巨磁电阻材料的性质和应用研究现状

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1、巨磁电阻材料的性质与应用巨磁电阻材料的性质与应用 研究现状研究现状目录目录l一、磁电阻及巨磁电阻简介一、磁电阻及巨磁电阻简介l二、二、GRM材料的要求及种类材料的要求及种类l三、巨磁电阻的应用三、巨磁电阻的应用l四、展望四、展望一、磁电阻及巨磁电阻简介一、磁电阻及巨磁电阻简介许多导体材料的电阻是受外加磁场影响的，这种磁许多导体材料的电阻是受外加磁场影响的，这种磁 场改场改 变引起变引起 导体电阻率变化的现象被称为磁电阻导体电阻率变化的现象被称为磁电阻 (Magnetoresistance，MR)效效 应应 。表征磁电阻效应大小的。表征磁电阻效应大小的物理量为磁阻比物理量为磁阻比(MR比比),其

2、定义如下：其定义如下：其中，H磁场下的电阻率；0零磁场下的电阻率。磁磁 电电 阻阻 效效 应应 的的 产产 生有不生有不 同同 的物的物 理机理机 制制 ，按，按 不不 同的同的物物 理理 机机 制制 可作可作 如如 下下 分类分类 ：正：正 常磁常磁 电阻效应电阻效应 、各、各 向向异异 性性 磁磁 电电 阻效阻效 应应 、巨磁、巨磁 电阻效应电阻效应 、庞磁电阻效应等、庞磁电阻效应等 。1）正）正 常磁常磁 电电 阻阻 (Ordinary Magnetoresistance，OMR)效应效应 。普遍存在于所有金属。普遍存在于所有金属 中，它的产生机制是传导中，它的产生机制是传导电子受到磁场

3、的洛仑兹力的作用而产生螺旋运动电子受到磁场的洛仑兹力的作用而产生螺旋运动 ，从而，从而使材料的电阻升高使材料的电阻升高 。实际中大部分材。实际中大部分材 料的料的 OMR都比较都比较小没有实用价值。小没有实用价值。2）各）各 向向 异异 性性 磁磁 电电 阻（阻（Anisotropic Magnetoresistance，AMR）效应）效应 。存在于铁磁金属及。存在于铁磁金属及其合金材料其合金材料 中中 ，电阻率随电流和磁化强度的相对取向，电阻率随电流和磁化强度的相对取向而不而不 同。铁磁金属同。铁磁金属 的的AMR在室温下可以达到在室温下可以达到 23，由于一些磁性材料由于一些磁性材料 的磁

4、矩可以用很小的磁场来翻转，所的磁矩可以用很小的磁场来翻转，所以有比较高的灵以有比较高的灵 敏度。敏度。AMR效应已经有了很多的应用效应已经有了很多的应用 ，比如，比如 90年代初期年代初期 计算机读计算机读 出磁头以及各出磁头以及各 种高灵敏度种高灵敏度的磁场传感。的磁场传感。费尔费尔1938年年3月出生于法国南部小城卡尔卡月出生于法国南部小城卡尔卡索纳，索纳，1970年在南巴黎大学获博士学位，年在南巴黎大学获博士学位，1976年开始担任南巴黎大学教授。自年开始担任南巴黎大学教授。自1995年年以来，费尔还一直担任法国国家科研中心与以来，费尔还一直担任法国国家科研中心与法国泰雷兹集团组建的联合

5、物理实验室科学法国泰雷兹集团组建的联合物理实验室科学主管。费尔于主管。费尔于2004年当选法国科学院院士。年当选法国科学院院士。格林贝格尔格林贝格尔1939年出生于比尔森，年出生于比尔森，1969年在年在达姆施塔特技术大学获博士学位，达姆施塔特技术大学获博士学位，1972年开年开始担任德国尤利希研究中心教授。始担任德国尤利希研究中心教授。2004年退年退休。他的知识产权保护意识比较强。格林贝休。他的知识产权保护意识比较强。格林贝格尔为此还申请了专利。格尔为此还申请了专利。“你的计算机硬盘存储能力有多大，你的计算机硬盘存储能力有多大， 他们的贡献就有多大他们的贡献就有多大” ” 世界上第一台计算

6、机世界上第一台计算机1T硬盘硬盘二、二、GRM材料的要求及种类材料的要求及种类l为了满足应用的要求为了满足应用的要求, 对对GMR材料的主要要求是材料的主要要求是: 1、高的室温高的室温GMR效应效应, 即由外加磁场引起的室温即由外加磁场引起的室温电阻变化率高电阻变化率高; 2、低的工作磁场低的工作磁场, 即在较低的外加磁场强度下得即在较低的外加磁场强度下得到高的到高的MR; 3、高的稳定性高的稳定性, 即环境条件即环境条件( 温度、湿度、振动温度、湿度、振动等等) 变化时变化时, MR的变化要尽量小。的变化要尽量小。l就目前研究热点的几类就目前研究热点的几类GMR材料材料, 可以说是各有可以

7、说是各有特点。特点。 已发现具有已发现具有GMR效应的材料主要有效应的材料主要有多层膜多层膜、自旋自旋阀阀、纳米颗粒膜纳米颗粒膜、磁性隧道结磁性隧道结、非连续多层膜、非连续多层膜、氧化物陶瓷、熔淬薄带氧化物陶瓷、熔淬薄带等。等。u多层膜多层膜 各种铁磁层（各种铁磁层（Fe、Ni、Co及其合金）和非磁层（包及其合金）和非磁层（包括括3d、4d、以及、以及5d非磁金属）交替生长而构成的磁性多非磁金属）交替生长而构成的磁性多层膜，大多都具有层膜，大多都具有GRM效应，其中尤以多晶（效应，其中尤以多晶（Co/Cu）多层膜的磁电阻效应最为突出。室温、多层膜的磁电阻效应最为突出。室温、1T磁场下磁场下GM

8、R值值为为70%，远大于多晶（，远大于多晶（Fe/Cr）。）。 目前最常用的制备金属多层膜的方法主要由溅射、蒸目前最常用的制备金属多层膜的方法主要由溅射、蒸发和分子束外延发和分子束外延. 多层膜多层膜GMR数值远较数值远较AMR大，为负值，基本为各向大，为负值，基本为各向同性。其测试方法有两种：同性。其测试方法有两种：CIP（Current-in-plane），即），即电流沿膜面；电流沿膜面；CPP（Current flowing perpen dicular to the plane），电流与膜面垂直。通常采用），电流与膜面垂直。通常采用CIP方式。因为电子方式。因为电子的运动是混乱的，可穿

9、越若干层，并经受层内及界面自旋的运动是混乱的，可穿越若干层，并经受层内及界面自旋相关的散射，总电阻为电子经过各层的各个等效电阻的总相关的散射，总电阻为电子经过各层的各个等效电阻的总和。在和。在CPP模式下，由于电子是垂直于膜面穿过多层膜，模式下，由于电子是垂直于膜面穿过多层膜，要经受更多的与自旋相关的杂质和缺陷的散射；另外，非要经受更多的与自旋相关的杂质和缺陷的散射；另外，非磁金属层的分流效应也被排除，因此垂直模式下可以得到磁金属层的分流效应也被排除，因此垂直模式下可以得到更大的磁电阻效应更大的磁电阻效应。u多层膜多层膜巨磁电阻效应基本原理巨磁电阻效应基本原理图图1 Fe/Cr多层膜的实验曲线

10、多层膜的实验曲线(a)磁化曲线，磁化曲线，(b)室温下的巨磁室温下的巨磁电阻，电阻，(c)低温下的巨磁电阻低温下的巨磁电阻图图2 铁磁层耦合示意图铁磁层耦合示意图巨磁电阻效应基本原理巨磁电阻效应基本原理图图3 多层膜系统等效电阻示意图多层膜系统等效电阻示意图 (a)反铁磁耦合，反铁磁耦合，(b)铁磁耦合铁磁耦合根根 据据 Mott的的双流体模型双流体模型（将传导电子分为自旋向（将传导电子分为自旋向上与向下两类导电载流子上与向下两类导电载流子的物理图象），若导电的物理图象），若导电 电子自旋方向与局域磁电子自旋方向与局域磁 矩反平行矩反平行 ，则受到非常，则受到非常 强的散射强的散射 ，电阻较大

11、，电阻较大 ；而当导电电子自旋方向与而当导电电子自旋方向与局域磁矩平行时局域磁矩平行时 ，则受，则受到的散射就弱的多到的散射就弱的多 ，电，电阻较小。阻较小。图图4 过渡金属态密度函数过渡金属态密度函数N（E）示意图）示意图为什么不同自旋取向散射率会不同，为什么不同自旋取向散射率会不同，从从态密度理论出发态密度理论出发可以这样来理解：可以这样来理解：3d过渡元素金属中，由于量子力学过渡元素金属中，由于量子力学的交换作用，的交换作用，d能带将分裂为两个能带将分裂为两个不同自旋取向的次能带，为了简单不同自旋取向的次能带，为了简单明了起见，图中设明了起见，图中设3d 能带低于费能带低于费米能级，全被

12、电子所占据，而米能级，全被电子所占据，而3d 带却部分被填充，而磁性金属的饱带却部分被填充，而磁性金属的饱和磁化强度取决于这两个次能带磁和磁化强度取决于这两个次能带磁矩之差。显然对自旋向上的传导电矩之差。显然对自旋向上的传导电子只能在子只能在s带被散射，散射较弱，带被散射，散射较弱，而对自旋向下的电子除而对自旋向下的电子除s带外，带外，3d带亦可被散射，散射强，平均自由带亦可被散射，散射强，平均自由路径短，因此从态密度理论出发，路径短，因此从态密度理论出发，在上述情况下，当传导电子自旋平在上述情况下，当传导电子自旋平行于局域磁化矢量时，具有低电阻行于局域磁化矢量时，具有低电阻特性，反平行时为高

13、电阻态。特性，反平行时为高电阻态。u多层膜多层膜多层膜的多层膜的GMRGMR效应的影响因素效应的影响因素Fe/Cr多层膜巨磁电阻效应多层膜巨磁电阻效应周期数影响周期数影响多层膜的多层膜的GMR随总周期数的增加而增大，当总膜厚达随总周期数的增加而增大，当总膜厚达到与平均自由程相当时，到与平均自由程相当时，GMR值逐渐趋饱和，不再值逐渐趋饱和，不再随周期数而增大。随着周期数增加，界面粗糙度增大，随周期数而增大。随着周期数增加，界面粗糙度增大，界面自旋相关散射作用增强；表面散射作用减弱，界界面自旋相关散射作用增强；表面散射作用减弱，界面散射作用权重增强。但也有结果表明，界面粗糙度面散射作用权重增强。

14、但也有结果表明，界面粗糙度增大只会导致增大只会导致GMR减小。当然，膜厚增加会影响到减小。当然，膜厚增加会影响到多层膜中晶体的生长情况，不同膜厚产生晶界的变化多层膜中晶体的生长情况，不同膜厚产生晶界的变化也将影响到也将影响到GMR的值。的值。缓冲层与覆盖层缓冲层与覆盖层为了制备良好的多层结构，常在衬底上沉积为了制备良好的多层结构，常在衬底上沉积510nm的的缓冲层，如缓冲层，如Fe、Zn、Ru等，这样可改善多层织构，等，这样可改善多层织构，降低层厚起伏和界面粗糙度，有利于获得平整的界面。降低层厚起伏和界面粗糙度，有利于获得平整的界面。为防止氧化，要在表面沉积覆盖层。然而这两种附加为防止氧化，要

15、在表面沉积覆盖层。然而这两种附加层会对多层膜的电阻其短路作用和分流作用。层会对多层膜的电阻其短路作用和分流作用。温度依赖性温度依赖性MR比值随温度上升而减小。因为温度上升时引入了更多比值随温度上升而减小。因为温度上升时引入了更多的散射，如声子、磁振子散射，使电阻率上升，的散射，如声子、磁振子散射，使电阻率上升，MR比值下降。另外，高温附加散射不同于低温下杂质及比值下降。另外，高温附加散射不同于低温下杂质及缺陷散射，改变了不对称散射因子。再者，磁振子散缺陷散射，改变了不对称散射因子。再者，磁振子散射导致自旋混合效应，从而减弱了巨磁电阻效应。射导致自旋混合效应，从而减弱了巨磁电阻效应。界面结构界面

16、结构包括界面结构取向、界面粗造度、能使磁性层间发生耦包括界面结构取向、界面粗造度、能使磁性层间发生耦合作用的针孔效应、界面区不同成分的原子相互渗透合作用的针孔效应、界面区不同成分的原子相互渗透的程度等。例如，在的程度等。例如，在Ni/Cu和和NiFe/Cu自旋阀结构中，自旋阀结构中，界面原子磁矩因界面原子互扩散而减少并变得杂乱无界面原子磁矩因界面原子互扩散而减少并变得杂乱无章，从而导致章，从而导致GMR的显著降低。的显著降低。u自旋阀自旋阀GMR材料材料 在通常的磁性多层膜中存在较强的层间交换耦合，在通常的磁性多层膜中存在较强的层间交换耦合，阻碍了相邻磁层中磁矩相对取向发生变化阻碍了相邻磁层中

17、磁矩相对取向发生变化 ，GMR效效应必须在很高的饱和外磁场应必须在很高的饱和外磁场(10至至20kOe)才能达到才能达到 ，所以这样的多层膜体系的磁电阻的灵敏度非常小。所以这样的多层膜体系的磁电阻的灵敏度非常小。 1991年年 ，IBM公公 司的司的BDieny提提 出铁磁层出铁磁层/隔离层隔离层/铁磁层铁磁层/反铁磁层结反铁磁层结 构构 ，并首先在，并首先在NiFe/Cu/NiFe/FeMn多层膜多层膜 中发现了低饱和场中发现了低饱和场GMR效应。这种结构的多效应。这种结构的多层膜利用电子的自旋特性，像阀一样限制电子的移动，层膜利用电子的自旋特性，像阀一样限制电子的移动，故命名为自旋阀故命名

18、为自旋阀(spin valve)。自旋阀通常可分为两种基本方式自旋阀通常可分为两种基本方式 ：一种被非磁层分开：一种被非磁层分开的两软磁层之一用反铁磁层的两软磁层之一用反铁磁层(如如 MnFe或或 NiO)通过交换通过交换作用钉扎，如作用钉扎，如 MnFe/FeNi/Cu/FeNi自旋阀多层膜结构自旋阀多层膜结构 ；另一种是具有不同矫顽；另一种是具有不同矫顽 力的两铁磁层力的两铁磁层(通常通常 一软一软 一一硬硬)用非磁层分开用非磁层分开 。u自旋阀自旋阀GMR材料材料“钉扎层钉扎层”“被钉扎层被钉扎层”“自由层自由层”“分隔层分隔层”第一类自旋阀示意图第一类自旋阀示意图第二类自旋阀示意图第二

19、类自旋阀示意图“硬磁性层硬磁性层”“软磁性层软磁性层”“分隔层分隔层”采用第一种方式的采用第一种方式的GMRGMR自旋阀基本结构如下图所示。该类自自旋阀基本结构如下图所示。该类自旋阀多层膜结构原理上可以分为四层：反铁磁钉扎层，铁旋阀多层膜结构原理上可以分为四层：反铁磁钉扎层，铁磁被钉扎层，非磁性分隔层和铁磁自由层。其中，自由层磁被钉扎层，非磁性分隔层和铁磁自由层。其中，自由层和被钉扎层采用软铁磁材料和被钉扎层采用软铁磁材料( (也可采取自由层为软铁磁材料也可采取自由层为软铁磁材料 ，被钉扎层使用硬铁磁材料的结构，被钉扎层使用硬铁磁材料的结构) )，它们之间的非磁性金，它们之间的非磁性金属隔离层

20、属隔离层 ，只对自由层和被钉扎层进行磁隔离，而不进行，只对自由层和被钉扎层进行磁隔离，而不进行电隔离，改变其厚度可以控制在其两面磁性薄膜之间的耦电隔离，改变其厚度可以控制在其两面磁性薄膜之间的耦合强度，外磁场可以较方便地改变自出层的磁矩而较难改合强度，外磁场可以较方便地改变自出层的磁矩而较难改变被钉扎层的磁矩。变被钉扎层的磁矩。“钉扎层钉扎层”“被钉扎层被钉扎层”“自由层自由层”“分隔层分隔层”第一类自旋阀示意图第一类自旋阀示意图实例分析：实例分析：FeMn（7nm）TaNiFe（4.5）Cu（2.2nm）NiFe（6nm）NiFe（6nm）/Cu（2.2nm）/NiFe（4.5）/FeMn（

21、7nm）自旋阀示意图）自旋阀示意图在磁场强度等于在磁场强度等于NiFe（6nm）层的反向矫顽力的外场作）层的反向矫顽力的外场作用下，用下， NiFe（6nm）层中的磁化矢量首先翻转，这时，）层中的磁化矢量首先翻转，这时，在两个在两个NiFe层中的磁化矢量成反平行排列，这就形成了层中的磁化矢量成反平行排列，这就形成了电子自旋相关散射的高电阻态。如果磁场在反方向上继电子自旋相关散射的高电阻态。如果磁场在反方向上继续增加，当磁场强度达到某一临界值时，续增加，当磁场强度达到某一临界值时， NiFe（4nm）层也转向磁场方向，这就形成了电子自旋）层也转向磁场方向，这就形成了电子自旋相关的低电阻态。相关的

22、低电阻态。自旋阀的磁化曲线（自旋阀的磁化曲线（a）和磁电阻曲线）和磁电阻曲线（b）采用第二种方式的采用第二种方式的GMR自旋阀基本结构如下图所示。可自旋阀基本结构如下图所示。可以用硬铁磁层（如以用硬铁磁层（如PtCo）代替钉扎层和被钉扎层，因为）代替钉扎层和被钉扎层，因为二者的矫顽力不同，在适当磁场下亦可使相邻铁磁层的二者的矫顽力不同，在适当磁场下亦可使相邻铁磁层的磁化方向从接近平行变化到平行饱和状态，从而也得到磁化方向从接近平行变化到平行饱和状态，从而也得到巨磁电阻。相对第一种方式其优点是结构简单，且可选巨磁电阻。相对第一种方式其优点是结构简单，且可选择抗腐蚀和热稳定性好的硬磁材料，克服了自

23、旋阀的不择抗腐蚀和热稳定性好的硬磁材料，克服了自旋阀的不耐腐蚀和稳定性差的缺点。它的缺点是硬磁层与自由层耐腐蚀和稳定性差的缺点。它的缺点是硬磁层与自由层之间存在耦合，自由层的矫顽力增大，因此降低了自旋之间存在耦合，自由层的矫顽力增大，因此降低了自旋阀的灵敏度。阀的灵敏度。第二类自旋阀示意图第二类自旋阀示意图“硬磁性层硬磁性层”“软磁性层软磁性层”“分隔层分隔层”自旋阀的优点与缺点自旋阀的优点与缺点优点：磁电阻变化率优点：磁电阻变化率R/R对外磁场的响应呈线性关系，频对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；低饱和场，工作磁场小；与率特性好；低饱和场，工作磁场小；与AMR相比，电阻随相比，电阻随磁场

24、变化迅速，因而操作磁通小，灵敏度高；利用层间转磁场变化迅速，因而操作磁通小，灵敏度高；利用层间转动磁化过程能有效地抑制动磁化过程能有效地抑制Barkhausen噪声，信噪比高。噪声，信噪比高。缺点：自旋阀多层膜的磁电阻变化量并不大，同时现在面缺点：自旋阀多层膜的磁电阻变化量并不大，同时现在面临的最大问题是它的抗腐蚀和热稳定性都不太好。临的最大问题是它的抗腐蚀和热稳定性都不太好。u纳米颗粒结构的纳米颗粒结构的GMR效应效应 金属颗粒膜是指铁磁性金属（如金属颗粒膜是指铁磁性金属（如Co、Fe等）以颗粒的等）以颗粒的形式分散地镶嵌于非互熔的非磁性金属（如形式分散地镶嵌于非互熔的非磁性金属（如Ag、C

25、u等）等）的母体中所构成的复合材料。的母体中所构成的复合材料。 实验室中常采用磁控溅射、离子束溅射等方法，颗粒实验室中常采用磁控溅射、离子束溅射等方法，颗粒的尺寸大小可以通过控制退火温度或者衬底温度来实现，的尺寸大小可以通过控制退火温度或者衬底温度来实现，其尺寸范围可在几个纳米到几十个纳米之间任意变化。其尺寸范围可在几个纳米到几十个纳米之间任意变化。 颗粒膜是以微颗粒的形式弥散于薄膜中，不同于合金、颗粒膜是以微颗粒的形式弥散于薄膜中，不同于合金、化合物，属于非均匀相组成体系。化合物，属于非均匀相组成体系。颗粒膜示意图颗粒膜示意图当外加于颗粒膜的磁场为零时，颗粒膜的磁化强度为零，当外加于颗粒膜的

26、磁场为零时，颗粒膜的磁化强度为零，各铁磁颗粒的磁化方向混乱排列，传导电子受到最大的各铁磁颗粒的磁化方向混乱排列，传导电子受到最大的散射作用，样品处于大电阻状态，当外磁场增加时，颗散射作用，样品处于大电阻状态，当外磁场增加时，颗粒膜存在一定的磁化强度，各铁磁颗粒的磁化方向趋于粒膜存在一定的磁化强度，各铁磁颗粒的磁化方向趋于外磁场方向，传导电子所受散射小，样品电阻降低外磁场方向，传导电子所受散射小，样品电阻降低。（a）无外加磁场）无外加磁场（b）外加饱和磁场）外加饱和磁场颗粒膜中磁化状态颗粒膜中磁化状态影响影响GMR效应的因素效应的因素当磁性颗粒体积百分数低时，颗粒数目少，散射中心少，当磁性颗粒体

27、积百分数低时，颗粒数目少，散射中心少，此外颗粒间距大，如间距大于电子在介质中的平均自由程此外颗粒间距大，如间距大于电子在介质中的平均自由程时，将降低巨磁电阻效应，因此随着铁磁浓度增加，总的时，将降低巨磁电阻效应，因此随着铁磁浓度增加，总的趋势是增大巨磁电阻效应的。然而在颗粒浓度增大的同时，趋势是增大巨磁电阻效应的。然而在颗粒浓度增大的同时，颗粒尺寸亦将变大，当颗粒尺寸超过电子在颗粒内平均自颗粒尺寸亦将变大，当颗粒尺寸超过电子在颗粒内平均自由程时，又将减低巨磁电阻效应。此外，随着颗粒浓度增由程时，又将减低巨磁电阻效应。此外，随着颗粒浓度增加，颗粒间相互作用增强，在一定浓度时在颗粒膜中可以加，颗粒

28、间相互作用增强，在一定浓度时在颗粒膜中可以形成磁畴结构，形成磁畴结构，GMR效应消失，于是在一定铁磁颗粒浓效应消失，于是在一定铁磁颗粒浓度时将呈现度时将呈现GMR效应极大值。效应极大值。Co-Ag, Fe-Ag等颗粒等颗粒膜的巨磁电阻效应与膜的巨磁电阻效应与组成的关系组成的关系u隧道磁电阻（隧道磁电阻（TMR）效应）效应 TMR效应的定性解释是效应的定性解释是: 在隧道结中在隧道结中, 磁场克服两磁场克服两铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转到磁场方铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转到磁场方向而趋于一致向而趋于一致, 这时隧道电阻为最小值这时隧道电阻为最小值; 如将磁场减如将磁场减少至负少至

29、负, 矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转, 两两铁磁层的磁场方向相反铁磁层的磁场方向相反, 隧道电阻为极大值。隧道电阻为极大值。隧道结中铁磁层磁化平行与反平行时电子隧隧道结中铁磁层磁化平行与反平行时电子隧穿情况示意图穿情况示意图隧道结的优点隧道结的优点TMR效应具有很高的磁场灵敏度效应具有很高的磁场灵敏度隧道结中两铁磁层间不存在层间耦合，隧道结的饱和磁场隧道结中两铁磁层间不存在层间耦合，隧道结的饱和磁场很低，只需要一个很小磁场就可以实现两铁磁层从平行很低，只需要一个很小磁场就可以实现两铁磁层从平行到反平行的转变。到反平行的转变。隧道结的电阻可调且范围宽隧道结的

30、电阻可调且范围宽与多层膜巨磁电阻相比，隧道结具有很高的电阻，其电阻与多层膜巨磁电阻相比，隧道结具有很高的电阻，其电阻可以通过调整绝缘层厚度在很宽的范围内改变，有利于可以通过调整绝缘层厚度在很宽的范围内改变，有利于和外电路实现匹配。和外电路实现匹配。进入时间短进入时间短隧道巨磁电阻需要的是小电流、低电压信号隧道巨磁电阻需要的是小电流、低电压信号。三、巨磁电阻的应用三、巨磁电阻的应用l1、SV-GMR(spinvalve)磁头和传感器磁头和传感器l2、巨磁电阻随机存取存储器、巨磁电阻随机存取存储器l3、其他方面的应用、其他方面的应用SV-GMR磁头和传感器磁头和传感器磁磁头头：硬硬盘盘中中对对盘盘

31、片片进行读写工作的工具进行读写工作的工具用用线线圈圈缠缠绕绕在在磁磁芯芯上上制成的磁头制成的磁头通通过过感感应应旋旋转转的的盘盘片片上上磁磁场场的的变变化化来来读读取取数数据据；通通过过改改变变盘盘片片上的磁场来写入数据上的磁场来写入数据磁磁头头悬悬浮浮在在高高速速转转动动的的盘盘片片上上方方，而而不不与与盘片直接接触盘片直接接触局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体写线圈写线圈SNI局部磁化单元局部磁化单元写线圈写线圈SN铁芯铁芯磁通磁通磁层磁层写入写入“0”写入写入“1”I磁记录原理磁记录原理(写入写入)35磁记录原理（读出）磁记录原理（读出）N读线圈读线圈S读线圈读线圈SN铁芯铁芯磁通磁通

32、磁层磁层运动方向运动方向运动方向运动方向ssttffee读出读出 “0”读出读出 “1”36当当硬硬盘盘体体积积不不断断变变小小，容容量量却却不不断断变变大大时时，势势必必要要求求磁磁盘盘上上每每一一个个被被划划分分出出来来的的独独立立区区域域越越来来越越小小，这这些些区区域域所所记记录录的的磁磁信信号号也也就就越越来来越越弱弱 。借借助助“巨巨磁磁电电阻阻”效效应应，人人们们才才得得以以制制造造出出更更加加灵灵敏敏的的数数据据读读出出头头，使使越越来来越越弱弱的的磁磁信信号号依依然然能能够够被被清清晰晰读读出出，并并且且转转换换成成清清晰晰的的电电流流变化变化硬盘的发展硬盘的发展1956 I

33、BM 的的科科学学家家Reynold Johnson推推出出的的第第一一个个硬硬盘盘配配备备了了50个个直直径径约约61厘厘米米的的铝铝合合金金盘盘片片，由由于于磁磁头头灵灵敏敏度度不不理理想想，存存储储容容量量十十分分有有限限，只只能存储能存储4.4兆数据兆数据 硬盘之父硬盘之父第一个硬盘第一个硬盘50个盘个盘片片硬盘的发展硬盘的发展1994 IBM 的的科科学学家家Stuart Parkin首首次次在在HDD 中中使使用用了了GMR 效效应应的的自自旋旋阀阀(spin valve 简简称称GMR SV) 结结构构的的读读出出磁磁头头,取取得得了了每每平平方方英英寸寸10 亿亿位位(1Gb/

34、inch2 ) 的的HDD面面密密度度世世界界纪纪录录体积变小，容量变大体积变小，容量变大Stuart Parkin硬盘的发展硬盘的发展p1997年年 ， IBM生生产产出出第第一一个个应应用用“巨巨磁磁电电阻阻”技技术术的的硬硬盘盘。并并很很快快引引发发了了硬硬盘盘的的“大大容容量量、小型化小型化”革命革命p2000年年希捷硬盘希捷硬盘巨磁电阻硬盘巨磁电阻硬盘硬盘的发展硬盘的发展2001年年，美美国国苹苹果果公公司司推推出出第第一一代代硬硬盘盘式式音音乐乐播播放放器器，轰动全球轰动全球今今天天，苹苹果果公公司司的的新新一一代代iPod播播放放器器容容量量高高达达160(8GB和和16GB )

35、，不不管管是是用用来来听听音音乐乐还还是是看看电电影影，存存储储空空间间都都不是问题不是问题大家都说好！大家都说好！硬盘的发展硬盘的发展目前市场上销售的最大容量硬盘是4TB硬盘密度随时间的增长硬盘密度随时间的增长硬盘每英寸的面密度巨磁电阻位移传感器巨磁电阻位移传感器lGMR传感器具有传感器具有灵敏度高、灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小劣环境、体积小等优点等优点l位移传感器位移传感器即线性传感器，即线性传感器，利用巨磁电阻的高灵敏性而测利用巨磁电阻的高灵敏性而测量位移的变化量位移的变化l它的基本结构是由钉扎磁性层（例如Co）、Cu间隔层和自由磁性层（例

36、如Ni、Fe等易磁化层）组成的多层膜。由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR元件的电阻值改变，进而使读出电流发生变化位移传感器位移传感器分辨率可达分辨率可达1m级级巨磁电阻转速传感器巨磁电阻转速传感器车轮转速传感器车轮转速传感器当当铁铁齿齿轮轮转转动动时时, 靠靠近近铁铁齿齿轮轮的的永永磁磁体体的的磁磁边边缘缘场场的的分分布布会会发发生生变变化化。在在图图示示位位置置放放一一个个GMR薄薄膜膜传传感器感器, 当铁齿轮旋转当铁齿轮旋转时时, 它它对对磁磁通通的的变变化化方方向向产产生生感感应应。这这种种GMR薄薄膜膜传传感感器器已已被被用用来来检检测测汽汽车车的的速

37、速度度巨磁电阻生物传感器巨磁电阻生物传感器生物传感器图示生物传感器图示生物传感器的应用生物传感器的应用巨磁电阻生物传感器巨磁电阻生物传感器把把磁磁性性颗颗粒粒表表面面包包一一层层合合适适的的抗抗体体, 这这种种抗抗体体只只与与特特定定的的被被分分析析物物(如如病病毒毒, 细细菌菌等等) 结结合合, 则则这这些些磁磁性性颗颗粒粒可可被被用用作作生生物物示示踪踪。把把由由磁磁性性颗颗粒粒组组成成的的检检测测溶溶液液分分散散到到装装有有GMR传传感感组组件件的的集集成成电电路路芯芯片片上上, GMR传传感感组组件件本本身身也也包包上上同同样样的的抗抗体体。溶溶液液中中的的被被分分析析物物就就会会与与

38、传传感感器器结结合合, 并并带带上上磁磁标标记记。磁磁标标记记的的磁磁边边缘缘场场对对GMR组组件件产产生生作作用用并并改改变变其其电电阻阻。通通过过检检测测这这些些GMR组组件件的的电电性性能能, 就就能能够够直直接接进进行行检检测测溶溶液液中中的的被被分分析析物物的的浓浓度度等等方方面面的的分析分析基于磁场生物传感器原理基于磁场生物传感器原理巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)(MRAM)中的应用中的应用目目前前广广泛泛采采用用的的半半导导体体动动态态存存储储器器(DRAM)和和静静态态存存储储器器(SRAM)机机器器断断电电时时，所所存存数数据据会会全全部部丢丢失

39、失，且且抗抗辐辐射射性性能能差差利利用用GMR效效应应制制作作的的MRAM是是采采用用纳纳米米制制造造技技术术，把把沉沉积积在在基基片片上上的的SV-GMR薄薄膜膜或或TMR薄薄膜膜制制成成图图形形阵阵列列，形形成成存存储储单单元元，以以相相对对两两磁磁性性层层的的平平行行磁磁化化状状态态和和反反平平行行磁磁化化状状态态分分别别代代表表信信息息“1”和和“0”随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用和和现现有有的的半半导导体体RAM相相比比，最最大大的的优优点点是是非非易易失失、抗抗辐辐射射、长长寿寿命命、结结构构简简单单和和低低成成本本，基本上可

40、以不限次数的重写。基本上可以不限次数的重写。由由于于使使用用了了GMR材材料料，每每位位尺尺寸寸的的减减少少并并不不影影响响读读取取信信号号的的灵灵敏敏度度，可可实实现现最最大大的的存存储储密度。密度。巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用p写写入入时时改改变变TMR元元件件的的电电阻阻，改变改变磁化方向磁化方向p写写入入“0”时时产产生生与与下下层层同同向向的的磁磁场场。上上层层磁磁化化方方向向与与下下层层平平行行，电阻就会减小电阻就会减小p写写入入“1”时时正正好好相相反反，产产生生与与下下层层反反向向平平行行的的磁磁场场，从从而而使使上上下下两两层层

41、的的磁磁化化方方向向形形成成反反平平行行，此此时电阻则增大时电阻则增大p 读读取取时时，则则在在TMR元元件件中中传传导导电流电流，通过电流大小确定信号，通过电流大小确定信号p假假如如是是“0”，由由于于电电阻阻小小，电电流流就大；就大；p假假如如是是“1”，由由于于电电阻阻大大，电电流流就小就小MRAM基本架构示意图巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用图图中中下下方方左左侧侧是是一一个个晶晶体体管管，当当它它导导通通时时，电电流流可可流流过过存存储储单单元元 MTJ(磁磁性性隧隧道道结结)，通通过过与与参参考考值值进进行行比比较较，判判断断存存储储单单

42、元元阻阻值值的的高高低低，从从而而读读出出所所存储的数据存储的数据当当晶晶体体管管关关断断时时，电电流流可可流流过过编编程程线线 1 和和编编程程线线 2(图图中中 Write line 1 和和 Write Line 2)，在在它它们们所所产产生生的的编编程程磁磁场场的的共共同同作作用用下下，使使自自由由层层的的磁磁场场方方向向发发生生改变，从而完成编程的操作改变，从而完成编程的操作MRAM结构晶体管晶体管巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用Honeywell公公司司是是第第一一家家利利用用GMR材材料料做做存存储储器器芯芯片片的公司的公司1995年年

43、，IBM公公司司的的Tang等等人人提提出出了了自自旋旋阀阀型型GMR存存储储单单元元设设计计方方案案，它它采采用用 NiFe/Cu/NiFe/FeMn自自旋旋阀阀巨巨磁磁电电阻阻多多层层膜膜作作为为存存储储单单元元条条，其其开开关关速速度度在亚纳秒在亚纳秒(10-10s)数量级。数量级。2003年年，Motorola公公司司发发布布了了4 Mb的的MRAM样样品品，其尺寸仅有其尺寸仅有0.55m2。巨磁电阻效应在随机存储器巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用中的应用BIOS芯片芯片蜂窝电话蜂窝电话传真机传真机固态录像机固态录像机航天航天巨磁电阻材料及其在汽车传感技术中的应用巨磁电阻材

44、料及其在汽车传感技术中的应用随着电子技术的飞速发展，汽车日趋电子化、智能化和轻随着电子技术的飞速发展，汽车日趋电子化、智能化和轻型化。而实现汽车运动控制的关键之一是型化。而实现汽车运动控制的关键之一是高可靠度、高性高可靠度、高性能、低成本的传感器。能、低成本的传感器。巨磁电阻材料及其在汽车传感技术中的应用巨磁电阻材料及其在汽车传感技术中的应用目前国内在汽车上应用较广的传感器是霍尔器件。目前国内在汽车上应用较广的传感器是霍尔器件。 优点：优点：结构简单、价格低廉结构简单、价格低廉 缺点：缺点：测量精度较低，且对温度的变化比较敏感测量精度较低，且对温度的变化比较敏感 对于对于需要高精度测量的场合需

45、要高精度测量的场合，不能满足需要不能满足需要由于其材料特性由于其材料特性 和结构特点，限制了其分辨率的继续提和结构特点，限制了其分辨率的继续提高和在较高温度场合高和在较高温度场合 的应用。的应用。在这种背景下，汽车业界急需一种能解决以上矛盾且成本在这种背景下，汽车业界急需一种能解决以上矛盾且成本低廉、容易实现产业化的传感器低廉、容易实现产业化的传感器。金属磁编码器金属磁编码器编码器（编码器（encoder）是将信号是将信号（如（如比特流比特流）或数据进行编制、）或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备储的信号形式的设备目前，由于汽车对分辨率要求目前

46、，由于汽车对分辨率要求不断提高，国际上采用巨磁电不断提高，国际上采用巨磁电阻材料，使得车用传感技术正阻材料，使得车用传感技术正向着向着金属巨磁电阻磁编码传感金属巨磁电阻磁编码传感器器方向发展。方向发展。日本日测机舍株式会社和日本日本日测机舍株式会社和日本伺服公司日前的金属磁电阻编伺服公司日前的金属磁电阻编码器年销售额均已超过码器年销售额均已超过1亿日亿日元。美国至少有元。美国至少有5家公司在研家公司在研制生产金属磁电阻编码器制生产金属磁电阻编码器金属磁编码器GMR隔离耦合器隔离耦合器耦合器：耦合器：功率分配的元件功率分配的元件GMR效效应应另另外外一一个个重重要要的的用用途途就就是是实实现现数

47、数字字信信号号的的耦耦合合。NVE公公司司的的IL系系列列芯芯片片的的就就能能够够实实现现单单通通、双双通通道道、4通通道道、CMOS兼兼容容和和漏漏极极开开路路等等多多种种形形式式的的数数字字耦耦合合，还还有有专专门门针针对对RS一一485和和RS一一422网络的隔离芯片。网络的隔离芯片。GRM隔离耦合器GMR隔离耦合器隔离耦合器GMR效应的耦合器件优点：效应的耦合器件优点：与普通的数字信号耦合器相比与普通的数字信号耦合器相比器件尺寸小：器件尺寸小：2个通道可以封装为个通道可以封装为MSOP一一8较高的传输速率：较高的传输速率：150Mbps传播延迟：最大传播延迟：最大15ns延迟偏差：器件对器件延迟偏差：器件对器件4ns，通道对通道，通道对通道2ns温度范围：一温度范围：一40 +125无降级无降级隔离度：隔离度：2500Vrms输入阈值电流：输入阈值电流：10lIIA功耗：功耗：5V时为时为25mA四、研究现状四、研究现状u1、将巨磁电阻效应应用到更多方面、将巨磁电阻效应应用到更多方面u2、致力于制备方法简单、外加驱动磁场小、在常温下就、致力于制备方法简单、外加驱动磁场小、在常温下就有较大磁电阻的材料上有较大磁电阻的材料上徐祖耀张裕恒焦正宽陆申龙Tkank you!