磁性材料及巨磁电阻效应简介

物理系 隋淞印 学号 SC11002094

引言

磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料，人们对物质磁 性的认识源远流长。

磁性材料的进展大致上分几个历史阶段： 当人类进入铁器时代，除表征生产 力的进步外，还意味着金属磁性材料的开端， 直到18世纪金属镍、钻相继被提炼 成功，这一漫长的历史时期是3d过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段；20 世纪初期（1900-1932），FeSi、FeNi、FeCoN磁性合金人工制备成功，并广泛地 应用于电力工业、电机工业等行业，成为3d过渡族金属磁性材料的鼎盛时期， 从 此以后，电与磁开始了不解之缘；20世纪后期，从50年始，3d过渡族的磁性 氧化物（铁氧体）逐步进入生产旺期，由于铁氧体具有高电阻率，高频损耗低，从 而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料，标志着磁 性材料进入到铁氧体的历史阶段；1967年，SmC合金问世，这是磁性材料进入稀 土一3d过渡族化合物领域的历史性开端。1983年，高磁能积的钕铁硼（Nd — FeB） 稀土永磁材料研制成功。现已誉为当代永磁王。TbFe巨磁致收缩材料与稀土磁光 材料的问世更丰富了稀土一 3d过渡族化合物磁性材料的内涵。1972年的非晶磁性 材料与1988年的纳米微晶材料的呈现，更添磁性材料新风采。1988年，磁电阻效 应的发现揭开了自旋电子学的序幕。因此从20世纪后期延续至今，磁性材料进入 了前所未有的兴旺发达时期，并融入到信息行业，成为信息时代重要的基础性材 料之一。

磁性材料的分类

磁性材料应用十分广泛，品种繁多，存在以下多种分类方式。按物理性质分 类：（1）按静磁特性：即根据静态磁滞回线上的参量，如矫顽力、剩磁等来确定 磁性材料的类型。例如：永磁属高矫顽力一类磁性材料； 软磁属低矫顽力的一类 磁性

材料；矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料；磁记录介质属于中等矫顽 力，同时，具有高剩磁的一类磁性材料，而磁头却要求低矫顽力、高饱和磁化强 度。（2）按交叉耦合效应：分为磁光、磁热、磁致收缩、旋磁、吸波材料。按反 常霍尔效应：分为铁电、铁磁、巨磁阻抗材料等。（3）按与自旋相关的输运性质： 有自旋电子学材料。按化学组成分类：可分为金属（合金）、无机（氧化物）、有机 化合物以及其复合磁性材料。按维度分类：可分为纳米 （零维、一维、二维）、颗 粒膜、非晶、纳米微晶、块体磁性材料。按磁有序结构分类：可分为铁磁、亚铁 磁、反铁磁、超顺磁材料。按应用分类：可分为永磁、软磁、磁记录、旋磁、磁 致收缩、磁传感器、隐身、磁制冷等材料。

巨磁电阻效应（GMR

磁电阻效应（Magnetoresistanee ， MR是指材料在外磁场下电阻发生改变的 物理现象。150年前T.Thomsor首次发现，常规的铁磁材料，如铁、钻、镍，它们 的电阻与磁场和电流的相对方向相关， 被称为各向异性磁电阻效应（Anisotropic Magnetoresistanee ，AMR）现在，已经知道AM效应源于电子的自旋一轨道耦合 作用，通常铁磁材料的磁电阻效应很小，只有百分之几。

磁电阻效应在技术应用中非常重要， 特别是在硬盘中作为读出头，探测硬盘 每个磁存储单元产生的微弱磁场。1956年, IBM的科学家Reynold Johnson发明了 世界上第一个计算机硬盘。当时采用电磁感应的方法读写信息， 这种方法需要存 储单元产生较强的磁场，因此存储单元很大，密度很小，最大只能达到

20 Mb/

in2。直到20世纪80年代末期，IBM在技术上实现了突破，成功地在硬盘读出头中 使用磁电阻效应，增强了读出头的磁场灵敏度，使得硬盘的存储密度大幅度提高， 达到了 5 Gb/in2。在1988年之前，人们通常认为磁电阻效应很难再在 Thomso的 基础上有大的提高，磁场传感器的灵敏度不可能再有质的飞跃，进而大幅度的提 高硬盘的存储密度，这意味着磁盘技术将被光盘所淘汰。

因此，当1988年Albert

Fert和Peter Grunberg分别领导的两个的研究小组在磁性多层膜中发现了 巨磁电阻效应时，立刻引起了科学家与企业界的关注。

所谓巨磁电阻效应，是指

材料在一个微弱的磁场变化下产生很大电阻变化的物理现象。 2007年诺贝尔物理 学奖授予了发现该效应的法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grun

berg。利用材料的巨磁电阻效应，研制出了新一类磁电阻传感器一 GM传感

器。与传统的磁阻传感器相比，GM传感器具有灵敏度高、可靠性好、测量范围 宽、抗恶劣环境、体积小等优点，有广泛的应用前景。

巨磁电阻效应是在由铁磁和非磁金属材料重复堆叠而成的磁性多层膜中发 现的，其中每一层的厚度只有几个原子层。 Albert Fert 和Peter Grunberg不仅 在实验中观察到了很强的磁电阻效应， 更重要的是他们还把这种现象归因为一种 全新的物理机制，是与已知的各向异性磁电阻效应完全不同的物理机制。

Fert

在他的原文章题目中就已经将这种效应命名为“巨磁电阻效应” ，后来这一名称 一直被人们沿用。Grun berg还意识到这种效应在技术应用中的可能性， 申请了专 利。

实际上，在他们两个研究组发现巨磁电阻效应之前， 就已经有一些研究组研 究类似体系的磁电阻效应。但是，他们都没有敏锐的认识到这类磁电阻效应是由 于一种新的物理机理产生或是一种新的效应。因此，这些研究成果没有被公认为 巨磁电阻效应的发现，也就非常遗憾的与诺贝尔奖失之交臂。

从巨磁电阻效应的发现开始，对磁性薄膜的研究完全转入了磁电子学的研 究。仅仅6年之后，1994年IBM的科学家Stuart Parkin 根据这一物理原理，研制 出灵敏度很高的硬盘读出磁头，将硬盘存储密度一下子提高了

17倍。3年之后，

IBM就推出了基于巨磁电阻效应的商业化的硬盘产品。 在接下来的20年里，硬盘 容量迅速提高，单位存储成本大大降低。现在，几百Gb的硬盘已经被配置到大多 数的电脑里。2004年,希捷公司在硬盘读出头中开始采用隧道磁电阻效应。

这是

在巨磁电阻效应的基础上发展起来的新技术， 具有更大的磁电阻效应。每一次新 的技术的引进都导致硬盘存储密度的大幅度提高，巨磁电阻效应的发现和应用使 得硬盘技术发生了性的变化，促成了上百亿美元的产业。

巨磁电阻效应的发现打开了新的科学和技术的大门，特别是对数据存储和磁 传感器产生了巨大影响。巨磁电阻效应的发现及其应用，是一个科学新发现带来 全新技术和商业产品的很好示例。

巨磁电阻效应的应用及展望

巨磁电阻效应从被发现至今，已经有了很广泛的应用，在这里我们简单介绍 GM效应在以下三个方面的应用。

巨磁电阻传感器

传统磁电阻传感器主要有半导体（InSb）及软磁合金两种。半导体磁电阻元件 具有M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M数值不高GM元件具有巨大的GM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方面。 则显示出了更大的 优越性。采用GM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。而广泛用于汽车电子技术、机电一体化控制等领域的位移、 速度、加 速度、角度、转速传感器。IBM公司的Parker等对基于NiFe/Ag的各种类型多层 膜GM的性能及优缺点进行了广泛的研究和综合比较，对于开发GM传感器具有积 极的指导作用。

高密度和超高密度磁记录读磁头

传统电磁感应式磁头，在读取高密度磁记录信息时，信噪比已不能满足要求， 因为此时对应于每个记录位的磁通量是微弱的

如果采用薄膜磁电阻磁头读取信

息，磁场的微弱变化对应着磁电阻的显著变化， 是读取高密度磁记录信息较理想 的手段。但普通薄膜磁电阻磁头的各向异性磁电阻 （AMR）最大不超过6%磁电阻 变化的磁场灵敏度最大约为0.4%/Oe,所需外场约400A/m。这些特性使得普通 薄膜磁电阻磁头，如NiFe合金薄膜所能实现的磁记录信息的密度仍受到一定的 ，迄今所获得的最高水平为 3Gb/in2。而巨磁电阻薄膜的GM在室温下可达 10%〜30%磁场灵敏度可达1〜8%/ Oa因而在超高密度磁记录读磁头上极具竞 争力。

1994年IBM公司宣布首次利用GM多层膜研制成计算机硬盘读出磁头， 可使磁 盘系统的记录密度达到10Gb/ in2,超过现有光盘记录密度。

GM随机存储器（MRAM）

目前计算机RA多采用si集成电路组成的易丢失性的动态及静态随机存储器 （DRAMiSRAM，DRA存储量大，价格低，但速度较慢（约10 ms量级）;SRA的速 度可达纳秒量级，但存储密度稍低且价格较贵。前几年，利用各向异性磁电阻开 发出了不易丢失性的磁电阻存储器（MRAM）它具有非破坏性读出信息和耐辐射等 特点。但在存储量和存储速度等方面却无法与 DRA相比巨磁电阻效应的发现，给 这

一类磁电子器件带来了新的曙光并使之得到高速的发展。 用

Pohm和Brown等利

GM在0. 9cmm的面积上实现了 l6Mhit的MRA及由此在一个6in盘片上获得了一个 存储量达256Mbyte的随机存储器。Tang等报导了基于自旋阀的MRA单元设计方 案，它采用NiFe/cu/NiFe/MnFel旋阀巨磁电阻多层膜作为存储单元条， 其中 一层磁性层的磁性被反铁磁性的 MnF层钉扎。另一层则成为磁性自出层。当单元 条的宽度小于磁畴畴壁厚度（约1um）时，磁性自由层表现出单畴磁性，即它只存 在两种磁化状态，而没有任何中间态，这样，整个单元条的电阻也将只呈现两种 状态。因此，这种结构的存储单元具有非常快的存储速度。 条

存储试验回路，当输入4mAfe流时，可产生30m啲差值电压，亦即5m\\/ um其存 储密度高于一般SRAM;单元条的开关时间小于2ns（主要受试验回路RC寸间常数 ）。其速度高于一般DRAM可与一般SRAM!比拟。

GM效应的发现距今只不过十几年的时间，但它无论在基础研究上，还是在 应用开发上都取得了长足的进展，充分显示出这种新型功能材料旺盛的生命力和 广阔的应用背景。另外，GM薄膜材料大多采用磁控溅射技术制备，

使得GM元件

对于1umx 6um单元

的制造既可以与半导体集成电路制造工艺相兼容，又便于工业化批量生产。可以 预见，在未来几十年，GM效应的利用将对电子工业及材料工业产生广泛而深远 的影响。