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1、实验十七巨磁电阻效应及其应用2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻（Rianr magneto resistance,简称 GMR）效应的发现者，法国 Paris-Sud 大学的物理学家阿贝尔费尔（Albert Fert）和德国尤里希研究中心物理学家彼得格伦贝格尔（Peter Grunberg） 。他们于 1988 年独立作出的发现巨磁阻效应 。诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它计算机硬盘的容量从几百兆，几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百 G乃至上千 G。 ”凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，他们之间的互相作用力，及其与宏观物理性质
2、之间的联系。人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯（W.Heisenberg，1932 年诺贝尔奖得主）明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如图1 所示。图1 反铁磁有序磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获 1970年诺贝尔奖。在解释反铁
3、磁性时认为，化合物中的氧离子（或其他非金属离子）作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自 4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于 4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是 RKKY型间接交换作用。直接交换作用的特征长度为 0.10.3nm，间接交换作用可以长达 1nm以上。1nm 已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970 年美国 IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格金属指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度 d极小的薄层材料
4、交替生长在以前而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单品的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输送进行了广泛的基础方面的研究。德国尤里希科研中心的物理学家彼得格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约 10nm的铁层之间夹有厚度为 1nm的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹
5、配，其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样样，并没用特别的发现。直到 1986年，他采用了分子束外延（MBE）方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在此金属三层膜上利用光散射以获得铁磁矩的信息，实验中逐步减少薄膜上的外磁场，直到取消外磁场。他们发现，在铬层厚度为 0.8nm的铁-铬-铁三明治中，两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行（较强磁场下） ，转变为反平行（弱磁场下） 。换言之，对于非铁磁场铬的某个特定厚度，没用外磁场时
6、，两边铁磁层磁矩是反平行的，这个新现象成为巨磁电阻效应出现的前提。既然磁场可以将三明治两个铁磁层磁矩在彼此平行与反平行之间转换，相应的物理性质会有什么变化？格伦贝格尔接下来发现，两个磁矩反平行时对应高电阻状态，平行时对应低电阻状态，两个电阻的差别高达 10%。格伦贝格尔将结果写成论文，与此同时，他申请了将这种效应和材料应用于硬盘磁头的专利。当时的申请需要一定的胆识，因为铁-铬-铁三明治上出现巨磁电阻效应所需磁场高达上千高斯，远高于硬盘上磁比特单元能够提供的磁场，但日后不断的结构和材料，使这个设想成为现实。另一方面，1998 年巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝费尔的小组将铁、铬薄膜交替制
7、成几十个周期的铁-铬超晶体，也称为周期性多层膜。他们发现，当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，即磁电阻比率达到 50%。他们称这个前所未有的电阻巨大变化现象为巨磁电阻，并用两电流模型解释物理现象。显然，周期性多层膜可以被看成是若干个格伦贝格尔三明治的重叠，所以德国和法国的两个独立发现实际上是同一个物理现象。人们自然要问，在其它过渡金属中，这个奇特的现象是否也存在？IBM 公司的斯图尔特帕金（S.P.Parkin）给出了肯定的回答。1990 年他首次报道，除了铁-铬超晶格，还有钴-钌和钴-铬超晶格也具有巨磁电阻效应。并且随着非磁层厚度增加，上述超晶格的磁电阻值振荡下降。在随后的几年，帕
8、金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中，找到了 20多种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系。帕金的发现在技术层面上特别重要。首先，他的结果为寻找更多的 GMR材料开辟了广阔空间，最后人们的确找到了适合硬盘的 GMR材料，1997 年制成了 GMR磁头。其次，帕金采用较普通的磁控溅射技术，代替精密的 MBE方法制备薄膜，目前这已经成为工业生产多层膜的标准，磁控溅射技术克服了物理发现与产业化之间的障碍。使巨磁电阻成为基础研究快速转换为商业应用的国际典范。同时，巨磁电阻效应也被认为是纳米技术的首次真正应用。 诺贝尔奖委员会还指出：“巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向新技术世界的大门自旋电子
9、学，这里，将同时利用电子的电荷及自旋这两个特性。 ”GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略了。巨磁电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷于自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器，以广泛应用于各种测量和控制领域。除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的 GMR效应外，由两层铁磁膜夹极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻（）效应外，已显示出比效应更高的灵敏度。除
10、在多层膜结构中发现效应，并已实现产业化外，在单晶，多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐中，以及一些磁性半导体中，都发现了巨磁电阻效应。但是大家应该注意到的是：巨磁阻效应已经是一种非常成熟的旧技术了，目前人们感兴趣的问题是如何将隧穿磁阻效应开发为未来的新技术宠儿。 隧穿磁阻效应会在比巨磁阻效应中更弱的磁场下就获得显著的电阻改变。 本实验介绍多层膜 GMR效应的原理，并通过实验让学生了解几种 GMR传感器的结构，特性，及应用领域。实验目的1.了解 GMR效应的原理2.测量 GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线3.测量 GMR的磁阻特性曲线4.测量 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线5.用
11、GMR传感器测量电流6.用 GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解 GMR转速（速度）传感器的原理7.通过实验了解磁记录与读出的原理实验原理根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞(又称散射)，每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规则散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低，电阻定律S 中，把电阻率 视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约 34nm） ，可以忽略边界效应。当材料的几何尺
12、度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约 0.3nm） ，电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在 1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者 N.F.Mott指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和；总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。在图 17-2所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反磁铁）耦合的。施加足够强的外磁场后，两层
13、铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。图2 多层膜时 GMR结构图 图3 某种 GMR材料的磁阻特性图 17-3是图 17-2 结构的某种 GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。 当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续增大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 达百分之十几，加方向磁场时磁阻特性是对称的 。注意到图 17-2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。其一， 界面
14、上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场反向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行反平行，或反平行平行） ，电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。其二、 铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规则散射，电子也有一定几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻
15、状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。多层膜 GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在制作模拟传感器方面得到广泛应用。在数字记录与读出领域，为进一步提高灵敏度，发展了自旋阀结构的 GMR。自旋阀结构的 SV-GMR（Spin valve GMR）由钉扎层，被钉扎层，中间导电层和自由层构成。其中，钉扎层使用反铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场将被钉扎层的磁化方向固定，不随外磁场改变。自由
16、层使用软铁磁材料，它的磁化方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层的磁场的相对取向,对应于很高的灵敏度.制造时,使自由层的初始磁化方向与被钉扎层垂直,磁记录材料的磁化方向与被钉扎层的方向相同或相反（对应于 0或 1） ，当感应到磁记录材料的磁场时，自由层的磁化方向就向被钉扎层磁化方向相同（低电阻）或相反（高电阻）的方向偏转，检测出电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所用的 GMR磁头就采用这种结构。实验仪器巨磁电阻效应及应用试验仪，基本特性组件，电流测量组件。实验装置1.巨磁阻实验仪图 17-4是巨磁阻实验仪的前面板示意图.图 17-4 巨磁实验仪操作面板前面板可分为三个区域 。区域 1电流表部分：作为一个独立的电流表使用。设有两个档位：2mA 档和 200mA档，可通过电流量程切换开关，选择合适的电流档位测量电流。区域 2电压表部分：作为一个独立的电压表使用。设有两个档位
