第二章 磁电阻效应及磁电阻传感器早 在 1857 年 ， W.Thomson 首 先 发 现 了 铁 磁 多 晶 体 的 各 项 异 性 磁 电 阻 ( AMR,Anisotropic Magnetoresistance ) [16] ， 但磁电阻变化率较小 1988 年，在 法国巴黎大学物理系 Fert 教授科研组工作的巴西学者 M． N．Baibich 研究 Fe／Cr 磁性超晶格薄膜的电子输运性质时发现了巨磁电阻 (giant magnetoresistance 缩写 为 GMR) 效应 [5]，即材料的电阻率随着材料磁化状态的变化而呈现显著改变的现象 由于磁电阻率随外磁场的增加而下降，所以是负磁电阻效应这一发现，引起了许 多国家科学家的关注继后， Parkin 采用十分普遍的磁控溅射设备，成功地制备了 Fe／Cr，Co／Cr ，Co／Ru ，Co／Cu 等多层膜在多层膜巨磁电阻研究的启发与促进下， 1992 年 Berkowitz 和 C． L Chien 分 别独立地发现在 Co ／Cu 颗粒膜中同样存在巨磁电阻效应 1993 年 Helmolt 等人在 La Ba MnO 类钙铁矿铁磁薄膜中观察到室温巨磁电阻比率高达 60 ％。
1994 年在类2/3 1/3 x 钙铁矿 La-Ca-Mn-O 系列中发现了特大磁电阻 (colossal magnetoresistance) 效应， 缩写为CMR1995年Miyazak等人发现Fe/Al 2O3/Fe隧道结室温巨磁电阻效应可达 18％ 1996 年在 Co(Ni)-SiO 2颗粒膜中同样发现了具有隧道效应的巨磁电阻效应 目前，国内外许多研究人员纷纷从实验上和理论上对 GMR 进行了深入探讨，在短短 的几年中就获得了引人注目的研究成果，为磁电子学的发展奠定了基础2.1 不同结构类型的巨磁电阻效应2.1.1 多层膜巨磁电阻效应所谓多层膜就是由铁磁层和非铁磁层(Fe / Cr)交替沉积而形成的(N为周期N数) ，最初是采用分子束外延生长法在超高真空中制备的 每分钟才形成一个单原子层，显然它不仅制备缓慢， 而且相当昂贵，限制了对它的研究 1990 年 S．S．P．Parkin 等人采用了十分普通的磁控溅射设备，制备了 (Fe / Cr) , (Co / Ru)等多层膜，观N N察到了巨磁电阻现象由于设备简单，价格低廉，效率高，推进了 GMR的研究继后，他们对Fe，Ni，Co金属及合金与非磁金属多层膜的巨磁电阻效应进行了广泛的 研究，在 Fe/ Cr， Fe/ Mo， Fe/ Cu， Fe/ Ag， Co/ Cu， Co/ Ag， Co/ A1， Co/ Ru，FeNi／Ag，NiFe／Cu，CoFe／Cu 等多层膜系统 [6][7] 中均发现了巨磁电阻效应。
(Fe ／Cr)N 等多层膜巨磁电阻效应的发现，无论是在基础研究还是在应用研究中均开拓N了许多新的研究领域巨磁电阻效应的机制依据于英国著名物理学家 N．F．Mott 提出的铁磁性导电理论，即二流体模型 Mott 认为在铁磁金属中，导电的 S 电子要受到磁性原子磁矩的 散射作用 (即与局城的 d 电子作用 )散射的几率取决于导电的 S 电子自旋取向与固 体中磁性原子磁矩方向的相对取向当自旋方向与磁矩方向相同时，传导电子很 容 易地穿过许多磁层而只受到很弱的散射作用；反之，传导电子在每一磁层都要受到 很强的散射作用，即有一半传导电子处于低电阻通道，从宏观上看，多层膜处于低 电子状态，这样就产生了 GMR 现象这种描述是比较粗的，实际上只考虑了电子在 磁层内部的散射，即体散射然而磁层与非磁层之间界面处的自旋相关散射，有时 更为重要，尤其在一些 GMR 较大的多层膜系统中，理论和实验都证明，多数情况下， 巨磁电阻效应来自于界面散射作用上述 多层 膜巨 磁电 阻效 应均 指电 流处 于膜 面内 ，称 为 CIP(Current in the planes) ，电 流也可以垂直于多层 膜，称为 CPP(Current perpendicular to the planes) 。
这时传导电子必须穿越所有层和界面， 经受多得多的自旋相关的杂质和缺 陷的散射实验和理论都证实，在 CPP 情况下的巨磁电阻效应大于 CIP 情况下约 4 倍当前，多层膜的主研方向是尽力提高磁场灵敏度，降低饱和磁场强度，尤其在 作为高密度读出磁头，随机存储器时，磁场灵敏度是十分重要的参数，解决问题的 途径之一是采用自旋阀结构 (Spin Valve) [7][8] ；另一个途径是将多层膜在合适的温 度下退火，使其成为间断膜类似于颗粒膜，使层间产生偶极矩的静磁偶合自旋阀的结构是由钉扎层和隔离层构成的，为了防止氧化，一般最后在表面再 镀一层保护层，其中钉扎层选取自旋相关效应较大的材料，而自由层则选取矫顽力 较小的软磁材料2.1.2 颗粒膜的巨磁电阻效应颗粒膜 (Granular films) 是指微颗粒弥散于薄膜中所构成的复合薄膜它具有 微颗粒与薄膜双重特性及其交互作用效应，一般是采用共蒸发、共溅射、离子注入 或化学工艺制备而成，改变其组成比例，控制颗粒大小、分布、形状等可以调节颗 粒膜的声、光、电、磁等性质它比多层膜容易制备，成本低，具有广泛的应用前 景1992 年 Berkowitz 和 C L．Chien 分别独立发现了 Co ／ Cu 颗粒膜中存在着巨磁 电阻效应，其值为负，且为各向同性 [9][10][11] 。
目前颗粒膜 GMR 的研究主要是两大系 列：一是银系 Co-Ag ，FeNi-Ag 等；二是铜系，如 Co-Cu ，FeCo-Cu 等这些都是 Fe Co 等微粒镶嵌于 Ag，Cu 薄膜中而构成 Fe-Ag ， Co-Cu 等颗粒膜研究表明，颗粒膜 GMR 效应除了取决于组成外，还与微结构密切相关，如它与 磁性颗粒直径成反比，即与颗粒的表面积成正比当颗粒尺寸与电子平均自由程相 当时，巨磁电阻效应最显著其机制的理论解释与多层膜一样，认为与自旋相关散 射有关，并以界面散射为主颗粒膜与多层膜二者都属于二相或多相复合不均匀体系，但颗粒膜制备简便， 重复性高，热稳定性好，颗粒膜存在的问题是饱和磁场高于多层膜，所以当前的研 究方向主要是降低饱和磁场，提高磁场灵敏度磁性金属多层膜和颗粒膜的巨磁电 阻效应通常用 GMR 表示2.1.3 钙铁矿型氧化物的磁电阻效应稀土锰氧化物REMnO3（RE = La, Pr, Nd, Cd, Sm等稀土元素）具有钙铁矿晶体结构，一般情况下为非导体， 并具有反铁磁性 当 RE 被二价碱土金属元素部分代替后，形成掺杂稀土锰氧化物 RE T MnO : （T = Ca, Sr, Ba, Pb）。
1-x x 31993 年 Helmo1t 等人在类钙铁矿结构 La Ba MnO 铁磁薄膜中观察到磁电阻效2/3 1/3 x应[12] ，从而大大地推进了磁性氧化物输运过程的研究，因为它表明，巨磁电阻效应 的研究由金属、 合金推至氧化物材料 1994 年 Jin 等人发现在 LaAlO3 单晶基片上外 延生长的 La CaMnO 薄膜， 77K ， 6T 磁场下，具有特大磁电阻效应，由类钙铁矿结1-x x 3构La M MnO （M = Sr, Ca, Ba, Pb等二阶金属离子）系氧化物，人们发现在一定的温1-x x 3度范围磁场使其从顺磁性或反铁磁性转变为铁磁性，而且在磁性转变的同时氧化物 从半导体的导电性转变为金属性，从而使其电阻率发生了巨大的变化，高达几个数 量级[13][14] 目前，人们对稀土锰氧化物进行了大量的研究，主要表现为 2个方面:即改变La T MnO中的x，或掺杂不同的碱土金属，即改变 La T MnO中的T，除钙1-x x 3 1-x x 3铁矿结构 Mn 系和 Co 系氧化物外， 1996 年日本 NEC 公司 Shimakawa 等人在具有焦绿 石结构的TlMnO 中发现了 CMR。
由于需要数lOkOe的外磁场，且在特定的温度附2 2 7- 6近较小的范围内才能发生电阻率的巨大变化，所以它的应用问题尚需进一步探讨钙铁矿型氧化物磁电阻效应比多层膜和颗粒膜系统的磁电阻效应大得多， 所以具有强烈的应用前景其存在的问题是，它通常需要数 lO kOe 的外磁场且在较小温 区以内才存在的电阻率的巨大变化，随温度变化太剧烈，饱和磁场高实验发现， 它的输运性质、磁性质和晶体结构三者有着密切的联系理论和实验都表明，这类 氧化物磁电阻效应的微观机制至今尚未清楚，而且还知道， CMR 的机制和 GMR 的机 制有着本质的不同因为它是一个极为复杂的量子系统，必须综合考虑如传导电 子—局域自旋之间、 传导电子—传导电子之间、 传导电子—声子之间的相互作用等 有人提出用磁极化子理论进行解释，但仍有一些实验现象不能解释，需要进一步探 讨氧化物铁磁体的特大磁电阻效应，一般用 CMR 表示2.l.4 铁磁薄膜隧道结巨磁电阻效应2O 世纪 7O 年代， J.C.Slonczewski 提出了铁磁金属／非磁绝缘体／铁磁金属（FM / I / FM）隧道结当两铁磁层磁化方向平行及反平行时， FM / I / FM隧道结将具有不同的电阻值。
因此， FM／I／FM 构型原则上可以看作自旋极化滤波器，它只允许一种自旋通过， J.C.Slonczewski 称为磁阀效应同年， Julliere 在 Fe/ Ge/ Co 隧道结中观察到了这一现象，这种因外磁场改变隧道结铁磁层的磁化状态而导致其 电阻变化的现象称为隧道磁电阻 （缩写为TMR）效应[15]1995年FM / I / FM隧道结的研究有了突破性进展， Miyazaki [l6] 等人发现 Fe/ Al2O3/ Fe 磁隧道结在室温几 mT 外 磁场下 TMR 达 15．6％，低温下为 23％总之，人们利用多种实验方法和工艺进行 了多种材料的研制2.2 巨磁电阻 GMR 传感器及其原理 [17][18]2.2.1 巨磁电阻传感器磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向和变化等磁传感器的品种很多，磁电阻传感器是其中的一类传统磁电阻传感器主要有半导体 （In , Sb）及软磁 合金两种，半导体磁电阻元件具有 MB 大及线性度好的优点，但所需磁场较高，温度稳定性较差； 软磁合金薄膜元件饱和场低， 故低场灵敏度高， 但其 MR 数值不高 GMR 元件具有巨大的 GMR 值和较大的磁场灵敏度等特点，用来替代传统磁电阻传感器， 可大大提高传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标。
特别是在微弱磁场的传感器 方面，则显示出了更大的优越性在 GMR 传感器以前，人们使用的磁电阻传感器主 要是利用 AMR 效应材料 AMR 材料制成的传感器，具有体积小、灵敏度高、阻抗低、 抗恶劣环境、价格低廉等优点但由于 AMR 磁电阻率变化小，在检测微弱磁场时受 到限制利用 GMR 效应的传感器继承了 AMR 传感器的优点，并且，由于 GMR 磁电阻 变化率大，使它能传感微弱磁场，扩大了磁电阻传感器的测量范围和应用面，呈现 出广阔的应用前景采用 GMR 材料制作磁性旋转编码器，除具有灵敏度高、准确性 好的特点外，还具有耐高温、耐腐蚀等恶劣环境的能力，可替代耐恶劣环境能力差 的光电式编码器，被广泛用于汽车电子技术、机电一体化控制等领域当今在家用 电器、汽车和自动控制方面涉及到的角度、转速、加速度、位移等物理量均可以利 用 GMR 磁传感器制成的高灵敏度、高分辨率的磁传感器件来控制由于磁传感器灵 敏度不受物体变化速度的影响，再加上抗恶劣环境和长寿命的优点，使其在各类运 动传感器中有极大的竞争。