磁電阻效應(yīng)的研究進展

磁電阻效應(yīng)的研究進展

磁阻效應(yīng)是指在磁體作用下，指導(dǎo)體或半夏的電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。1857年，我首先發(fā)現(xiàn)了磁體各向異性磁強（amr）的影響，但沒有引起人們的充分關(guān)注。1988年，法國巴黎大學(xué)的巴西科學(xué)家巴基奇首次發(fā)現(xiàn)了多層面的磁強效應(yīng)，這立即引起了國際界工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注?，F(xiàn)在它是目前凝聚態(tài)物理的熱點之一。近20年來，我們在新現(xiàn)象、新材料、新技術(shù)的應(yīng)用等方面取得了一些突破，形成了新學(xué)科：磁電學(xué)。隨著電子和電子技術(shù)的快速發(fā)展和技術(shù)成熟，促進了下一代微磁性材料的發(fā)展。磁阻材料在高密度讀出磁頭磁傳感器、微弱磁場測量、各類運動的檢測等領(lǐng)域有著寬廣的應(yīng)用,從而成為國際上引人矚目的研究領(lǐng)域.磁電阻傳感器以其特有的優(yōu)點,廣泛應(yīng)用在磁場測量、數(shù)據(jù)存儲、汽車電子和工業(yè)控制的各個領(lǐng)域.磁阻器件品種較多,可分為正常磁電阻、各向異性磁電阻、巨磁電阻等.本文主要介紹上述磁阻器件的原理及其在磁阻傳感器中的應(yīng)用.1磁強效應(yīng)的基本原則1.1磁場強度的影響正常磁電阻效應(yīng)來源于磁場對電子的洛侖茲力,導(dǎo)致載流子運動發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生螺旋運動,使電子碰撞幾率增加,電阻增大.正常磁電阻效應(yīng)包括物理磁阻效應(yīng)和幾何磁阻效應(yīng),物理磁阻效應(yīng)又稱為磁電阻率,表現(xiàn)為當(dāng)洛侖茲力和霍爾電場所產(chǎn)生的靜電力合力作用的結(jié)果平衡時電子的速度V0為V0=VH/(Bjb).V0=VΗ/(Bjb).如果電子運動的速度V>V0時,電子將沿著洛侖茲力作用的方向偏轉(zhuǎn),使沿著外電場方向的電流密度減小,即由于磁場的存在而增加了電阻,其電阻值隨著磁場強度絕對值的增加而增大.其關(guān)系式為Δρρ=ρB?ρ0ρ0∝H2μ2,Δρρ=ρB-ρ0ρ0∝Η2μ2,式中:ρ0、ρB分別為無有磁場時的電阻率.H是磁場強度,μ是載流子遷移率.幾何磁阻效應(yīng)是在相同磁場作用下,幾何形狀不同的半導(dǎo)體片出現(xiàn)電阻值不同變化的現(xiàn)象.實驗證明,在弱磁場的作用下,電阻率的相對變化率為RBR0=ρBρ0(1+gμ2B2).RBR0=ρBρ0(1+gμ2B2).在中等磁場下:RBR0=ρBρ0(1+gμnBn)(1<n<2),RBR0=ρBρ0(1+gμnBn)(1<n<2),在強磁場下:RBR0=ρBρ0(1+gμB).RBR0=ρBρ0(1+gμB).g為形狀系數(shù),與半導(dǎo)體片長L、寬W和霍爾角有關(guān).為了得到大的電阻值,又提高磁敏電阻的靈敏度,通常采用柵格形結(jié)構(gòu),即在長條行電阻條中設(shè)置許多與電流方向垂直的短路金屬條,這些短路金屬條的作用是將霍爾電壓短路,以獲得較大的磁阻效應(yīng).由上述可知,Δρ/ρ與μ和B有關(guān),因此選用載流子遷移率比較大的半導(dǎo)體材料,通常采用半導(dǎo)體InSb和InAS作為磁敏材料.可選用陶瓷、微晶玻璃或鐵氧體材料作為襯底.對襯底的厚度均勻性有嚴(yán)格的要求,誤差不得超過1μm.1.2各向異性磁阻對于鐵、鈷、鎳及其合金等強磁性金屬,當(dāng)外加磁場平行于磁體內(nèi)部磁化方向時,電阻幾乎不隨外加磁場變化,當(dāng)外加磁場偏離金屬的內(nèi)磁化方向時,此類金屬的電阻值將減小,這就是強磁金屬的各向異性磁阻效應(yīng).在物理機制上,研究學(xué)者普遍認(rèn)為各向異性磁阻效應(yīng)來源于各向異性散射,各向異性散射是由于電子自旋-軌道耦合和勢散射中心的低對稱,降低了電子波函數(shù)的對稱性,從而導(dǎo)致了電子散射的各向異性.鐵磁性磁疇在外磁場下各向異性運動,使AMR效應(yīng)強烈依賴于自發(fā)的磁場方向.坡莫合金是典型的各向異性磁電阻材料,坡莫合金薄膜的電阻率ρ依賴于磁化強度M和電流I方向的夾角?,即ρ(?)=ρvertical+(ρparallel-ρvertical)cos2?,式中:ρvertical和ρparallel分別為垂直于M和平行于M的電阻率.玻莫合金(Fe20Ni80)在弱磁場下電阻變化量比較大,因此適合于弱磁場條件下使用.1.3巨磁電阻效應(yīng)許多物質(zhì)在外磁場作用下都可觀察到磁電阻效應(yīng),但一般材料最大只有2%～3%.Baibich等首次報道了Fe/Cr超晶格的磁電阻變化率達到50%,比通常磁電阻效應(yīng)大一個數(shù)量級,而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過多層膜中Fe層磁電阻變化總和,這一現(xiàn)象被稱為巨磁電阻效應(yīng).巨磁電阻效應(yīng)只有在納米尺度的薄膜中才能觀測到,因此納米材料以及超薄膜制備技術(shù)的發(fā)展使巨磁電阻傳感器芯片得以實現(xiàn).已經(jīng)發(fā)現(xiàn)具有巨磁阻效應(yīng)的材料有很多種,其特性不同,產(chǎn)生機理也不同.通?？煞譃榇判远鄬幽ぁ㈩w粒膜、隧道巨磁阻、磁性半導(dǎo)體和具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的錳氧化物等.1.3.1電子自旋相關(guān)散射多層膜是利用分子束外延或濺射技術(shù)生成的鐵磁性和非鐵磁性薄膜交替重疊的超晶格結(jié)構(gòu).目前,已經(jīng)對磁性多層膜提出了許多理論模型,例如Fert等人早期提出的基于磁性金屬中導(dǎo)電過程的二流體散射模型,Erich等人提出的量子力學(xué)處理方法,Camley等人提出的唯象理論.這些理論的焦點問題是界面的粗糙度所引起的電子自旋相關(guān)散射.從經(jīng)典的角度看,粗糙度引入了界面的反射與透射系數(shù);從量子的角度看,它引入了自旋相關(guān)散射勢.這些模型中相對比較成熟的是二流體模型,二流體模型的定性解釋見參考文獻,二流體模型如圖1所示.由二流體模型可知,磁性多層膜中相鄰磁層的磁矩在外加磁場的作用下成不同角度時,自旋向上和自旋向下的傳導(dǎo)電子受到散射程度不同,表現(xiàn)出不同的阻抗,這就是磁性多層膜的巨磁效應(yīng)的起因.1.3.2微膠囊的新工藝顆粒膜具有微顆粒和薄膜雙重特性及其交互作用效應(yīng),因此從磁性多層膜巨磁效應(yīng)的研究延伸到磁性顆粒膜巨磁效應(yīng)的研究有其內(nèi)在的必然性.1992年,Chien與Berkowitz分別在Co-Cu及Co-Ag顆粒膜中發(fā)現(xiàn)了類似于多層膜磁電阻效應(yīng).顆粒膜中的巨磁電阻效應(yīng)類似于多層膜的情況,起源于自旋相關(guān)的雜質(zhì)離子的散射,主要是磁性顆粒本身之間的相互散射.所不同的是顆粒膜的GMR效應(yīng)是各項同性的,其垂直磁電阻和縱向磁電阻相同,但在多層膜中,由于退磁因子,二者略有不同.顆粒膜中的顆粒是呈混亂的統(tǒng)計分布,其工藝制備比較簡單且較實用.常見的制備方法有共蒸發(fā),共濺射,離子注入等,但實驗室常用磁控濺射及粒子束濺射等方法來制備.1.3.3.3.3巨磁阻1975年,Julliere首先在兩鐵磁層發(fā)現(xiàn)了隧道巨磁效應(yīng)(TunnelingMagnetoresistance,TMR),經(jīng)過20年的研究,在1995年找到了影響該類磁阻的主要因素為底層鐵磁膜的表面粗糙度、界面質(zhì)量、鐵磁膜的疇壁以及這些因素導(dǎo)致的隧穿勢壘等.隧道巨磁阻在形式上屬于多層膜結(jié)構(gòu)之一,但隧道巨磁阻的磁致電阻機理與多層膜不同,磁性多層膜的巨磁阻效應(yīng)一般發(fā)生在磁性層/非磁層/磁性層之間,其中非磁層為金屬層,對于非磁層為半導(dǎo)體或絕緣體材料的磁性多層膜體系,若在垂直于膜面即橫跨絕緣體材料層的電壓作用下可以產(chǎn)生隧穿電流,便形成了隧道磁電阻效應(yīng).巨磁電阻大小與鐵磁金屬層的自旋極化率有關(guān),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(rèn)為有很大的應(yīng)用價值.1.3.4混合價錳系統(tǒng)的磁電化學(xué)研究1994年Jin等在LaAlO3單晶基片上外延生長類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的La1-xCaxMnO3薄膜,在77K和4.77MA/m磁場下的磁電阻變化率為1.27×105%,被稱為龐磁電阻(colossalmagnetoresistance,CMR).其主要由于鈣鈦礦類的亞錳酸(LaMnO3)中的La3+部分被Ca、Ba和Cd等二價離子替換時,呈現(xiàn)出強鐵磁性和金屬導(dǎo)電性,類鈣鈦礦的Ln1-xMxMnO3系氧化物具有一個共同特征,在一定溫度范圍時外磁場可使其從順磁性或反鐵磁性變?yōu)殍F磁性,在磁性發(fā)生轉(zhuǎn)變的同時,其導(dǎo)電特性從半導(dǎo)體態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài),從而使其電阻率產(chǎn)生巨大的變化.文獻提出雙交換機理和非磁無序效應(yīng)相結(jié)合的理論模型,較成功地解釋了混合價錳氧化物的龐磁電阻效應(yīng),取得了和實驗結(jié)果的定量一致.這類氧化物膜只有在極強磁場作用下,才能顯示特大磁電阻效應(yīng),因此實用化過程比較難.2gmr在磁電阻傳感器檢測中的應(yīng)用在GMR傳感器研制以前,使用的磁電阻傳感器主要是利用正常磁電阻傳感器、各向異性磁電阻傳感器以及霍爾傳感器.正常磁電阻傳感器受溫度影響比較大,目前應(yīng)用已經(jīng)比較少.AMR材料制成的傳感器,具有體積小、靈敏度高、阻抗低、抗惡劣環(huán)境、價格低廉等優(yōu)點.但由于AMR磁電阻率變化小,在檢測微弱磁場時受到限制.利用GMR效應(yīng)的傳感器繼承了AMR傳感器的優(yōu)點,并且,由于GMR磁電阻變化率大,使它能傳感微弱磁場,擴大了磁電阻傳感器測量范圍和應(yīng)用,呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景.2.1多層膜磁阻薄膜磁頭的研制和發(fā)展磁阻材料首先是作為計算機硬盤的讀出磁頭的磁場傳感器而被商業(yè)化應(yīng)用的.采用薄膜磁電阻磁頭讀取信息,磁場的微弱變化對應(yīng)著磁電阻的顯著變化,是讀取高密度磁記錄信息較理想的手段.其結(jié)構(gòu)如圖2所示,當(dāng)記錄媒質(zhì)上的剩余磁場作用于磁頭時,自旋閥多層膜的自由層磁化強度方向發(fā)生變化,從而引起磁頭電阻的變化,電阻的變化經(jīng)通過磁頭的電流讀出.1979年IBM公司宣布研制成功利用電鍍薄膜作為磁芯的薄膜磁頭.1990年IBM又第一個研制出用于高密度磁記錄的復(fù)合型磁阻薄膜磁頭,在CoPtCr合金薄膜磁記錄介質(zhì)盤上實現(xiàn)了存儲面密度0.155Gb/cm2.1994年IBM公司宣布首次利用GMR多層膜研制成計算機硬盤讀出磁頭,超過現(xiàn)有光盤記錄密度.2000年日本富士通成功研制出存儲密度為56.3Gb/in2的磁頭.近年來,硬盤驅(qū)動器的存儲密度以每年60%～100%的速度在持續(xù)增長,2003年,Sining.Mao研制出了存儲密度為15.5Gb/cm2的垂直磁記錄讀磁頭.2001年摩托羅拉宣布研制出GMR磁隨機讀取存儲器(MagneticRandomAccessMemories,MRAM),結(jié)構(gòu)如圖3所示,磁隨機存儲器是以磁電阻特性儲存記錄信息的,具有非易失性.MRAM和硬盤記錄原理類似,也采用磁化方向記錄0與1.只要外磁場不變,磁化方向就不會改變.此外,MRAM寫入和讀取速度可媲美SRAM,達到納秒量級,同時在記錄容量上可與DRAM相抗衡.由于隧道巨磁電阻需要的是小電流、低電壓信號,因而,進入時間短.因此利用隧道巨磁電阻效應(yīng)可以進一步提高存儲密度和實現(xiàn)快速存取.這將帶動計算機內(nèi)存儲器的一場革命.2.2巨磁電阻角速度傳感器InSb磁敏電阻元件是較早應(yīng)用于角度和角速度檢測的磁半導(dǎo)體傳感器,這類傳感器的核心敏感元件是矩形三端差分型InSb磁敏電阻,與磁性齒輪配合使用.當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動時,通過磁敏電阻的改變,周期的輸出準(zhǔn)正弦曲線,輸出信號的幅度與轉(zhuǎn)速無關(guān),輸出信號的頻率與轉(zhuǎn)速有關(guān).InSb磁敏電阻元件由于受溫度的影響大,誤差較大.后來,巨磁電阻逐漸取代了InSb磁敏電阻元件.巨磁電阻角速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示.圖4(a)是帶有焊盤的全橋式GMR傳感器芯片的結(jié)構(gòu)圖,圖4(b)是角速度傳感器的整體結(jié)構(gòu)圖,圖4(c)是傳感器輸出信號圖.利用GMR效應(yīng),當(dāng)鐵齒輪轉(zhuǎn)動時,靠近鐵齒輪的永磁鐵邊緣場的分布會發(fā)生變化,在圖4(b)所示的位置放置GMR傳感器對磁通變化的方向產(chǎn)生感應(yīng).就可以實現(xiàn)非接觸角速度和位置檢測.2.3異性磁阻檢測利用磁阻效應(yīng)可以進行電流檢測,磁電流傳感器的基本原理是利用磁場的變化,將其轉(zhuǎn)化為電阻的變化,根據(jù)響應(yīng)變換得到需要測量的電流值.InSb-In電流傳感器常采用半橋式結(jié)構(gòu),被測電流與永磁鐵產(chǎn)生的偏置磁場疊加的空間磁場引起半橋電阻改變,通過檢測電位的變化可以來測量電流,黃釗洪設(shè)計了一種交流電流傳感器,被檢測的弱電流信號可低至10mA,通頻帶為7～1800Hz.由于巨磁電阻具有更大的電阻變化率,因此具有更高的檢測靈敏度.MichaelVieth報道了一種人造反鐵磁的非接觸電流檢測GMR傳感器,能夠可靠的檢測0～40A的電流.2005年,Laimer提出了一種基于各向異性磁阻效應(yīng)的可商用的閉環(huán)式電流傳感器,傳感器的帶寬為0～1MHz,便于集成,通過專用的ASIC芯片可以減小傳感器的體積,溫度漂移小于輸出信號的1%.2.4巨磁傳感器和生物傳感近年來,磁敏電阻傳感器在生物傳感器的應(yīng)用中越來越廣泛,將磁性顆粒表面包上一層抗體,這種抗體只與特定的被分析物結(jié)合,因而可附著在生物樣本上作為磁性標(biāo)記.在GMR傳感器上也附著同樣的磁性標(biāo)記,當(dāng)利用傳感器檢測含有被分析物的溶液時,兩磁性標(biāo)記間磁場的變化將引起巨磁電阻傳感器輸出的變化,可以進行分析物的檢測.J.C.Rife設(shè)計的生物傳感器的結(jié)構(gòu)如圖5所示,圖6是該生物傳感芯片的光學(xué)顯微照片,該傳感器主要用于生物樣本的磁性標(biāo)記和檢測跟蹤.謝欣研發(fā)了一種以羧基修飾的磁性納米粒子作為固相載體,從全血唾液和細(xì)菌培養(yǎng)基中快速提取基因組DNA并擴增靶基因的通用方法.這種羧基修飾磁性納米粒子不但可以從樣品中富集靶細(xì)胞和從細(xì)胞裂解液中吸附DNA,而且吸附在納米磁珠表面的DNA可以不用洗脫而直接作為目標(biāo)基因PCR擴增的模板,從而通過功能集成簡化了從靶細(xì)胞富集到靶基因擴增的全過程.2004年,D.K.Wood研制了一種亞微型的用于生物檢測的巨磁傳感器,估計了該傳感器的靈敏度,對