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1、巨磁巨磁电阻效阻效应与自旋与自旋电子学子学黄志高黄志高 福建师范大学物理与光电信息科技学院福建师范大学物理与光电信息科技学院 一、年诺贝尔物理学奖一、年诺贝尔物理学奖法国科学家阿尔贝法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得费尔和德国科学家彼得格林贝格尔因发现巨磁电格林贝格尔因发现巨磁电阻效应而荣获阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖。据悉，巨磁电阻效应相关技术被用年诺贝尔物理学奖。据悉，巨磁电阻效应相关技术被用于读取硬盘中数据，这项技术是最近几年硬盘小型化实现过程中的关键。于读取硬盘中数据，这项技术是最近几年硬盘小型化实现过程中的关键。瑞典斯德科尔摩皇家科学院发布的颁奖声明称，阿尔贝瑞典斯德科尔摩
2、皇家科学院发布的颁奖声明称，阿尔贝费尔和彼得费尔和彼得格林贝格尔格林贝格尔1988年各自独立发现了一种全新的物理效应年各自独立发现了一种全新的物理效应-巨磁电阻效应，即巨磁电阻效应，即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化。该系统非一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化。该系统非常有助于从硬盘中读取数据，因为机器在读取数据时必须把用磁记录的信息常有助于从硬盘中读取数据，因为机器在读取数据时必须把用磁记录的信息转换成电流。随着这项发现公布，一些研究者和工程师开始在制作读取头中转换成电流。随着这项发现公布，一些研究者和工程师开始在制作读取头中加以应用，加以应用，
3、1997年首个应用巨磁电阻效应的读取头研制成功，很快成为标年首个应用巨磁电阻效应的读取头研制成功，很快成为标准技术，即便今天最新的读取技术也均由巨磁电阻效应发展而来。准技术，即便今天最新的读取技术也均由巨磁电阻效应发展而来。 阿尔贝阿尔贝费尔费尔1938年年3月月7日出生于法国的卡尔卡松，日出生于法国的卡尔卡松，已婚并有两个孩子。已婚并有两个孩子。1962年，费尔在巴黎高等师范学院获年，费尔在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。数学和物理硕士学位。1970年，费尔从巴黎第十一大学获年，费尔从巴黎第十一大学获物理学博士学位。物理学博士学位。阿尔贝阿尔贝费尔目前为巴黎第十一大学物理学教授。费费尔
4、目前为巴黎第十一大学物理学教授。费尔从尔从1970年到年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。室工作。后任研究小组组长。1995年至今则担任国家科学年至今则担任国家科学研究中心研究中心-Thales 集团联合物理小组科学主管。集团联合物理小组科学主管。1988年，年，费尔发现巨磁电阻效应，同时他对自旋电子学作出过许多费尔发现巨磁电阻效应，同时他对自旋电子学作出过许多贡献。贡献。费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，年获美国物理学会颁发的
5、新材料国际奖，1997年获欧年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国年获法国国家科学研究中心金奖。家科学研究中心金奖。 德国科学家彼得德国科学家彼得格林贝格尔格林贝格尔1939年年5月月18日日出生。从出生。从1959年到年到1963年，格林贝格尔在法兰克年，格林贝格尔在法兰克福约翰福约翰-沃尔夫冈沃尔夫冈-歌德大学学习物理，歌德大学学习物理，1962年获得年获得中级文凭，中级文凭，1969年在达姆施塔特技术大学获得博士年在达姆施塔特技术大学获得博士学位。学位。1988年，格林贝格尔在尤利西研究中心研究并年，格林贝格尔在尤利西研究中心研究
6、并发现巨磁电阻效应；发现巨磁电阻效应；1992年被任命为科隆大学兼任年被任命为科隆大学兼任教授；教授；2004年在研究中心工作年在研究中心工作32年后退休，但仍在年后退休，但仍在继续工作。继续工作。格林贝格尔在学术方面获奖颇丰，包括格林贝格尔在学术方面获奖颇丰，包括1994年年获美国物理学会颁发的新材料国际奖获美国物理学会颁发的新材料国际奖(与阿尔贝与阿尔贝费尔、帕克林共同获得费尔、帕克林共同获得)；1998年获由德国总统颁年获由德国总统颁发的德国未来奖；发的德国未来奖；2007年获沃尔夫基金奖物理奖年获沃尔夫基金奖物理奖(与阿尔贝与阿尔贝费尔共同获得费尔共同获得)。 1997年，第一个基于年
7、，第一个基于“巨磁电阻巨磁电阻”效应的数效应的数据读出头问世，并很快引发了硬盘的据读出头问世，并很快引发了硬盘的“大容量、大容量、小型化小型化”革命。如今，革命。如今，笔记本电脑笔记本电脑、音乐、音乐 播放器播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了应用了“巨磁电阻巨磁电阻”效应，这一技术已然成为新效应，这一技术已然成为新的标准。的标准。瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一项发瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一项发明于上世纪明于上世纪70年代的技术，即制造不同材料的超年代的技术，即制造不同材料的超薄层的技术，使得人们有望制造出只有几个原子薄层
8、的技术，使得人们有望制造出只有几个原子厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在材料薄膜构成的结构，因而只要在“巨磁电阻巨磁电阻”效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。 小硬盘中的大发现小硬盘中的大发现“巨磁电阻巨磁电阻”效应效应 二、研究背景及意义研究背景及意义88年，磁性多层膜的巨磁电阻效应年，磁性多层膜的巨磁电阻效应92年，颗粒膜的巨磁电阻效应年，颗粒膜的巨磁电阻效应93年，掺杂氧化物的巨磁电阻效应年
9、，掺杂氧化物的巨磁电阻效应94年，磁性随机存储器年，磁性随机存储器95年，年，自旋电子学自旋电子学- 一门新兴学科的诞生一门新兴学科的诞生1 自旋电子的发展自旋电子的发展94-至今至今 自旋电子材料的应用自旋电子材料的应用(1) 磁电阻磁电阻(MR)磁性传感器磁性传感器 比半导体和金属合金磁性传感器性能更优比半导体和金属合金磁性传感器性能更优 异异,稳定性更好稳定性更好.(2) MR磁记录读出磁头磁记录读出磁头 灵敏度高灵敏度高 是实现新型超高密度磁记录的关键技术是实现新型超高密度磁记录的关键技术MR磁记录读出磁头磁记录读出磁头灵敏度高灵敏度高是实现新型超高密度磁记录的关键技术是实现新型超高密
10、度磁记录的关键技术(1) 磁电阻磁电阻(MR)磁性传感器磁性传感器 比半导体和金属合金磁性传感器性能更优比半导体和金属合金磁性传感器性能更优 异异,稳定性更好稳定性更好.(2) MR磁记录读出磁头磁记录读出磁头 灵敏度高灵敏度高 是实现新型超高密度磁记录的关键技术是实现新型超高密度磁记录的关键技术(3) MR随机存储器随机存储器94-至今至今 自旋电子材料的应用自旋电子材料的应用Writing 0Writing 0Writing 1Writing 1记录记录单元单元2、磁电阻式、磁电阻式1、电容式、电容式gogo随机存储器随机存储器半导体随机存储器半导体随机存储器Write Write “ “
11、 0 0 ” ”Write Write “ “ 1 1 ” ”缺点：缺点：断电时存储的信息容易丢失断电时存储的信息容易丢失结构图结构图:原理图原理图:记录介质记录介质介质介质介质介质电极电极1电极电极2介质介质非磁层非磁层磁层磁层1磁层磁层2磁性随机存储器磁性随机存储器 自旋电子材料一个重要应用自旋电子材料一个重要应用结构结构:原理原理:记录介质记录介质优点：优点：断电时存储的信息不丢失断电时存储的信息不丢失不同电子自旋排列表示不同电子自旋排列表示“0”和和“1”Write Write “ “ 0 0 ” ”Write Write “ “ 1 1 ” ”FM(Co(001)NM(Cu(001)
12、(Al-O)FM(Ni-Fe)2 自旋电子材料的重要效应自旋电子材料的重要效应: 自旋相关散射自旋相关散射(磁电阻效应磁电阻效应)上下自旋平行时电子容易通过上下自旋平行时电子容易通过-低电阻态低电阻态上下自旋反平行时电子被散射上下自旋反平行时电子被散射高电阻态高电阻态M.N. Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).三三 自旋电子（磁电阻）材料自旋电子（磁电阻）材料块材块材 CMR、铁氧体、半金属氧化物、铁氧体、半金属氧化物嵌于嵌于CMR、半金属材料、磁性半导体的磁性、半金属材料、磁性半导体的磁性原子团的自旋相关隧穿原子团的自旋相关隧穿
13、CMR材料的磁电阻实验结果材料的磁电阻实验结果*磁性多层膜与磁性超晶格磁性多层膜与磁性超晶格 Fe/Cr, Co/Cu, Fe/AgConductorTunneling barrierGMR自旋阀自旋阀TMR 磁性隧道结磁性隧道结BufferBufferAntiferromagnetAntiferromagnet输运核心输运核心磁钉扎体系磁钉扎体系Spin-valve-type structures Ta Py Cu PyIrMnCoRu CoFe NiFe CuAlOx Ta CuFePyIrMn CoFeCoFe / NiFe CuAlOx*颗粒膜颗粒膜 如如Co-Cu, Fe-Ag, Fe-Co-Cu* 自组装纳米线阵与纳米点阵自组装纳米线阵与纳米点阵 Co-Cu
