巨磁阻效应

巨磁阻效应概念  

 

所谓巨磁阻效应,是指磁性材料的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。巨磁阻是一种量子力学效应,它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时,载流子与自旋有关的散射最小,材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时,与自旋有关的散射最强,材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料,中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的,因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。

 

 

巨磁阻效应应用  

巨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(Read Head)。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。

  在Grünberg最初的工作中他和他领导的小组只是研究了由铁、铬(Chromium)、铁三层材料组成的样品,实验结果显示电阻下降了1.5%。而Fert及其同事则研究了由铁和铬组成的多层材料样品,使得电阻下降了50%。

  阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔所发现的巨磁阻效应造就了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。单以读出磁头为例,1994年,IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头,将磁盘记录密度提高了17倍。1995年,宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头,创下了世界记录。硬盘的容量从4GB提升到了600GB或更高。

  目前,采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头,已经把存储密度提高到560亿位/平方英寸,该类型磁头已占领磁头市场的90%~95%。随着低电阻高信号的TMR的获得,存储密度达到了1000亿位/平方英寸。

  2007年9月13日,全球最大的硬盘厂商希捷科技(Seagate Technology)在北京宣布,其旗下被全球最多数字视频录像机(DVR)及家庭媒体中心采用的第四代DB35系列硬盘,现已达到1TB(1000GB)容量,足以收录多达200小时的高清电视内容。正是依靠巨磁阻材料,才使得存储密度在最近几年内每年的增长速度达到3~4倍。由于磁头是由多层不同材料薄膜构成的结构,因而只要在巨磁阻效应依然起作用的尺度范围内,未来将能够进一步缩小硬盘体积,提高硬盘容量。

  除读出磁头外,巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中,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,与光电等传感器相比,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。目前,我国国内也已具备了巨磁阻基础研究和器件研制的良好基础。中国科学院物理研究所及北京大学等高校在巨磁阻多层膜、巨磁阻颗粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中国科学院计算技术研究所在磁膜随机存储器、薄膜磁头、MIG磁头的研制方面成果显著。北京科技大学在原子和纳米尺度上对低维材料的微结构表征的研究及对大磁矩膜的研究均有较高水平。

### 磁阻效应实验原理 磁阻(Giant Magneto Resistance, GMR)效应是指在特定的多层薄膜结构中,当外加场改变时,材料的电阻会发生显著变化的现象。这种效应通常发生在由铁性金属性金属交替成的多层膜结构中[^1]。磁阻效应的核心机制是自旋相关的散射过程:在外加场的作用下,铁层的化方向发生变化,从而影响电子的传输特性,导致电阻的变化。 在实验中,GMR效应的测量通常涉及以下几个关键点: - **样品制备**:需要制备高质量的多层膜结构,例如Fe/Cr、Co/Cu等交替层。这些结构可以通过物理气相沉积(PVD)或其他薄膜生长技术实现。 - **场控制**:通过精确控制外加场的大小方向,可以观察到电阻随场的变化规律。 - **电阻测量**:使用四端子法(Four-Probe Method)来测量样品的电阻,以减少接触电阻的影响,从而获得更准确的结果。 ### 实验操作方法 在进行磁阻效应实验时,以下是一些常见的操作方法技术要点: #### 样品准备 - 多层膜样品的制备需要依赖于先进的薄膜生长技术,例如分子束外延(MBE)或控溅射。这些技术可以确保每一层薄膜的厚度界面质量达到实验要求[^2]。 #### 测量系统 - 使用霍尔测试仪或类似的电学测量设备来施加调节场。这些仪器通常能够提供稳定的直流场,并且具备精确的场强度调节功能。 - 采用四端子法测量样品的电阻。这种方法通过将电流从两个电极注入样品,并在另外两个电极上测量电压降,从而避免了接触电阻对测量结果的影响。 #### 数据分析 - 计算电阻随场变化的关系曲线。通常情况下,电阻的变化可以用以下公式表示: \[ R(H) = R_0 + aH + bH^2 \] 其中,\(R_0\) 是无场时的电阻,\(a\) \(b\) 分别为一次二次系数,\(H\) 表示场强度[^3]。 - 在较弱场下,主要考虑二次项 \(bH^2\) 的贡献;而在较强场下,则需要同时考虑一次项 \(aH\) 二次项 \(bH^2\) 的综合影响。 ```python # 示例代码:拟合电阻与场关系 import numpy as np from scipy.optimize import curve_fit def resistance_model(H, R0, a, b): return R0 + a * H + b * H**2 # 模拟数据 H_data = np.array([0, 1, 2, 3, 4, 5]) R_data = np.array([10, 12, 15, 19, 24, 30]) # 参数拟合 params, _ = curve_fit(resistance_model, H_data, R_data) R0, a, b = params print(f"R0 = {R0}, a = {a}, b = {b}") ```
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