TMR效应 _原创文档.pdf

以磁性材料为主的磁传感器已经广泛的应用在国民经济的各个领域中。已经实用化的有铁磁金属

薄膜（Nife,FeCo基）磁敏器件；使用Fe-Co-V合金丝的威氏器件，基于热敏铁氧体的热簧开

关；利用法拉第原理设计的光纤电流传感器和隔离器；采用磁性液体设计的多维度倾斜及震动传

感器。从使用的功能上看，磁传感器可制成磁编码器、位移传感器、转速传感器、气象传感器、

新电功能图传感器等等。只要设计巧妙，磁传感器几乎可应用在任何自动控制和传感领域。传统

的计算机硬盘读出头就是采用NiFe基薄膜制作的，虽然其磁电阻仅有2%～4%，但却足以支撑硬

盘存储密度以每年50%以上的速度递增。为了获得了更灵敏、功能更丰富的磁传感器，就必须研

制开发出具有更高的磁电阻效应的材料。

1988年Fert等人在Fe/Cr多层膜中发现巨磁电阻效应（GMR）以来，伴随随着纳米材料科学

基础和应用研究的深入，人们在许多人工有序新材料中发现了GMR效应，而后在混锰价氧化物中

发现的超巨磁电阻效应（CMR）更令世人惊叹不已。尤为重要的是IBM等公司在短短五、六年内，

并于1994年推出了基于GMR效应的硬盘读出头，从而将硬盘的记录密度提高了17倍，达到

2

5Gb/in(注：1in=0.0254m，下同)，使得当时的其他主流硬盘厂商不得不充分挖掘传统NiFe基

读出头的潜力以全力迎战。目前，硬盘的目标是实现3.5in单片单面容量达到10Gb。在这一层

次上就只能采用GMR效应的读出头了。下个世纪的硬盘读出头将属于GMR。将GMR效应应用于传

感器可探测空间微弱的磁场信号的变化，从而可在更高的精度实现机床的自动化精密加工。在广

阔的家电市场基于GMR材料的元器件也会更有用武之地。但由于传统MR器件成本低、工业流程

成熟，基于GMR材料的传感器件的开发一直较为缓慢。本文力图简要的沿着GMR效应的发展，介

绍一下近年来在纳米磁性材料基础研究和应用中的部分进展。以供传感器专业领域的人士参考，

进而希望有助于推动GMR等新型磁电材料在传感器领域的应用。

一、新型磁电材料进展

1．GMR效应

1988年法国Paris-Sud大学的Fert研究小组受德国学者Grunderg工作的启发，研究了在（100）

GaAs基片上用分子束外延（MBE）生长的单晶（100）Fe/Cr/Fe三层膜和（Fe/Cr）超晶格薄膜。

他们发现在4.2K低温，Cr层的厚度为0.9nm的膜中，加一20kOe(注：1Oe=79.578A/m，下同)

的外场（相邻Fe层磁矩平行排列），比不加外场（相邻Fe层磁矩及反行排列）情况，电阻值下

降了一半。也就是说磁电阻变化为50%。这一结果远远超过了多层膜中Fe层磁电阻效应（MR）

的总和，故命名为巨磁电阻效应（GMR），以表明其物理起源与磁性金属的MR效应不同。随后几

年，世界各国的许多科研工作者和技术开发单位相继开展了GMR的研究工作。IBM研究中心的

Parkin等人采用溅射制备方法系统的研究了铁磁层（Fe,Co,Ni及其合金）和非磁层（包括3d,4d

及5d非磁层金属）的多层膜，发现其中大多数具有GMR效应。进一步的研究证明，随着非磁层

的厚度的增加，相邻磁层的磁矩取向由铁磁排列到反铁磁排列振荡变化，同时体系的磁电阻值也

随之振荡变化。基于自旋相关的Mott二流体模型可以对GMR效应进行简单唯象解释。由于GMR

效应极具理论和应用价值，11994年第二届IUPAP（Internationalunionofpureandapplied

physics）磁学大奖和当年的美国物理学会新材料国际大奖均授予多层膜巨磁电阻效应。

但在通常在磁性多层膜中由于存在较强的层间交换耦合，GMR效应必须在非常高的饱和外磁场

（10～20KOe）才能实现，所以磁电阻的灵敏度非常小。尽管巨磁电阻最初是在反铁磁耦合的多

层膜中观察到的，但是出现巨磁电阻的唯一必要条件就是近邻磁集团中的磁矩相对取向在外磁场

的作用下可以发生变化。人们通过设计各种特殊的结构使相邻铁磁层的磁矩不存在（或很小）交

换耦合，在一定磁场下两者从平行排列到反平行排列或从反平行到平行排列，从而引起磁电阻的

变化，这也就是所谓的自旋阀结构（spinvalve）。自旋阀通常可分为两种基本结构：一种是被

非磁层分开的两软磁层之一用反铁磁层（如FeMn或NiO）通过交换作用钉扎；另一种是具有不

同矫顽力的两铁磁层（通常一软一硬）用