巨磁电阻效应

宋霄森

摘要：2007年10月9日，瑞典皇家科学院宣布，将2007年度诺贝尔物理学奖颁发给法国科学家艾尔伯·费尔和德国科学家皮特·克鲁伯格，以表彰他们在十九年前各自独立发现了巨磁电阻效应。巨磁电阻（GMR）效应自发现以来即引起各国企业界及学术界的高度重视，GMR效应已成为当前凝聚态物理研究的热点之一。本文粗略的介绍了巨磁电阻效应的原理及应用。

关键词：巨磁阻 自旋 磁性材料

一、巨磁电阻效应的发现

巨磁阻效应，是指在磁性材料与非磁性材料相间的多层膜中，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化的现象。早在1988年，费尔和格林贝格尔就各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。那时，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁阻效（GiantMagneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在此前3个月，德国优利希研究中心格林贝格尔教授领导的研究小组在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。GMR发现后，人们迅速开发出一系列微型化，灵敏度高的电磁新器件，并得到了广泛的应用。其中最突出的是在美国IBM实验室工作的的英国人斯图尔特的工作。她领导的研究小组在费尔和格林贝尔发现的基础上，继续尝试用通常的磁性材料进行实验，并且很快获得成功：以后又在室温，常规磁场条件下做大量相关实验，他们发现用较简单溅射技术制备多晶铁/铬/铁三层膜和铁/铬多层膜同样有GMR效应，获得了在温室和低温412K时的GMR值就分别高达25%和110%。这一突破性的进展，更大的提升了人们利用GMR材料制成电子器件的价值，特别是加快了计算机技术性能的更新换代。

二、巨磁电阻效应的基本知识

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。

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，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了巨磁阻效应，这一技术已然成为新的标准。

三、巨磁电阻效应的应用

现如今，研究巨磁电阻效应及其应用是磁电子学中一项重要内容。在室温下具有巨磁电阻效应的巨磁电阻材料目前已有许多种类，例如，多层膜巨磁电阻材料，颗粒型巨磁电阻材料，氧化物型巨磁电阻材料，隧道结型磁电阻材料等。巨磁电阻效应的发现促进了磁电子学的兴起和发展，GMR？材料的优异性能使其在信息记录及磁电子学器件等领域有着广阔的应用前景。

磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头。大家知道，硬盤读取数据是通过磁头来完成的。最早的磁头是一种读写合一的电池感应式磁头，由于他对硬盘的设计造成不便，很快就被一种分离式的MR磁头替代。但随着单碟容量的不断增加，MR磁头也达到了极限。这样人们很快就意识到了GMR材料的重要性，于是便利用磁阻效应开发研制的体积小而灵敏的数据读出头，这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。第一个商业化生产的数据读取探头是由IBM公司于1997年投放市场的，到目前为止，巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。

GMR在计算机内存方面的开发应用也取得了极大的进展。内存用来存放计算机正在使用或执行中的数据或程序。前些年，内存广泛采用的随机储存器主要是半导体动态储存器和静态储存器。但这两种均为易失性的储存器，即当机断电时，所存数据容易丢失。这些年来，人们用GMR研制成了巨磁电阻随机储存器， 巨磁电阻随机存储器采用GMR效应制备的巨磁电阻随机存储器（MRAM）与传统半导体随机存储器相比，不仅具有非易失性、抗辐射、长寿命和低成本等优点，而且其所需电流电压信号小、响应时间短，实现了高存储密度和快速存取。Honeywell公司是首个利用GMR材料作为存储器芯片的公司，之后IBM、摩托罗拉、西门子和INESC？等都开始加紧研究。IBM？公司的Tang等人提出了自旋阀GMR设计方案，采用NiFe/Cu/NiFe/MnFe？自旋阀巨磁电阻多层膜作为存储单元，使存储速度达到亚纳秒（10-10s）数量级，为计算机内存储器的研究指明了新的研究方向。

除读出磁头和内存外，巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中。在GMR传感器之前，人们主要利用AMR材料制成的传感器。由于AMR磁电阻变化率小，在检测微弱磁场时受到限制。而巨磁电阻材料制成的传感器则电阻率变化大，能对微弱磁场进行传感，具有抗恶劣环境的特点；再加上体积小、功耗少、可靠性强等优势，它逐步替代霍尔传感器、感应线圈传感器等传统产品。利用AMR材料制成的传感器可广泛地应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中，磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方向等。由于GMR元件的磁电阻变化率大，磁场灵敏度高，可传感微弱磁场，不仅大大提高了磁传感器的分辨率、灵敏度、精确性等指标，还扩大了磁电阻传感器的测量和应用范围，在家用电器、汽车、自动控制、物性检测和生物医学等方面呈现出广阔的应用前景。与光电等传感器相比，磁传感器具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣的工作条件等优点。

四、总结

2007年诺贝尔物理学奖颁发给两位长期从事基础研究的科学家，其意义不仅仅是因为他们的发现被广泛应用，造福了人类，而且更重要的意义在于发现具有极大的潜力，为我们打开了通往自旋电子学等新领域大门，推动了未来人类社会信息化的进程。作为当代大学生，我们的未来也许不一定从事物理理论的研究工作，也许不能像艾尔伯·费尔和德国科学家皮特·克鲁伯格那样对物理学的发展作出巨大贡献，但是，我们要时刻关注，拥有一双善于发现的眼睛，尽我们自己最大的力量为我国的物理事业增砖添瓦。作为大学生，我们未来也许不一定从事物理理论的研究工作，也许不能像艾尔伯·费尔和德国科学家皮特·克鲁伯格那样对理论进展作出巨大贡献。但是，对于这样的理论我们需要知道，也需要关注，就是需要一双像图尔特·帕金这样锐利的眼睛，再看到某种物理新进展的时候，能迅速联想到自己的工作，并进行研究，找到能创造财富的契机。

参考文献 ：

[1]百度百科

[2]吴楠，巨磁电阻效应的原理及其应用，自然杂志，2007

[3]卢森锴，巨磁电阻效应及其研究进展，北京大学访问学者