化方向，其磁化方向不會受到外界磁場方向影響。普通層為非磁性材料薄膜層，將兩層磁性材料薄膜層分隔開。自由層磁場方會隨著外界平行磁場方向的改變而改變。

圖1 巨磁阻層結構

如圖2所示，兩側藍色層代表磁性材料薄膜層，中間橘色層代表非磁性材料薄膜層。綠色箭頭代表磁性材料磁化方向，灰色箭頭代表電子自旋方向，黑色箭頭代表電子散射。左圖表示兩層磁性材料磁化方向相同，當一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過時，電子較容易通過兩層磁性材料，因而呈現低阻抗。而右圖表示兩層磁性材料磁化方向相反，當一束自旋方向與層磁性材料磁化方向相同的電子通過時，電子較容易通過，但較難通過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，因而呈現高阻抗。

圖2 電子自旋與磁化方向示意圖

接下來本文針對NVE公司型號為AA005-02的巨磁阻傳感器，對其磁化狀態與阻態形式進行介紹。

如圖3所示，A為導電的非磁性薄膜層。在沒有外加磁場的狀態下，反鐵磁耦合的作用使得兩側的B層中的磁矩方向處于相反的狀態，此時，對流過元件的電流呈現高阻態。

圖3 高阻態形式

如圖4所示，當大于反鐵磁耦合的磁場作用于巨磁阻元件時，自由層磁化方向對齊外部磁場方向，此時，電阻急劇下降，對外呈現低阻態。電阻下降

圖4 低阻態形式

巨磁電阻效應的應用介紹

巨磁阻效應自從被發現以來就被用于開發研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數據讀出頭（Read Head）。這使得存儲單字節數據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。個商業化生產的數據讀取探頭是由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、數碼相機、MP3播放器的標準技術。

在Grünberg初的工作中他和他領導的小組只是研究了由鐵、鉻（Chromium）、鐵三層材料組成的樣品，實驗結果顯示電阻下降了1.5%。而Fert及其同事則研究了由鐵和鉻組成的多層材料樣品，使得電阻下降了50%。

阿爾貝·費爾和彼得·格林貝格爾所發現的巨磁阻效應造就了計算機硬盤存儲密度提高50倍的奇跡。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盤面密度所用的讀出頭，創下了世界記錄。硬盤的容量從4GB提升到了600GB或更高。

目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盤讀出磁頭，已經把存儲密度提高到560億位/平方英寸，該類型磁頭已占領磁頭市場的90%～95%。隨著低電阻高信號的TMR的獲得，存儲密度達到了1000億位/平方英寸。

2007年9月13日，全球的硬盤廠商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球多數字視頻錄像機（DVR）及家庭媒體中心采用的第四代DB35系列硬盤，現已達到1TB（1000GB）容量，足以收錄多達200小時的高清電視內容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存儲密度在近幾年內每年的增長速度達到3～4倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構成的結構，因而只要在巨磁阻效應依然起作用的尺度范圍內，未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。

除讀出磁頭外，巨磁阻效應同樣可應用于測量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應用于數控機床、汽車導航、非接觸開關和旋轉編碼器中，與光電等傳感器相比，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點。目前，我國國內也已具備了巨磁阻基礎研究和器件研制的良好基礎。中國科學院物理研究所及北京大學等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中國科學院計算技術研究所在磁膜隨機存儲器、薄膜磁頭、MIG磁頭的研制方面成果顯著。北京科技大學在原子和納米尺度上對低維材料的微結構表征的研究及對大磁矩膜的研究均有較高水平。

今天，移動硬盤、MP3播放器等磁盤驅動設備隨處可見，每天我們都可以將這些小巧精致的科技產品放在衣袋中隨身攜帶，隨時享受它們給我們帶來的便利和快樂，然而為了這一時刻的到來，偉大的公司與偉大的科學家一起，都付出了難以計算的智慧和辛勞。巨磁電阻效應的發現，讓硬盤的體積不斷縮小，容量卻不斷變大。