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巨磁电阻效应 摘要： 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。它不仅具有重要的科学意义,而且具有多方面的应用价值。目前,GMR效应主要用于磁传感器、随机存储器和高密度读写磁头等方面。此外,GMR传感器在自动化技术、家用电器、卫星定位、导航、汽车工业、医疗等方面都具有广泛的应用前景。巨磁电阻的产生机理可以采用 Mott 模型来阐述。在非磁性金属中，自旋向上和自旋向下的电子数是相同的，不存在自旋极化现象，而在铁磁金属中，由于量子力学交换作用，铁磁金属的 3d 轨道局域电子能带发生劈裂，自旋向上与自旋向下的电子在 Fermi 面处的数目是不同的，在一定电场的推动下会发生自旋极化，导致它们对不同自旋取向的传导电子的散射不同。当不同自旋取向的传导电子经过铁磁层时，被散射的程度取决于铁磁层磁矩的取向，导致了相邻铁磁层在平行态和反平行态时电阻值的不同，从而产生巨磁电阻效应。为了简化，这里以格林贝格尔实验中的铁磁／非磁／铁磁的三明治结构，即Fe／Cr／Fe，为例来介绍。费尔的实验中的超品格多层膜结构可以用相同的物理机理来解释。巨磁电阻效应通常用两自旋电流模型来描述。? 当磁矩平行和反平行时相应的态密度示意图。当两个铁磁层磁矩平行时，两边费米能级处自旋向下的电子数都较多，因此在两个铁磁／非磁界面受到的散射很弱，是低电阻通道，表示为2RL(其中2表示受到两个界面散射)；相反，自旋向上的电子数较少，因此在两个铁磁／非磁界面受到的散射很强，是高电阻通道，表示为2RH。根据两自旋电流模型，相应的等效电阻如右图所示。 所以，总电阻为2RLRH／(RL+RH)。当两个铁磁层磁矩反平行时(图2(b))，左边铁磁电极费米能级处自旋向下的电子数较多，对自旋向下的电子，在穿过第一个铁磁／非磁界面时受到的散射较弱，是低电阻态，RL；但是在第二个铁磁层中，自旋向下的电子态密度较少，在铁磁／非磁界面受到的散射很强，是高电阻态RH，因此，自旋向下的通道的总电阻就是(RL+RH)。相似的，对自旋向上的电子通道，电子在两个界面处分别受到强散射和弱散射，总电阻为(RL+RH)，如图3(b)所示，总电阻为(RL+RH)／2。所以，磁电阻的大小为[1]： [1] 3，巨磁电阻效应的应用 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，目前其工业应用 主要集中在以下几个方面： （1）巨磁电阻高密度读出磁头：在高密度磁记录信息应用领域，传统的 AMR磁头的最大磁电阻仅为 6%，磁场灵敏度最大约为 0.4%/Oe，对于微弱的信号无法形成磁电阻，已不能满足市场的需求。巨磁电阻磁头的磁电阻值在室温下高达30%，磁场灵敏度可达 1%/Oe，磁头分辨率得到了很大提高，这意味着即使将信息的磁单位面积大大缩小，磁头也可以分辨出来，因而在高密度磁记录信息领域具有很高的应用价值。2002 年，Fujitsui 公司采用 CPP-GMR 磁头和垂直记录技术，成功开发出记录密度达 300Gb/in2（46.5Gb/cm2）的超高密度读出磁头使 GMR 高密度读出磁头的市场价值得到实现，从而开创了信息记录领域的新纪元。 （2）巨磁电阻传感器：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。 （3）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。