物理學研究進展-巨磁電阻篇

1、物理學研究進展巨磁電阻眾所周知，許多物質(zhì)在外磁場作用下都可觀察到磁致電阻效應(yīng)，但一般材料最大只有23。l988年，法國巴黎大學的巴西學者Baibich等首次報道了Fe/Cr超晶格的磁電阻變化率達到50，比通常的磁電阻效應(yīng)大一個數(shù)量級，而且遠遠超過多層膜中Fe層磁電阻變化的總和，這一現(xiàn)象被稱為巨磁電阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistance，簡記為GMR)。由于其在計算機硬盤讀取磁頭，磁傳感器以及磁記錄方面的重大應(yīng)用價值，引起了廣泛的關(guān)注，使得對它的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用和開發(fā)研究幾乎是齊頭并進的，成為當前凝聚態(tài)物理研究和材料科學的前沿和熱點之一。GMR效應(yīng)原理GMR效應(yīng)理論復雜，不同類型材

2、料的作用機理不同。且多數(shù)仍在探索中，目前以二流體模利定性解釋磁性多層膜GMR效應(yīng)較為成熟。該模型中鐵磁金屬的電流南自旋向上、向下的電了分別傳輸，自旋磁矩方向與區(qū)域磁化方向平行的傳導電子受的散射小，電阻率低。磁性多層膜相鄰磁層的磁矩反鐵磁耦合時，自旋向上、向下的傳導電子在傳輸過程中分別受周期性的強、弱散射而表現(xiàn)為高阻態(tài)；相鄰磁層在外加磁場作用下趨于平行時，自旋向上的傳導電子受較弱的散射而構(gòu)成低阻通道，自旋向下的傳導電子則受強散射形成高阻通道，因兩通道并聯(lián)，故多層膜表現(xiàn)為低阻狀態(tài)。巨磁電阻材料為了滿足應(yīng)用的要求，對GMR材料的主要要求是：高的室溫GMR效應(yīng)，即由外加磁場引起的室溫電阻變化率高；低的

3、工作磁場，即在較低的外加磁場強度下得到高的MR；高的穩(wěn)定性，即環(huán)境條件(溫度、濕度、振動等)變化時，MR的變化要盡量小。就目前研究熱點的幾類GMR材料，可以說是各有特點。目前，已發(fā)現(xiàn)具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、自旋閥、顆粒膜、磁性隧道結(jié)和氧化物超巨磁電阻薄膜等5大類。(1) 磁性金屬多層膜鐵磁層(Fe，Ni，Co及其合金)和非磁層(包括3d，4d以及5d非磁金屬)交替重疊構(gòu)成的金屬磁性多層膜常具有巨磁電阻效應(yīng)，其中每層膜的厚度均在納米量級。目前最常用的制備金屬多層膜的方法主要由濺射、蒸發(fā)和分子束外延。試驗結(jié)果表明，具有反鐵磁耦合的磁性多層膜結(jié)構(gòu)中，各層磁矩反向平行時電阻最大，平行時電阻最

4、小。且GMR隨多層膜周期數(shù)增加而增大，當總膜厚與平均自由程相當時，GMR趨于飽和。多層膜是最早和最廣泛被研究的對象，遺憾是在多層膜系統(tǒng)中，較大的磁電阻變化往往伴隨著較強的層間交換耦合作用，只有在強磁場的作用下才能改變磁矩的相對取向。而且電阻的變化靈敏度僅為0.3Oe，這顯然不能滿足實用化的技術(shù)要求。(2) 自旋閥目前，實用多層膜是所謂的自旋閥，典型的自旋閥結(jié)構(gòu)主要由鐵磁層(自由層)/隔離層(非磁性層)/鐵磁層(釘扎層)/反鐵磁層4層組成。通常磁性多層膜中由于存在較強的層間交換耦合，因此磁電阻的靈敏度非常小。但當兩磁層被非磁層隔開后，使相鄰的鐵磁層不存在(或很小)交換耦合，因此在較小的磁場下就可

5、使相鄰層從平行排列到反平行排列或從反向平行排列到平行排列，從而引起磁電阻的變化，這就是所謂自旋閥結(jié)構(gòu)。一般自旋閥結(jié)構(gòu)中被非磁性層隔開的一層是硬磁層，其矯頑力大，磁矩不易反轉(zhuǎn)；另一層是軟磁層，其矯頑力小，在較小的磁場作用下，就可以自由反轉(zhuǎn)磁矩，使電阻有較大的變化。自旋閥大小取決于兩鐵磁層磁矩(自旋) 相對取向，故稱自旋閥。自旋閥昕表現(xiàn)出的高靈敏度特性，使它成為在應(yīng)用上首先得到青睞的一類巨磁電阻材料。自旋閥具有如下優(yōu)點：磁電阻變化率對外磁場的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特征好；低飽和場，工作磁場??；與各向異性磁電阻相比，電阻隨磁場變化迅速，因而操作磁通小，靈敏度高；利用層間轉(zhuǎn)動磁化過程能有效地抑制Bark

6、hausen噪聲，信噪比高。因此，它率先進入實用化階段；但它較小的GMR效應(yīng)又顯得美中不足。目前自旋閥面臨的最大問題是抗腐蝕和熱穩(wěn)定問題，解決的途徑是使反鐵磁層具有高電阻、耐腐蝕且熱穩(wěn)定性好。(3) 金屬顆粒膜 所謂金屬顆粒膜，是指鐵磁性金屬(如Co，F(xiàn)e等)以顆粒的形式分散地鑲嵌于非互熔的非磁性金屬(如Ag，cu等)的母體中。其巨磁電阻效應(yīng)普遍認為是來源于自由傳導電子在顆粒與母體之間的界面上及磁性顆粒內(nèi)部的自旋相關(guān)散射，與多層膜結(jié)構(gòu)的巨磁電阻效應(yīng)的起源極為相似。外磁場的作用是改變磁性顆粒磁化強度的方向，從而改變了自旋相關(guān)散射的強度。顆粒膜中的巨磁電阻效應(yīng)目前以Co-Ag體系最高，在液氮溫度可

7、達55，室溫可達20。與多層膜相比，顆粒膜的優(yōu)點是制備方便，一致性、重復性高，成本低，熱穩(wěn)定性好。所存在的問題是飽和磁場通常高于多層膜。這是由于顆粒膜結(jié)構(gòu)的特殊性，相應(yīng)需要很高的外場去克服顆粒的各向異性能，才能實現(xiàn)電阻率的較大變化。故顆粒膜雖具有較大GMR效應(yīng)，但由于飽和磁場高，使其應(yīng)用范圍受到了一定限制。進一步研究的方向是降低磁飽和場，提高磁場靈敏度。一旦在降低飽和磁場上有所突破，將存在很大的潛力。(4) 磁性隧道結(jié)通過兩個鐵磁金屬膜之間(如Cr，C0，Ni或FeNi)的金屬氧化物勢壘(如Al2O3 )的自旋極化隧穿過程也可以產(chǎn)生GMR效應(yīng).。這種非均勻磁系統(tǒng)，即鐵磁金屬/絕緣體/鐵磁金屬(

8、FM-I-FM)三明治結(jié)構(gòu)通常稱為磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)。1995年Miyazak等人發(fā)現(xiàn)Fe/ Al2O3/Fe隧道結(jié)室溫巨磁電阻效應(yīng)可達18。當上下兩鐵磁層的矯頑力不同(或其中一鐵磁層被釘扎)時，它們的磁化方向隨著外場的變化呈現(xiàn)出平行或反平行狀態(tài)。TMR效應(yīng)的定性解釋是：在隧道結(jié)中，磁場克服兩鐵磁層的矯頑力就可使它們的磁化方向轉(zhuǎn)到磁場方向而趨于一致，這時隧道電阻為最小值；如將磁場減少至負，矯頑力小的鐵磁層的磁化方向首先反轉(zhuǎn)，兩鐵磁層的磁場方向相反，隧道電阻為極大值。由于磁性隧道結(jié)中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，因而只需一個很小的外場即可

9、使其中一個鐵磁層反轉(zhuǎn)方向，實現(xiàn)隧道電阻的巨大變化，故隧道結(jié)較之金屬多層膜具有高的磁場靈敏度。由于對磁性隧道結(jié)多層膜體系，在垂直于膜面即橫跨絕緣體材料層的電壓作用下，電子可以隧穿極薄的絕緣層，保持其自旋方向不變，故稱為隧道巨磁電阻效應(yīng)。由于TMR的飽和磁場非常低，磁電阻靈敏度高，同時磁隧道結(jié)這種結(jié)構(gòu)本身電阻率很高，能耗小，性能穩(wěn)定，所以TMR被認為有很大的應(yīng)用價值。(5) 超巨磁電阻1993年，Helmolt等人在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中發(fā)現(xiàn)CMR效應(yīng)，已成為近幾年凝聚態(tài)物理最活躍的領(lǐng)域之一。目前已發(fā)現(xiàn)的具有CMR效應(yīng)的材料有摻雜稀土錳氧化物，鉈系錳氧化合物以及鉻基硫族尖晶石。由于它們

10、具有很高的磁電阻，故稱之為超巨磁電阻。如Jin等報道外延La-Ca-Mn-O薄膜，77K溫度下CMR為127 000，280K溫度下為400。不同于GMR的是不僅在薄膜材料中而且在體材料中也發(fā)現(xiàn)了CMR效應(yīng)，其磁電阻比值可以高達10 000。CMR效應(yīng)產(chǎn)生的物理機理至今仍不十分清楚。巨磁電阻應(yīng)用利用GMR和TMR效應(yīng)最成功的產(chǎn)品要算計算硬盤(HDD)和磁隨機存儲器(MRAM)。GMR材料磁電阻效應(yīng)大，靈敏度高，易使器件小型化，廉價化等特點，使其：在應(yīng)用上具有巨大的開發(fā)潛力。例如已開發(fā)出GMR磁電阻傳感器，由于GMR磁電阻變化率高，使它能傳感微弱磁場，擴大了磁電阻傳感器的測量范圍。利用其電阻隨磁

11、場的線性變化，可用于測量磁場強度、轉(zhuǎn)角、位移、大電流等場合。其特點是磁靈敏度極高，功耗小、輸出信號大，體積小、可靠性好，在機電行業(yè)上的應(yīng)用前景較為看好?？蓮V泛的應(yīng)用于數(shù)控機床，汽車測速，非接觸開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中。GMR效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的另一個重要方面是微弱磁場探測器。隨著納米電子學的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化，要求測量系統(tǒng)也微型化。21世紀超導量子相干器件和超微霍爾探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學的主要角色。其中以GMR效應(yīng)為基礎(chǔ)設(shè)計的超微磁場傳感器，要求能探測10-2T至10-3T磁通密度。如此低的磁通密度在過去是沒有辦法測量的，特別是在超微系統(tǒng)測量如此弱的磁通密度是十

12、分困難的，納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件經(jīng)過定標可能完成上述目標。石墨烯2004年曼徹斯特大學A.K.Geim等運用機械剝落法（撕膠帶法）剝離石墨晶片成功制備了單層的2D石墨烯（Graphene），因其獨特結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電學、光學、熱學和機械性能吸引了難以計數(shù)的物理學家、化學家和材料學家的目光，轟轟烈烈地開啟了石墨烯時代。零維(0D)富勒烯（C60，C70）、一維(1D)碳納米管、三維(3D)金剛石和石墨是碳的重要同素異形體（圖1），而2D石墨烯的制備，則完整地構(gòu)成了從0D到3D的碳材料體系。圖1 碳系材料石墨烯是由單層sp2 雜化碳原子排列形成的蜂窩狀六角平面晶體，既可以堆積成為3D 石墨，也可以卷曲

13、成為1D 碳納米管(CNTs)，甚至可以包裹成0D 富勒烯（圖2）。單層石墨烯的厚度僅為0.35 nm，C-C 鍵長為0.142 nm，這樣獨特的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使石墨烯異常堅硬（強度是鋼的100多倍，達到130 Gpa）、導熱性能優(yōu)良（熱導率是金剛石的三倍，達到5 000 Wm-1K-1）、零帶隙、電子/空穴遷移率高（理論上達到200 000 cm2V-1S-1，高于目前已知半導體的遷移率，見表1）。電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。在室溫下石墨烯還表現(xiàn)出整數(shù)和分數(shù)量子霍爾效應(yīng)和室溫鐵

14、磁性。圖2 石墨烯石墨烯制備方法目前石墨烯的合成方法主要有：機械剝落法、碳化硅表面外延生長、取向附生法、化學氣相沉積法、化學分散法及化學合成法。表1 石墨烯和一些半導體的遷移率和帶隙比較SemiconductorMobility(cm2/Vs)Band Gap (eV)Diamond4 500 (electrons)3 800 (holes)5.50GaAs8 500 (electrons)1.42Si1 500 (electrons)450 (holes)1.12Ge3 900 (electrons)1 900 (holes)0.66Graphene200 000(electrons)200

15、 000(holes)10 000 (onto SiO2)0石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用室溫下石墨烯的載流子遷移率是普通硅片的十倍，受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性。這是石墨烯作為納米電子器件最突出的優(yōu)勢。它使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場效應(yīng)管成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關(guān)時間。超高頻率的操作響應(yīng)特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢。此外，石墨烯的電子遷移率和空穴遷移率兩者幾乎相等，因此其N型場效應(yīng)晶體管和P型場效應(yīng)晶體管是對稱的。因為其還具有零禁帶特性，即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長度也可為微米級，所以它是一種性

16、能非常優(yōu)異的半導體材料。有關(guān)專家指出，硅基芯片在室溫條件下的速度是有極限的，只能達到現(xiàn)在這個地步，很難再大幅度提高；而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力，所產(chǎn)生的熱量也非常少，且石墨烯本身就是一個良好的導熱體，可以很快地散發(fā)熱量，因此由石墨烯制造的集成電路運行的速度將要快得多。據(jù)估計，用石墨烯器件制成的計算機的運行速度可達到1T(1012 ) Hz，比現(xiàn)在常見的1G(109) Hz的計算機快1 000倍。最近利用電子束光刻與干刻蝕的方法將同一片石墨烯加工成量子點、引線和柵極，獲得了室溫下可以操作的石墨烯基單電子場效應(yīng)管，解決了目前單電子場效應(yīng)由于納米尺度材料的不穩(wěn)定性所帶來的操作溫度受限問題。Ca

17、o等人合成了首個CdS-Graphene量子點。利用瞬態(tài)熒光光譜測試該摻雜物的電荷傳輸速度，結(jié)果顯示,電子從激發(fā)態(tài)的CdS-到石墨烯網(wǎng)格的傳輸時間僅為皮秒級，表現(xiàn)出很好的光電性能。荷蘭科學家則報道了第一個石墨烯基超導場效應(yīng)管，發(fā)現(xiàn)在電荷密度為零的情況下，石墨烯還是可以傳輸一定的電流，可為低能耗、開關(guān)時間快的納米尺度超導電子器件帶來突破。石墨烯具有良好的半導體性質(zhì)，它們在場效應(yīng)晶體管中表現(xiàn)出很好的電子和空穴傳輸性能。用石墨烯制備的場效應(yīng)晶體管在室溫下開關(guān)比可達107。與碳納米管相比，石墨烯獨特的柔性二維平面結(jié)構(gòu)，可以使各種摻雜物很好地分散在石墨烯平面上，有效提高電荷的傳輸效率?；谑┑碾娮悠?/p>

18、件幾乎包含了整個電路所需的所有要素，包括導電通道、量子點、電極、勢壘、分子開關(guān)等，避免了一維材料基器件中難以實現(xiàn)的集成問題。超導超導體，顧名思義，是一種直流電阻為零的材料，它是近年來的一個科技前沿。不僅僅是因為達到超導狀態(tài)的條件很苛刻，而且目前解釋超導現(xiàn)象的理論也不是十分清晰完善。超導的發(fā)展歷史卡默林·昂內(nèi)斯于1911年在萊頓大學首次觀察到汞的超導特性，當他把汞冷卻到液態(tài)氦（4K）的溫度時，汞的電阻突然消失了。在1913年，他因在超導方面的研究獲得了諾貝爾物理學獎。1933年，在解釋超導現(xiàn)象上，德國的邁斯納和奧森菲爾德提出了一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)：如果超導體在磁場中北冷卻到轉(zhuǎn)變溫度（Tc

19、）以下，則在轉(zhuǎn)變點處磁感線將從超導體內(nèi)被排出，這就是著名的邁斯納效應(yīng)。在接下來的幾十年，其它的超導金屬、合金和化合物相繼被發(fā)現(xiàn)。1941年，氮化鈮被發(fā)現(xiàn)在16K時就表現(xiàn)出超導特性。1953年，發(fā)現(xiàn)礬硅化合物在17.5K時有超導特性。1962年，Westinghouse公司的科學家首次生產(chǎn)出了鈮鈦合金的商用超導線。第一個被廣泛接受的超導理論，于1957年由Bardeen、Cooper、Schrieffer提出，即后來著名的BCS理論（以他們每個人的首字母命名），他們也因此獲得了1972年的諾貝爾獎。BCS理論解釋了單質(zhì)和簡單合金在接近絕對零度時的超導現(xiàn)象，但是BCS理論難以解釋在更高的溫度以及不

20、同的超導體系中超導是如何產(chǎn)生的。1962年，劍橋大學的研究生Josephson預測電流可以從一個超導體穿過一層絕緣體進入另一超導體，不久他的預言被證實，這使得他分享了1973年的諾貝爾物理學獎。這個隧道貫穿現(xiàn)象即今天著名的約瑟夫森效應(yīng)（Josephson effect）。如今約瑟夫森效應(yīng)已經(jīng)被應(yīng)用于SQUID電子器件中，用來探測極弱的磁場。19世紀80年代是超導科研成果輩出的時期。1964年斯坦福大學的Bill Little預言了有機超導體的存在，1980年哥本哈根大學的丹麥研究員Klaus Bechgaard以及3個法國合作成員首次成功合成了有機超導體，(TMTSF)2PF6被冷卻到1.2K

21、的轉(zhuǎn)變溫度以及在高壓下表現(xiàn)出了超導特性。1986年，超導領(lǐng)域取得了真正的突破性的發(fā)現(xiàn)，IBM研究實驗室的研究員Alex Muller和Georg Bednorz合成的陶瓷化合物（鑭、鋇、銅和氧的化合物）在30K時就表現(xiàn)出了超導特性，更具意義的是陶瓷是絕緣體，他們第二年就因此而獲得了諾貝爾獎。Muller和Bednorz的發(fā)現(xiàn)掀起了半導體領(lǐng)域的一個研究熱潮，世界各地的研究員開始各種各樣的陶瓷化合物以求得到更高的Tc。1987年1月阿拉巴馬大學漢茨維爾分校的一個研究團隊用釔取代Muller和Bednorz化合物中的鑭（即今天的YBCO），達到了驚人的92K轉(zhuǎn)變溫度，第一次超過了液氮的溫度。1997年，研究人員發(fā)現(xiàn)金和銦的合金在接近絕對零度時同時表現(xiàn)出超導特性和磁性，傳統(tǒng)的觀點認為這樣的物質(zhì)是不存在的。從那以后，許多這樣的化合物都被發(fā)現(xiàn)。近年來不包含銅的高溫超導體以及第一個全金屬鈣鈦礦超導體也被發(fā)現(xiàn)。超導的應(yīng)用說到超導體的應(yīng)用，大多數(shù)人的第一反應(yīng)肯定是磁懸浮列車。由于強大的超導磁體，磁懸浮