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1、巨磁电阻效应GMF 模拟传感器的磁电转换特性测量【实验目的】1. 掌握GMR效应的定义；2. 了解 GMR 效应的原理；3. 熟悉 GMR 模拟传感器的构成；4. 测量 GMF 磁阻特性曲线。【实验仪器】ZKY-JCZ 巨磁电阻效应及应用实验仪、基本特性组件、导线【实验原理】一、巨磁电阻效应定义及发展过程1 、 定义2007 年 10月，科学界的最高盛典一瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度，法国 科学家阿尔贝费尔 (Albert Fert) 和德国科学家彼得格林贝格尔(Peter Grun berg) 因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得 2007 年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在评价
2、这项成就时表示， 今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。巨磁阻到底是什么？诺贝尔评委会主席佩尔卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台 1954 年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般 大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。 目前，根据该效应 开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。“巨磁电阻”效应(GMR Gia nt Mag neto Resista nee)是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无 外磁场作用时存在巨大变
3、化的现象。也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10 余倍。2、发展过程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)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(或亚铁 磁)有序状态，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。直接图1 ( Fe/Cr) ri多层膜的GM瞰应特性曲线Phy
4、sical Review Letters 上发表换作用的特征长度为01-03nm，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，所以 1970年之后，科学家就探索人工微结构中的磁性交换作用。1988年法国的M.N.Baibich等人在美国物理学会主办的了有关 Fe/Cr 巨磁电阻效应的著名论文，首次报告了采用分子外延生长工艺(MBE 制成Fe （100）心（100）规则型点阵多层膜结构。在这种（Fe/Cr） n结构中，Fe为强铁磁性金属，Cr为反铁磁性金属， n 为 Fe 和 Cr 的总层数。它是采用MBE 工艺将 Fe（100） /Cr（100） 生长在
5、 GaAs芯片上，其工艺条件是，保持MBE室内剩余压力为6.7 X l0-9Pa,芯片温度20C淀积速率：对于Fe为0.06nm/s ；对于Cr为0.1 nm/s。它们每层的厚度约（0.9 9）nm,通常为30层。为获得上述淀积速 率，还专门设计了坩埚蒸发器。经实验发现，当Cr 的厚度小于（0.9 3） nm 时，它与Fe层之间偶合的一个反向铁磁特性（AF）的磁滞回线斜率逐渐增大。图1显示了 Fe层为3nm, Cr层分别为0.9nm、1.2nm和1.8nm，磁感应强度B在土 2T范围内，热力学温度T=4.2K, n=30、35、 60 时， 3 个不同样本的特性。随着Cr 厚度的增加和总层数的
6、降低， r/r 也升高，而且高斯磁场强度B越弱， r/r越高，当B2T时，Fe （3nm） /Cr （0.9nm）膜的 r/r可达50%以上。实验还发现，即使温度升至室温，B 降低了 30%A r/r 也可达到低温值的一半，这一结论具有十分大的实用价值。就在此前 3 个月，德国尤利希科研中心的物理学家彼得格伦贝格尔（Peter Grunberg ） 领导的研究小组采用分子束外延（MBE） 方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为 0.8 nm 的铬层，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场，发现 膜两边的两个铁 磁层磁矩从彼此平行（较强磁场下）转变为反平
7、行（弱磁场下）。换言之，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，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。 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%1990 年 IBM 公司的斯图尔特帕金 （S. P. Parkin ） 首次报道了除铁-铬超晶格，还有钴-钉和 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 种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系，为 GM 材料开辟了广阔的空间，同时帕金
8、采用较普通的磁控溅 射技术代替了精密的 MB 方法制备薄膜，目前这已经成为工业生产多层膜的标准。1992 年 A.E.Berkowitz 和 Chien 等人首次发现了 Fe、 Co 与 Cu、 Ag 分别形成二元合金颗粒 膜中的磁电阻效应，在低温下其 r/r 可达（40 60） %随后陆续出现了 Fe-Ag、 Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag 等颗粒多层膜。1993 年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比GMR 更大的磁电阻效应，即 ColossalMagn eto Resista nee （CMR 庞磁电阻效应，开拓了GMR 研究的新领域。在发现低磁场 GMR 效应之后， 1994 年
9、C.Tsang 等研制出全集成化的 GMR 器件一一自旋阀。 同年，美国 的 IBM 公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头，它将磁盘记录密度提高了17 倍，达 5Gbit/6.45em 2（in 2）。二、巨磁电阻效应的原理及应用巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层 （几个纳米厚）结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层 的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。1 、巨磁电阻效应的原理根据导电的微观机理， 金属中电子在导电时并不是沿
10、电场直线前进，而是不断与处于晶格位置的原子实产生碰撞（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 的定向加速和随机 散射运动的叠加.电子在两次散射之间运动的平均路程称为平均自由程，电子通常忽略散射几率越小，平均自由程就越长，电阻率就低.欧姆定律 R=p l/S 应用于宏观材料时边界效应，把电阻率P视为常数当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例 如，铜原子的直径约为03 nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观测到厚度减小， 电阻率增加的现象.电子具有自旋特性，在外磁场中电子自旋磁矩的方向平行或反平行于磁场方 向。在一些铁磁材料中，自旋磁矩与外磁场
11、平行的电子的散射几率，远小于 与外磁场反平行的电子。材料的总电阻相当于两类电子各自单独存在时的电 阻的并联这个电阻直接影响材料中的总电流即材料的总电流是两类自旋电子电流之和；总电阻 是两类自旋电子电流的并联电阻，这就是两电流模型。如图2所示，多层GM结构中，无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁矩 是反平行（反铁磁）耦合的一一因为这样能量最小在足够强的外磁场作用无夕卜磁场时硕层强场方向下，铁磁膜的磁矩方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行图2多层膜gm结构图平行自旋一总电阻小反平行自旋一总电阻大耦合变成了平行耦合。在两个琲性嵐中如果 磁化的肓向相同，其有 平行自旋的电子虹 色）就可以通过轄
12、个体 系而干会有大范围的 散射因此，体孫的总 电阻很小。在两个磁性层中， 如果磁化的方向 相反，在其中-层 具有反平行自旋 的所有电子将被 强烈的散射因此, 体系的总电阻很 高。有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。界面上的散射 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， 从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行T反平行或反平行T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.无外磁场时，上下两层铁磁膜内的散射由于无规则散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁
13、膜之间穿行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，两类自旋电子电流的并联电阻类似于两个中等阻值的电阻的并联， 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，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， 两类自旋电子电流的并联电阻类似于一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。图3是一种GM材料的磁阻特性。由图中正向磁场方向可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小（图中实71W线），SOI I图3磁阻特性曲线其间有一段线性区域， 当外磁场已使两铁磁膜磁场方向完全平行耦合后， 继续加大磁场，电
14、阻不 再减小，达到磁饱和状态；从磁饱和状态开始减小磁场，（图中虚线）两条曲线不重合是因为铁磁材料具有的磁滞特性加反向磁场与加正向磁场时的磁阻特性是对称的。2、巨磁电阻效应的应用 众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道， 每个磁道又被划分为若干个扇区。磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、 体积极为细小的磁颗粒组成， 若干个磁颗粒组成一个记 录单元来记录1比特（bit ）信息，即0或1。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。当磁头“扫描”过磁盘面的各个区域时， 各个区域中记录的不同磁信号就
15、被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“ 0”和“ 1 ”，成为所有信息的原始译码。伴随着信息数字化的大潮，人们开始寻求不断缩小硬盘体积同时提高硬盘容量的技术。1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了 “巨磁电阻”效应，也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应。这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题：当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越 弱。借助“巨磁电 阻”效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。然而，随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种磁头，磁致电阻的变化仅为 1% 2%之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且磁道密度不能太大，因 此使用传统磁头的硬 盘最大容量只能达到每平方英寸20 兆位。硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。1997 年
