第7章3磁致電阻材料

1、7.3 磁電阻材料本節(jié)主要講述下面幾個方面內(nèi)容：7.3.1磁電阻效應(yīng)7.3.2金屬超晶格的GMR效應(yīng)7.3.3自旋閥的GMR效應(yīng)7.3.4顆粒膜GMR效應(yīng)7.3.5隧道型TMR效應(yīng)7.3.6摻雜稀土錳氧化物CMR效應(yīng)7.3.7磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用7.3.1 磁致電阻效應(yīng)磁致電阻效應(yīng)的大小由MR比表示，定義磁電阻系數(shù)為：在外磁場作用下材料的電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為磁電阻(Magnetoresistance,MR)效應(yīng)。( ,)( ,0)( ,)( ,0)( ,0)( ,0)R T HR TT HTR TT( ,)( ,0)( ,)( ,0)( ,)( ,)R T HR TT HTR T HT H或溫度

2、為T，磁場為H時的電阻/電阻率溫度為T，磁場為0時的電阻/電阻率正常MR效應(yīng)和反常MR效應(yīng)正常MR效應(yīng)反常MR效應(yīng)是具有自發(fā)磁化強度的鐵磁體所特有的現(xiàn)象，其起因認為是自旋-軌道的相互作用或s-d相互作用引起的與磁化強度有關(guān)的電阻率變化，以及疇壁引起的電阻率變化。 反常MR效應(yīng)根據(jù)MR效應(yīng)的的起源機制，材料的磁電阻特性可分為兩類：正常磁電阻效應(yīng)和反常磁電阻效應(yīng) 存在于所有磁性和非磁性材料中，它是由于載流子在磁場中運動時受到Lorentz力的作用，產(chǎn)生回旋運動，從而增加了電子受散射的幾率，使電阻率上升，它與電子的自旋基本無關(guān) 區(qū)分磁(致)電阻與磁阻磁致電阻，是指導(dǎo)體電阻受磁場影響而變化的現(xiàn)象。磁阻

3、，reluctance，定義為： ，其中 Ni為磁動勢，為磁通量/miRNRm與導(dǎo)磁系數(shù)成反比，是形式上與歐姆定律中的電阻相似的磁路定律中的一個參量。磁致電阻效應(yīng)的新發(fā)展金屬的MR比通常比較小，一般不超過2%3% 1988年在Fe、Cr交替沉積的多層膜中發(fā)現(xiàn)了超過50%的MR比，即巨磁電阻效應(yīng)(GMR)，目前具有GMR效應(yīng)的材料主要有：多層膜、自旋閥、顆粒膜、非連續(xù)多層膜、氧化物超巨磁電阻薄膜等。1993年又在鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的稀土錳氧化物中觀測到了龐磁電阻(CMR)效應(yīng)， =R/R可達103106最近又發(fā)現(xiàn)了隧道結(jié)磁電阻(TMR)效應(yīng)，引起世人的極大關(guān)注。7.3.2 金屬超晶格的GMR效應(yīng)HHH=

4、0金屬超晶格GMR效應(yīng)的條件C 在鐵磁性導(dǎo)體/非磁性導(dǎo)體超晶格中，構(gòu)成反平行自旋結(jié)構(gòu)；相鄰磁層磁矩的相對取向能夠在外磁場作用下發(fā)生改變。A金屬超晶格的周期（每一重復(fù)層的厚度）應(yīng)比載流電子的平均自由程短 自旋取向不同的兩種電子（向上和向下），在磁性原子上的散射差別必須很大Cu中電子的平均自由程為34nm左右，而Cu等非磁性層的厚度為幾納米GMR多層膜的自旋配置鐵磁性層 非磁性隔離層鐵磁性層 非磁性隔離層鐵磁性層 非磁性隔離層鐵磁性層 Ms鐵磁性層 非磁性隔離層0H 鐵磁性層 非磁性隔離層鐵磁性層 非磁性隔離層鐵磁性層 非磁性隔離層鐵磁性層 Ms鐵磁性層 非磁性隔離層SHH鐵磁性層：Fe，Co，N

5、i及這些元素構(gòu)成的合金非磁性導(dǎo)體層：Cu，Ag，Au，Cr等金屬Fe/Cr多層膜的GMR效應(yīng)金屬超晶格GMR效應(yīng)的特征 電阻變化率大； 負效應(yīng)：隨磁場的增強，電阻只是減小而不是增加； 電阻變化與磁化強度-磁場間所成的角度無關(guān)； GMR效應(yīng)對于非磁性導(dǎo)體隔離層的厚度十分敏感； 具有積層數(shù)效應(yīng)；過渡金屬能級劈裂交換理論該理論主要是用來解釋非整數(shù)磁矩問題由于交換作用，對磁矩有貢獻的d電子的能帶產(chǎn)生劈裂，自旋向上的d電子能帶降低到費米能級以下，因此，自旋向下的電子要比自旋向上的少，二者差異造成了鐵磁性過渡金屬元素原子磁矩的非整數(shù)性二流體模型二流體模型內(nèi)容為： 鐵磁金屬中，導(dǎo)電的s電子要受到磁性原子磁矩

6、的散射作用（即與局域的d電子作用），散射的幾率取決于導(dǎo)電的s電子自旋方向與固體中磁性原子磁矩方向的相對取向。自旋方向與磁矩方向一致的電子受到的散射作用很弱，自旋方向與磁矩方向相反的電子則受到強烈的散射作用，而傳導(dǎo)電子受到散射作用的強弱直接影響到材料電阻的大小。該理論主要用來解釋鐵磁性金屬導(dǎo)電機理英國科學(xué)家、諾貝爾獎獲得者N.F.Mott提出電子的體散射電子的界面散射磁性金屬超晶格的制備方法 MBE（分子束外延法） 離子束濺射 濺射鍍膜 真空蒸鍍 電鍍7.3.3 自旋閥的GMR效應(yīng)薄膜電阻與多層膜各層磁矩（自旋）之間相對取向有關(guān)的現(xiàn)象稱為自旋閥GMR效應(yīng)優(yōu)點：低飽和場，工作場?。浑娮枳兓c外磁場

7、呈線性響應(yīng)；靈敏度高；信噪比高。鐵磁層隔離層鐵磁層反鐵磁層自由層釘扎層自旋閥結(jié)構(gòu)和原理F NiFe（4nm）AF FeMn（7nm）NM Cu（2.2nm）F NiFe（6.2nm）（b）（c）（a）HC1HfHHMR00自旋閥的結(jié)構(gòu)和原理示意圖（a）典型的自旋閥結(jié)構(gòu)圖；（b）自旋閥的磁滯回線；（c）磁電阻隨磁場的變化曲線；自旋閥的種類AFFNMFSubFNMFAFSubAFF1NMF2SubAFF1F2NMF2F1SubAFFNMFNMFAFSubHMNMSMSub（a）（b）（c）（d）（e）（f）自旋閥的種類（a）頂自旋閥；（b）底自旋閥；（c）不同鐵磁層的自旋閥；（d）界面工程自旋閥；

8、（e）對稱性自旋閥；（f）不同矯頑力的自旋閥7.3.4 顆粒膜GMR效應(yīng)顆粒膜是將納米尺寸的鐵磁性顆粒（Fe，Co，Ni等）鑲嵌于非磁性基質(zhì)，由于互不固溶，兩種組元形成復(fù)合薄膜，具有微顆粒和薄膜雙重性及其交互作用效應(yīng)。 顆粒膜的組成結(jié)構(gòu)與多層膜相似，GMR效應(yīng)的原理與多層膜相同，皆來源于與自旋相關(guān)的電子散射；顆粒膜性能比多層膜稍差，制備工藝比多層膜要簡單，通常采用射頻或直流磁控濺射、離子束或電子束濺射7.3.5 隧道結(jié)巨磁電阻（Tunnel Magnetoresistance,TMR）通過兩個鐵磁金屬膜之間的金屬氧化物勢壘的自旋極化隧穿過程產(chǎn)生GMR效應(yīng)非鐵磁絕緣層 鐵磁層A 鐵磁層B非鐵磁絕

9、緣層 鐵磁性層A鐵磁性層B HCBHCAH電阻最小HCBHHCA電阻最大優(yōu)點：飽和磁場低，靈敏度高，能耗低，穩(wěn)定隧道結(jié)結(jié)構(gòu)Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)的磁電阻曲線Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)的磁電阻曲線樣品基片為玻璃，F(xiàn)e和Al2O3膜的厚度分別為100nm和5.5nm7.3.6 摻雜稀土錳氧化物CMR(龐磁電阻-Colossal Magnetoresiatance)效應(yīng)在La2/3Ba1/3MnO3鈣鈦礦型鐵磁薄膜中發(fā)現(xiàn)室溫下可達60%的巨磁電阻效應(yīng)，在La2/3Ca1/3MnO3和Nd0.7Sr0.3MnO3樣品中觀察到，在磁場下樣品的電阻率下降甚至達到幾個數(shù)量級。為描述這樣巨大的負磁電阻

10、效應(yīng)，現(xiàn)在一般以R/RH=（R0-RH）/RH來計算磁電阻變化率。由此計算，在La2/3Ca1/3MnO3和Nd0.7Sr0.3MnO3樣品中觀察到的龐磁電阻比率分別大于105%和106%。由于在類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的稀土錳氧化物中觀測到的磁電阻效應(yīng)比GMR還大，故而稱之為龐磁電阻效應(yīng)，也有人稱其為宏磁電阻、超巨磁電阻、超大磁電阻、極大磁電阻等 磁場誘發(fā)反鐵磁-鐵磁轉(zhuǎn)變 磁場誘發(fā)結(jié)構(gòu)相變 7.3.7 磁電阻效應(yīng)的應(yīng)用 磁電阻磁頭磁電阻隨機存儲器MRAM示例優(yōu)點：非易失，抗腐蝕，抗輻射；密度大；壽命長；成本低應(yīng)用于傳感器物體永磁體位置A位置B磁電阻傳感器磁電阻位移傳感器工作原理磁電阻角速度傳感器工作原理

11、傳感器永磁體電流角度各種傳感器一覽CMR的偉大意義 2007年諾貝爾物理學(xué)獎年諾貝爾物理學(xué)獎今年的諾貝爾物理獎得主的獲獎成果，離我們是如此之近。今年的諾貝爾物理獎得主的獲獎成果，離我們是如此之近。 法國科學(xué)家阿爾貝法國科學(xué)家阿爾貝費爾和德國科學(xué)家彼得費爾和德國科學(xué)家彼得格林貝格爾因發(fā)格林貝格爾因發(fā)現(xiàn)現(xiàn)“巨磁電阻巨磁電阻”效應(yīng)而共同獲得效應(yīng)而共同獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎。年諾貝爾物理學(xué)獎。 一臺一臺1954年的體積占滿整間屋子的電腦和一個如今非常普通、年的體積占滿整間屋子的電腦和一個如今非常普通、手掌般大小的硬盤。正因為有了這兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，單位手掌般大小的硬盤。正因為有了這兩位科學(xué)家的發(fā)

12、現(xiàn)，單位面積介質(zhì)存儲的信息量才得以大幅度提升。面積介質(zhì)存儲的信息量才得以大幅度提升。 1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發(fā)現(xiàn)了一種特殊現(xiàn)象：年，費爾和格林貝格爾各自獨立發(fā)現(xiàn)了一種特殊現(xiàn)象：非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致磁性材料發(fā)生非常顯著的電阻變化。由于相對于傳統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)大一個數(shù)量級以上，這變化。由于相對于傳統(tǒng)的磁電阻效應(yīng)大一個數(shù)量級以上，這一效應(yīng)被稱為一效應(yīng)被稱為“巨磁電阻（巨磁電阻（GMR）”效應(yīng)。根據(jù)這一效應(yīng)效應(yīng)。根據(jù)這一效應(yīng)開發(fā)的小型大容量硬盤已得到廣泛應(yīng)用。開發(fā)的小型大容量硬盤已得到廣泛應(yīng)用。 CMR的偉大意義 “巨磁電阻巨磁電阻

13、”效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是全球電子化進程中的一次革命。效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)是全球電子化進程中的一次革命。有了這兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，硬盤存儲信息的能力大大提高，有了這兩位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)，硬盤存儲信息的能力大大提高，這對筆記本電腦、這對筆記本電腦、MP3音樂播放器以及其他便攜式媒體播音樂播放器以及其他便攜式媒體播放器的發(fā)展起到重要作用。放器的發(fā)展起到重要作用。 1997年，第一個基于年，第一個基于“巨磁電阻巨磁電阻”效應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出頭問世，效應(yīng)的數(shù)據(jù)讀出頭問世，并且很快就此引起了硬盤并且很快就此引起了硬盤“大容量、小型化大容量、小型化”的革命。如的革命。如今，包括在筆記本電腦、微型音樂播放器等各類數(shù)碼電子今，包括在筆記本電腦、微型音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的大容量硬盤，基本都應(yīng)用了產(chǎn)品中所裝備的大容量硬盤，基本都應(yīng)用了“巨磁電阻巨磁電阻”效應(yīng)，這技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界新的標準。效應(yīng)，這技術(shù)已經(jīng)成為業(yè)界新的標準。只要在只要在“巨磁電阻巨磁電阻”效