巨磁電阻材料的性質(zhì)和應(yīng)用研究現(xiàn)狀ppt課件

1、巨磁電阻材料的性質(zhì)與應(yīng)用巨磁電阻材料的性質(zhì)與應(yīng)用 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀1;.2目錄目錄l一、磁電阻及巨磁電阻簡介一、磁電阻及巨磁電阻簡介l二、二、GRM材料的要求及種類材料的要求及種類l三、巨磁電阻的應(yīng)用三、巨磁電阻的應(yīng)用l四、展望四、展望3一、磁電阻及巨磁電阻簡介一、磁電阻及巨磁電阻簡介許多導(dǎo)體材料的電阻是受外加磁場影響的，這種磁許多導(dǎo)體材料的電阻是受外加磁場影響的，這種磁 場改場改 變引起變引起 導(dǎo)體電阻率變化的現(xiàn)導(dǎo)體電阻率變化的現(xiàn)象被稱為磁電阻象被稱為磁電阻 (Magnetoresistance，MR)效效 應(yīng)應(yīng) 。表征磁電阻效應(yīng)大小的物理量為磁。表征磁電阻效應(yīng)大小的物理量為磁阻比阻比(MR

2、比比),其定義如下：其定義如下：其中，H磁場下的電阻率；0零磁場下的電阻率。磁磁 電電 阻阻 效效 應(yīng)應(yīng) 的的 產(chǎn)產(chǎn) 生有不生有不 同同 的物的物 理機理機 制制 ，按，按 不不 同的物同的物 理理 機機 制制 可作可作 如如 下下 分類分類 ：正正 常磁常磁 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng) 、各、各 向異向異 性性 磁磁 電電 阻效阻效 應(yīng)應(yīng) 、巨磁、巨磁 電阻效應(yīng)電阻效應(yīng) 、龐磁電阻效應(yīng)等、龐磁電阻效應(yīng)等 。41）正）正 常磁常磁 電電 阻阻 (Ordinary Magnetoresistance，OMR)效應(yīng)效應(yīng) 。普遍存在于所有金屬。普遍存在于所有金屬 中，它的產(chǎn)生機制是傳導(dǎo)電子受到磁場的洛侖茲力的

3、作用而產(chǎn)生螺旋運動中，它的產(chǎn)生機制是傳導(dǎo)電子受到磁場的洛侖茲力的作用而產(chǎn)生螺旋運動 ，從而使，從而使材料的電阻升高材料的電阻升高 。實際中大部分材。實際中大部分材 料的料的 OMR都比較小沒有實用價值。都比較小沒有實用價值。2）各）各 向向 異異 性性 磁磁 電電 阻（阻（Anisotropic Magnetoresistance，AMR）效應(yīng)）效應(yīng) 。存在于鐵。存在于鐵磁金屬及其合金材料磁金屬及其合金材料 中中 ，電阻率隨電流和磁化強度的相對取向而不，電阻率隨電流和磁化強度的相對取向而不 同。鐵磁金屬同。鐵磁金屬 的的AMR在室溫下可以達到在室溫下可以達到 23，由于一些磁性材料，由于一些磁

4、性材料 的磁矩可以用很小的磁場來翻的磁矩可以用很小的磁場來翻轉(zhuǎn)，所以有比較高的靈轉(zhuǎn)，所以有比較高的靈 敏度。敏度。AMR效應(yīng)已經(jīng)有了很多的應(yīng)用效應(yīng)已經(jīng)有了很多的應(yīng)用 ，比如，比如 90年代初期年代初期 計計算機讀算機讀 出磁頭以及各出磁頭以及各 種高靈敏度的磁場傳感。種高靈敏度的磁場傳感。567費爾費爾1938年年3月出生于法國南部小城卡爾卡索納，月出生于法國南部小城卡爾卡索納，1970年在南巴黎大學(xué)獲博士學(xué)位，年在南巴黎大學(xué)獲博士學(xué)位，1976年開始擔(dān)任南巴黎大年開始擔(dān)任南巴黎大學(xué)教授。自學(xué)教授。自1995年以來，費爾還一直擔(dān)任法國國家科研年以來，費爾還一直擔(dān)任法國國家科研中心與法國泰雷茲集

5、團組建的聯(lián)合物理實驗室科學(xué)主管。中心與法國泰雷茲集團組建的聯(lián)合物理實驗室科學(xué)主管。費爾于費爾于2004年當選法國科學(xué)院院士。年當選法國科學(xué)院院士。格林貝格爾格林貝格爾1939年出生于比爾森，年出生于比爾森，1969年在達姆施塔特年在達姆施塔特技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，技術(shù)大學(xué)獲博士學(xué)位，1972年開始擔(dān)任德國尤利希研究年開始擔(dān)任德國尤利希研究中心教授。中心教授。2004年退休。他的知識產(chǎn)權(quán)保護意識比較強。年退休。他的知識產(chǎn)權(quán)保護意識比較強。格林貝格爾為此還申請了專利。格林貝格爾為此還申請了專利。8“你的計算機硬盤存儲能力有多大，你的計算機硬盤存儲能力有多大， 他們的貢獻就有多大他們的貢獻就有多大”

6、” 世界上第一臺計算機世界上第一臺計算機1T硬盤硬盤9二、二、GRM材料的要求及種類材料的要求及種類l為了滿足應(yīng)用的要求為了滿足應(yīng)用的要求, 對對GMR材料的主要要求是材料的主要要求是: 1、高的室溫高的室溫GMR效應(yīng)效應(yīng), 即由外加磁場引起的室溫電阻變化率高即由外加磁場引起的室溫電阻變化率高; 2、低的工作磁場低的工作磁場, 即在較低的外加磁場強度下得到高的即在較低的外加磁場強度下得到高的MR; 3、高的穩(wěn)定性高的穩(wěn)定性, 即環(huán)境條件即環(huán)境條件( 溫度、濕度、振動等溫度、濕度、振動等) 變化時變化時, MR的變化要盡的變化要盡量小。量小。l就目前研究熱點的幾類就目前研究熱點的幾類GMR材料材

7、料, 可以說是各有特點?？梢哉f是各有特點。 已發(fā)現(xiàn)具有已發(fā)現(xiàn)具有GMR效應(yīng)的材料主要有多層膜、自旋閥、納米顆粒膜、磁性隧效應(yīng)的材料主要有多層膜、自旋閥、納米顆粒膜、磁性隧道結(jié)、道結(jié)、非連續(xù)多層膜、氧化物陶瓷、熔淬薄帶非連續(xù)多層膜、氧化物陶瓷、熔淬薄帶等。等。10u 多層膜多層膜 各種鐵磁層（各種鐵磁層（Fe、Ni、Co及其合金）和非磁層（包括及其合金）和非磁層（包括3d、4d、以及、以及5d非磁金屬）非磁金屬）交替生長而構(gòu)成的磁性多層膜，大多都具有交替生長而構(gòu)成的磁性多層膜，大多都具有GRM效應(yīng)，其中尤以多晶（效應(yīng)，其中尤以多晶（Co/Cu）多）多層膜的磁電阻效應(yīng)最為突出。室溫、層膜的磁電阻效

8、應(yīng)最為突出。室溫、1T磁場下磁場下GMR值為值為70%，遠大于多晶，遠大于多晶（Fe/Cr）。）。 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.11 多層膜多層膜GMR數(shù)值遠較數(shù)值遠較AMR大，為負值，基本為各向同性。其測試方法有兩種：大，為負值，基本為各向同性。其測試方法有兩種：CIP（Current-in-plane），即電流沿膜面；），即電流沿膜面；CPP（Current flowing perpen dicular to the plane），電流與膜面垂直。通常采用），電流與膜面垂直。通常采用CIP方式。因

9、為電子的運動是混亂的，可穿越方式。因為電子的運動是混亂的，可穿越若干層，并經(jīng)受層內(nèi)及界面自旋相關(guān)的散射，總電阻為電子經(jīng)過各層的各個等效電阻若干層，并經(jīng)受層內(nèi)及界面自旋相關(guān)的散射，總電阻為電子經(jīng)過各層的各個等效電阻的總和。在的總和。在CPP模式下，由于電子是垂直于膜面穿過多層膜，要經(jīng)受更多的與自旋相模式下，由于電子是垂直于膜面穿過多層膜，要經(jīng)受更多的與自旋相關(guān)的雜質(zhì)和缺陷的散射；另外，非磁金屬層的分流效應(yīng)也被排除，因此垂直模式下可關(guān)的雜質(zhì)和缺陷的散射；另外，非磁金屬層的分流效應(yīng)也被排除，因此垂直模式下可以得到更大的磁電阻效應(yīng)以得到更大的磁電阻效應(yīng)。u 多層膜多層膜12巨磁電阻效應(yīng)基本原理巨磁電阻

10、效應(yīng)基本原理圖圖1 Fe/Cr多層膜的實驗曲線多層膜的實驗曲線(a)磁化曲線，磁化曲線，(b)室溫下的巨磁電阻，室溫下的巨磁電阻，(c)低溫下的巨磁電阻低溫下的巨磁電阻圖圖2 鐵磁層耦合示意圖鐵磁層耦合示意圖13巨磁電阻效應(yīng)基本原理巨磁電阻效應(yīng)基本原理圖圖3 多層膜系統(tǒng)等效電阻示意圖多層膜系統(tǒng)等效電阻示意圖 (a)反鐵磁耦合，反鐵磁耦合，(b)鐵磁耦合鐵磁耦合根根 據(jù)據(jù) Mott的雙流體模型（將傳導(dǎo)電子的雙流體模型（將傳導(dǎo)電子分為自旋向上與向下兩類導(dǎo)電載流子分為自旋向上與向下兩類導(dǎo)電載流子的物理圖象），若導(dǎo)電的物理圖象），若導(dǎo)電 電子自旋方向電子自旋方向與局域磁與局域磁 矩反平行矩反平行 ，則

11、受到非常，則受到非常 強強的散射的散射 ，電阻較大，電阻較大 ；而當導(dǎo)電電子自；而當導(dǎo)電電子自旋方向與局域磁矩平行時旋方向與局域磁矩平行時 ，則受到的，則受到的散射就弱的多散射就弱的多 ，電阻較小。，電阻較小。14圖圖4 過渡金屬態(tài)密度函數(shù)過渡金屬態(tài)密度函數(shù)N（E）示意圖）示意圖為什么不同自旋取向散射率會不同，從態(tài)為什么不同自旋取向散射率會不同，從態(tài)密度理論出發(fā)可以這樣來理解：密度理論出發(fā)可以這樣來理解：3d過渡元過渡元素金屬中，由于量子力學(xué)的交換作用，素金屬中，由于量子力學(xué)的交換作用，d能能帶將分裂為兩個不同自旋取向的次能帶，帶將分裂為兩個不同自旋取向的次能帶，為了簡單明了起見，圖中設(shè)為了簡

12、單明了起見，圖中設(shè)3d 能帶低于費能帶低于費米能級，全被電子所占據(jù)，而米能級，全被電子所占據(jù)，而3d 帶卻部分帶卻部分被填充，而磁性金屬的飽和磁化強度取決被填充，而磁性金屬的飽和磁化強度取決于這兩個次能帶磁矩之差。顯然對自旋向于這兩個次能帶磁矩之差。顯然對自旋向上的傳導(dǎo)電子只能在上的傳導(dǎo)電子只能在s帶被散射，散射較弱，帶被散射，散射較弱，而對自旋向下的電子除而對自旋向下的電子除s帶外，帶外，3d帶亦可帶亦可被散射，散射強，平均自由路徑短，因此被散射，散射強，平均自由路徑短，因此從態(tài)密度理論出發(fā)，在上述情況下，當傳從態(tài)密度理論出發(fā)，在上述情況下，當傳導(dǎo)電子自旋平行于局域磁化矢量時，具有導(dǎo)電子自旋

13、平行于局域磁化矢量時，具有低電阻特性，反平行時為高電阻態(tài)。低電阻特性，反平行時為高電阻態(tài)。15u 多層膜多層膜多層膜的多層膜的GMRGMR效應(yīng)的影響因素效應(yīng)的影響因素16Fe/Cr多層膜巨磁電阻效應(yīng)多層膜巨磁電阻效應(yīng)17周期數(shù)影響周期數(shù)影響多層膜的多層膜的GMR隨總周期數(shù)的增加而增大，當總膜厚達到與平均自由程相當時，隨總周期數(shù)的增加而增大，當總膜厚達到與平均自由程相當時，GMR值逐漸趨飽和，不再隨周期數(shù)而增大。隨著周期數(shù)增加，界面粗糙度增值逐漸趨飽和，不再隨周期數(shù)而增大。隨著周期數(shù)增加，界面粗糙度增大，界面自旋相關(guān)散射作用增強；表面散射作用減弱，界面散射作用權(quán)重增強。大，界面自旋相關(guān)散射作用增

14、強；表面散射作用減弱，界面散射作用權(quán)重增強。但也有結(jié)果表明，界面粗糙度增大只會導(dǎo)致但也有結(jié)果表明，界面粗糙度增大只會導(dǎo)致GMR減小。當然，膜厚增加會影減小。當然，膜厚增加會影響到多層膜中晶體的生長情況，不同膜厚產(chǎn)生晶界的變化也將影響到響到多層膜中晶體的生長情況，不同膜厚產(chǎn)生晶界的變化也將影響到GMR的的值。值。緩沖層與覆蓋層緩沖層與覆蓋層為了制備良好的多層結(jié)構(gòu)，常在襯底上沉積為了制備良好的多層結(jié)構(gòu)，常在襯底上沉積510nm的緩沖層，如的緩沖層，如Fe、Zn、Ru等，等，這樣可改善多層織構(gòu)，降低層厚起伏和界面粗糙度，有利于獲得平整的界面。這樣可改善多層織構(gòu)，降低層厚起伏和界面粗糙度，有利于獲得平

15、整的界面。為防止氧化，要在表面沉積覆蓋層。然而這兩種附加層會對多層膜的電阻其短為防止氧化，要在表面沉積覆蓋層。然而這兩種附加層會對多層膜的電阻其短路作用和分流作用。路作用和分流作用。18溫度依賴性溫度依賴性MR比值隨溫度上升而減小。因為溫度上升時引入了更多的散射，如聲子、磁振子散比值隨溫度上升而減小。因為溫度上升時引入了更多的散射，如聲子、磁振子散射，使電阻率上升，射，使電阻率上升，MR比值下降。另外，高溫附加散射不同于低溫下雜質(zhì)及缺比值下降。另外，高溫附加散射不同于低溫下雜質(zhì)及缺陷散射，改變了不對稱散射因子。再者，磁振子散射導(dǎo)致自旋混合效應(yīng)，從而陷散射，改變了不對稱散射因子。再者，磁振子散射

16、導(dǎo)致自旋混合效應(yīng)，從而減弱了巨磁電阻效應(yīng)。減弱了巨磁電阻效應(yīng)。界面結(jié)構(gòu)界面結(jié)構(gòu)包括界面結(jié)構(gòu)取向、界面粗造度、能使磁性層間發(fā)生耦合作用的針孔效應(yīng)、界面區(qū)不包括界面結(jié)構(gòu)取向、界面粗造度、能使磁性層間發(fā)生耦合作用的針孔效應(yīng)、界面區(qū)不同成分的原子相互滲透的程度等。例如，在同成分的原子相互滲透的程度等。例如，在Ni/Cu和和NiFe/Cu自旋閥結(jié)構(gòu)中，界自旋閥結(jié)構(gòu)中，界面原子磁矩因界面原子互擴散而減少并變得雜亂無章，從而導(dǎo)致面原子磁矩因界面原子互擴散而減少并變得雜亂無章，從而導(dǎo)致GMR的顯著降的顯著降低。低。19u 自旋閥自旋閥GMR材料材料 在通常的磁性多層膜中存在較強的層間交換耦合，阻礙了相鄰磁層中

17、磁矩相在通常的磁性多層膜中存在較強的層間交換耦合，阻礙了相鄰磁層中磁矩相對取向發(fā)生變化對取向發(fā)生變化 ，GMR效應(yīng)必須在很高的飽和外磁場效應(yīng)必須在很高的飽和外磁場(10至至20kOe)才能達到才能達到 ，所以這樣的多層膜體系的磁電阻的靈敏度非常小。所以這樣的多層膜體系的磁電阻的靈敏度非常小。 1991年年 ，IBM公公 司的司的BDieny提提 出鐵磁層出鐵磁層/隔離層隔離層/鐵磁層鐵磁層/反鐵磁層結(jié)反鐵磁層結(jié) 構(gòu)構(gòu) ，并，并首先在首先在NiFe/Cu/NiFe/FeMn多層膜多層膜 中發(fā)現(xiàn)了低飽和場中發(fā)現(xiàn)了低飽和場GMR效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的多效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的多層膜利用電子的自旋特性，像閥一樣限制

18、電子的移動，故命名為自旋閥層膜利用電子的自旋特性，像閥一樣限制電子的移動，故命名為自旋閥(spin valve)。20自旋閥通?？煞譃閮煞N基本方式自旋閥通常可分為兩種基本方式 ：一種被非磁層分開的兩軟磁層之一用反鐵磁層：一種被非磁層分開的兩軟磁層之一用反鐵磁層(如如 MnFe或或 NiO)通過交換作用釘扎，如通過交換作用釘扎，如 MnFe/FeNi/Cu/FeNi自旋閥多層膜結(jié)構(gòu)自旋閥多層膜結(jié)構(gòu) ；另一種是具有不同矯頑另一種是具有不同矯頑 力的兩鐵磁層力的兩鐵磁層(通常通常 一軟一軟 一硬一硬)用非磁層分開用非磁層分開 。u 自旋閥自旋閥GMR材料材料“釘扎層釘扎層”“被釘扎層被釘扎層”“自由

19、層自由層”“分隔層分隔層”第一類自旋閥示意圖第一類自旋閥示意圖第二類自旋閥示意圖第二類自旋閥示意圖“硬磁性層硬磁性層”“軟磁性層軟磁性層”“分隔層分隔層”21采用第一種方式的采用第一種方式的GMRGMR自旋閥基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。該類自旋閥多層膜結(jié)構(gòu)原理上可以自旋閥基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。該類自旋閥多層膜結(jié)構(gòu)原理上可以分為四層：反鐵磁釘扎層，鐵磁被釘扎層，非磁性分隔層和鐵磁自由層。其中，自由層分為四層：反鐵磁釘扎層，鐵磁被釘扎層，非磁性分隔層和鐵磁自由層。其中，自由層和被釘扎層采用軟鐵磁材料和被釘扎層采用軟鐵磁材料( (也可采取自由層為軟鐵磁材料也可采取自由層為軟鐵磁材料 ，被釘扎層使用硬鐵磁材料，

20、被釘扎層使用硬鐵磁材料的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)) )，它們之間的非磁性金屬隔離層，它們之間的非磁性金屬隔離層 ，只對自由層和被釘扎層進行磁隔離，而不進，只對自由層和被釘扎層進行磁隔離，而不進行電隔離，改變其厚度可以控制在其兩面磁性薄膜之間的耦合強度，外磁場可以較方便行電隔離，改變其厚度可以控制在其兩面磁性薄膜之間的耦合強度，外磁場可以較方便地改變自出層的磁矩而較難改變被釘扎層的磁矩。地改變自出層的磁矩而較難改變被釘扎層的磁矩?！搬斣鷮俞斣鷮印薄氨会斣鷮颖会斣鷮印薄白杂蓪幼杂蓪印薄胺指魧臃指魧印钡谝活愖孕y示意圖第一類自旋閥示意圖22實例分析：實例分析：FeMn（7nm）TaNiFe（4.5）Cu（2.2n

21、m）NiFe（6nm）NiFe（6nm）/Cu（2.2nm）/NiFe（4.5）/FeMn（7nm）自旋閥示意圖自旋閥示意圖23在磁場強度等于在磁場強度等于NiFe（6nm）層的反向矯頑力的外場作用下，）層的反向矯頑力的外場作用下， NiFe（6nm）層中）層中的磁化矢量首先翻轉(zhuǎn)，這時，在兩個的磁化矢量首先翻轉(zhuǎn)，這時，在兩個NiFe層中的磁化矢量成反平行排列，這就形層中的磁化矢量成反平行排列，這就形成了電子自旋相關(guān)散射的高電阻態(tài)。如果磁場在反方向上繼續(xù)增加，當磁場強度達成了電子自旋相關(guān)散射的高電阻態(tài)。如果磁場在反方向上繼續(xù)增加，當磁場強度達到某一臨界值時，到某一臨界值時， NiFe（4nm）層

22、也轉(zhuǎn)向磁場方向，這就形成了電子自旋相關(guān)的）層也轉(zhuǎn)向磁場方向，這就形成了電子自旋相關(guān)的低電阻態(tài)。低電阻態(tài)。自旋閥的磁化曲線（自旋閥的磁化曲線（a）和磁電阻曲線（）和磁電阻曲線（b）24采用第二種方式的采用第二種方式的GMR自旋閥基本結(jié)構(gòu)如下圖所示?？梢杂糜茶F磁層（如自旋閥基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。可以用硬鐵磁層（如PtCo）代）代替釘扎層和被釘扎層，因為二者的矯頑力不同，在適當磁場下亦可使相鄰鐵磁層的替釘扎層和被釘扎層，因為二者的矯頑力不同，在適當磁場下亦可使相鄰鐵磁層的磁化方向從接近平行變化到平行飽和狀態(tài)，從而也得到巨磁電阻。相對第一種方式磁化方向從接近平行變化到平行飽和狀態(tài)，從而也得到巨磁電阻。相

23、對第一種方式其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，且可選擇抗腐蝕和熱穩(wěn)定性好的硬磁材料，克服了自旋閥的不其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，且可選擇抗腐蝕和熱穩(wěn)定性好的硬磁材料，克服了自旋閥的不耐腐蝕和穩(wěn)定性差的缺點。它的缺點是硬磁層與自由層之間存在耦合，自由層的矯耐腐蝕和穩(wěn)定性差的缺點。它的缺點是硬磁層與自由層之間存在耦合，自由層的矯頑力增大，因此降低了自旋閥的靈敏度。頑力增大，因此降低了自旋閥的靈敏度。第二類自旋閥示意圖第二類自旋閥示意圖“硬磁性層硬磁性層”“軟磁性層軟磁性層”“分隔層分隔層”25自旋閥的優(yōu)點與缺點自旋閥的優(yōu)點與缺點優(yōu)點：磁電阻變化率優(yōu)點：磁電阻變化率R/R對外磁場的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特性好；低飽和場，工作對

24、外磁場的響應(yīng)呈線性關(guān)系，頻率特性好；低飽和場，工作磁場??；與磁場小；與AMR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轉(zhuǎn)動磁化過程能有效地抑制Barkhausen噪聲，信噪比高。噪聲，信噪比高。缺點：自旋閥多層膜的磁電阻變化量并不大，同時現(xiàn)在面臨的最大問題是它的抗腐蝕和缺點：自旋閥多層膜的磁電阻變化量并不大，同時現(xiàn)在面臨的最大問題是它的抗腐蝕和熱穩(wěn)定性都不太好。熱穩(wěn)定性都不太好。26u 納米顆粒結(jié)構(gòu)的納米顆粒結(jié)構(gòu)的GMR效應(yīng)效應(yīng) 金屬顆粒膜是指鐵磁性金屬（如金屬顆粒膜是指鐵磁性金屬（如Co、F

25、e等）以顆粒的形式分散地鑲嵌于非互熔的等）以顆粒的形式分散地鑲嵌于非互熔的非磁性金屬（如非磁性金屬（如Ag、Cu等）的母體中所構(gòu)成的復(fù)合材料。等）的母體中所構(gòu)成的復(fù)合材料。 實驗室中常采用磁控濺射、離子束濺射等方法，顆粒的尺寸大小可以通過控制退實驗室中常采用磁控濺射、離子束濺射等方法，顆粒的尺寸大小可以通過控制退火溫度或者襯底溫度來實現(xiàn)，其尺寸范圍可在幾個納米到幾十個納米之間任意變化?；饻囟然蛘咭r底溫度來實現(xiàn)，其尺寸范圍可在幾個納米到幾十個納米之間任意變化。 顆粒膜是以微顆粒的形式彌散于薄膜中，不同于合金、化合物，屬于非均勻相組顆粒膜是以微顆粒的形式彌散于薄膜中，不同于合金、化合物，屬于非均勻

26、相組成體系。成體系。顆粒膜示意圖顆粒膜示意圖27當外加于顆粒膜的磁場為零時，顆粒膜的磁化強度為零，各鐵磁顆粒的磁化方向混亂當外加于顆粒膜的磁場為零時，顆粒膜的磁化強度為零，各鐵磁顆粒的磁化方向混亂排列，傳導(dǎo)電子受到最大的散射作用，樣品處于大電阻狀態(tài)，當外磁場增加時，顆粒排列，傳導(dǎo)電子受到最大的散射作用，樣品處于大電阻狀態(tài)，當外磁場增加時，顆粒膜存在一定的磁化強度，各鐵磁顆粒的磁化方向趨于外磁場方向，傳導(dǎo)電子所受散射膜存在一定的磁化強度，各鐵磁顆粒的磁化方向趨于外磁場方向，傳導(dǎo)電子所受散射小，樣品電阻降低小，樣品電阻降低。（a）無外加磁場）無外加磁場（b）外加飽和磁場）外加飽和磁場顆粒膜中磁化狀

27、態(tài)顆粒膜中磁化狀態(tài)28影響影響GMR效應(yīng)的因素效應(yīng)的因素29當磁性顆粒體積百分數(shù)低時，顆粒數(shù)目少，散射中心少，此外顆粒間距大，如間距大當磁性顆粒體積百分數(shù)低時，顆粒數(shù)目少，散射中心少，此外顆粒間距大，如間距大于電子在介質(zhì)中的平均自由程時，將降低巨磁電阻效應(yīng)，因此隨著鐵磁濃度增加，總于電子在介質(zhì)中的平均自由程時，將降低巨磁電阻效應(yīng)，因此隨著鐵磁濃度增加，總的趨勢是增大巨磁電阻效應(yīng)的。然而在顆粒濃度增大的同時，顆粒尺寸亦將變大，當?shù)内厔菔窃龃缶薮烹娮栊?yīng)的。然而在顆粒濃度增大的同時，顆粒尺寸亦將變大，當顆粒尺寸超過電子在顆粒內(nèi)平均自由程時，又將減低巨磁電阻效應(yīng)。此外，隨著顆粒顆粒尺寸超過電子在顆粒

28、內(nèi)平均自由程時，又將減低巨磁電阻效應(yīng)。此外，隨著顆粒濃度增加，顆粒間相互作用增強，在一定濃度時在顆粒膜中可以形成磁疇結(jié)構(gòu)，濃度增加，顆粒間相互作用增強，在一定濃度時在顆粒膜中可以形成磁疇結(jié)構(gòu)，GMR效應(yīng)消失，于是在一定鐵磁顆粒濃度時將呈現(xiàn)效應(yīng)消失，于是在一定鐵磁顆粒濃度時將呈現(xiàn)GMR效應(yīng)極大值。效應(yīng)極大值。Co-Ag, Fe-Ag等顆粒膜的等顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)與組成的關(guān)巨磁電阻效應(yīng)與組成的關(guān)系系30u 隧道磁電阻（隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)）效應(yīng)31 TMR效應(yīng)的定性解釋是效應(yīng)的定性解釋是: 在隧道結(jié)中在隧道結(jié)中, 磁場克服兩鐵磁層的矯頑力就可使它們磁場克服兩鐵磁層的矯頑力就可使它們的磁化方向

29、轉(zhuǎn)到磁場方向而趨于一致的磁化方向轉(zhuǎn)到磁場方向而趨于一致, 這時隧道電阻為最小值這時隧道電阻為最小值; 如將磁場減少至如將磁場減少至負負, 矯頑力小的鐵磁層的磁化方向首先反轉(zhuǎn)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兩鐵磁層的磁場方向相反, 隧道電隧道電阻為極大值。阻為極大值。隧道結(jié)中鐵磁層磁化平行與反平行時電子隧穿情況示意隧道結(jié)中鐵磁層磁化平行與反平行時電子隧穿情況示意圖圖32隧道結(jié)的優(yōu)點隧道結(jié)的優(yōu)點TMR效應(yīng)具有很高的磁場靈敏度效應(yīng)具有很高的磁場靈敏度隧道結(jié)中兩鐵磁層間不存在層間耦合，隧道結(jié)的飽和磁場很低，只需要一個很小磁場隧道結(jié)中兩鐵磁層間不存在層間耦合，隧道結(jié)的飽和磁場

30、很低，只需要一個很小磁場就可以實現(xiàn)兩鐵磁層從平行到反平行的轉(zhuǎn)變。就可以實現(xiàn)兩鐵磁層從平行到反平行的轉(zhuǎn)變。隧道結(jié)的電阻可調(diào)且范圍寬隧道結(jié)的電阻可調(diào)且范圍寬與多層膜巨磁電阻相比，隧道結(jié)具有很高的電阻，其電阻可以通過調(diào)整絕緣層厚度在與多層膜巨磁電阻相比，隧道結(jié)具有很高的電阻，其電阻可以通過調(diào)整絕緣層厚度在很寬的范圍內(nèi)改變，有利于和外電路實現(xiàn)匹配。很寬的范圍內(nèi)改變，有利于和外電路實現(xiàn)匹配。進入時間短進入時間短隧道巨磁電阻需要的是小電流、低電壓信號隧道巨磁電阻需要的是小電流、低電壓信號。33三、巨磁電阻的應(yīng)用三、巨磁電阻的應(yīng)用l1、SV-GMR(spinvalve)磁頭和傳感器磁頭和傳感器l2、巨磁電阻

31、隨機存取存儲器、巨磁電阻隨機存取存儲器l3、其他方面的應(yīng)用、其他方面的應(yīng)用34SV-GMR磁頭和傳感器磁頭和傳感器磁頭：硬盤中對盤片進行讀寫工磁頭：硬盤中對盤片進行讀寫工作的工具作的工具用線圈纏繞在磁芯上制成的磁頭用線圈纏繞在磁芯上制成的磁頭通過感應(yīng)旋轉(zhuǎn)的盤片上磁場的變通過感應(yīng)旋轉(zhuǎn)的盤片上磁場的變化來讀取數(shù)據(jù)；通過改變盤片上化來讀取數(shù)據(jù)；通過改變盤片上的磁場來寫入數(shù)據(jù)的磁場來寫入數(shù)據(jù)磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，磁頭懸浮在高速轉(zhuǎn)動的盤片上方，而不與盤片直接接觸而不與盤片直接接觸35局部磁化單元局部磁化單元載磁體載磁體寫線圈寫線圈SNI局部磁化單元局部磁化單元寫線圈寫線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層

32、磁層寫入寫入“0”寫入寫入“1”I磁記錄原理磁記錄原理(寫入寫入)36磁記錄原理（讀出）磁記錄原理（讀出）N讀線圈讀線圈S讀線圈讀線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層運動方向運動方向運動方向運動方向ssttffee讀出讀出 “0”讀出讀出 “1”37當硬盤體積不斷變小，容量當硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨盤上每一個被劃分出來的獨立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越所記錄的磁信號也就越來越弱弱 。借助。借助“巨磁電阻巨磁電阻”效應(yīng)，效應(yīng)，人們才得以制造出更加靈敏人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使

33、越來越弱的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流出，并且轉(zhuǎn)換成清晰的電流變化變化38硬盤的發(fā)展硬盤的發(fā)展1956 IBM 的科學(xué)家的科學(xué)家Reynold Johnson推出的第一個硬盤配備推出的第一個硬盤配備了了50個直徑約個直徑約61厘米的鋁合金盤厘米的鋁合金盤片，由于磁頭靈敏度不理想，存片，由于磁頭靈敏度不理想，存儲容量十分有限，只能存儲儲容量十分有限，只能存儲4.4兆兆數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 硬盤之父硬盤之父第一個硬盤第一個硬盤50個盤個盤片片39硬盤的發(fā)展硬盤的發(fā)展1994 IBM 的科學(xué)家的科學(xué)家Stuart Parkin首次在首次在HDD

34、中使用了中使用了GMR 效應(yīng)的自旋閥效應(yīng)的自旋閥(spin valve 簡稱簡稱GMR SV) 結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)的讀出磁頭讀出磁頭,取得了每平方英寸取得了每平方英寸10 億位億位(1Gb/inch2 ) 的的HDD面密度世界紀錄面密度世界紀錄體積變小，容量變大體積變小，容量變大Stuart Parkin40硬盤的發(fā)展硬盤的發(fā)展p1997年，年，IBM生產(chǎn)出第一生產(chǎn)出第一個應(yīng)用個應(yīng)用“巨磁電阻巨磁電阻”技術(shù)的技術(shù)的硬盤。并很快引發(fā)了硬盤的硬盤。并很快引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化大容量、小型化”革命革命p2000年希捷硬盤年希捷硬盤巨磁電阻硬盤巨磁電阻硬盤41硬盤的發(fā)展硬盤的發(fā)展2001年，美國蘋果公司

35、推出年，美國蘋果公司推出第一代硬盤式音樂播放器，第一代硬盤式音樂播放器，轟動全球轟動全球今天，蘋果公司的新一代今天，蘋果公司的新一代i P o d 播 放 器 容 量 高 達播 放 器 容 量 高 達160(8GB和和16GB )，不管是，不管是用來聽音樂還是看電影，存用來聽音樂還是看電影，存儲空間都不是問題儲空間都不是問題大家都說好！大家都說好！42硬盤的發(fā)展硬盤的發(fā)展目前市場上銷售的最大容量硬盤是4TB硬盤密度隨時間的增長硬盤密度隨時間的增長硬盤每英寸的面密度43巨磁電阻位移傳感器巨磁電阻位移傳感器lGMR傳感器具有靈敏度高、可靠性好、測傳感器具有靈敏度高、可靠性好、測量范圍寬、抗惡劣環(huán)境

36、、體積小等優(yōu)點量范圍寬、抗惡劣環(huán)境、體積小等優(yōu)點l位移傳感器即線性傳感器，利用巨磁電阻的位移傳感器即線性傳感器，利用巨磁電阻的高靈敏性而測量位移的變化高靈敏性而測量位移的變化l它的基本結(jié)構(gòu)是由釘扎磁性層（例如Co）、Cu間隔層和自由磁性層（例如Ni、Fe等易磁化層）組成的多層膜。由于釘扎層的磁矩與自由磁層的磁矩之間的夾角發(fā)生變化會導(dǎo)致SV-GMR元件的電阻值改變，進而使讀出電流發(fā)生變化位移傳感器位移傳感器分辨率可達分辨率可達1m級級44巨磁電阻轉(zhuǎn)速傳感器巨磁電阻轉(zhuǎn)速傳感器車輪轉(zhuǎn)速傳感器車輪轉(zhuǎn)速傳感器當鐵齒輪轉(zhuǎn)動時當鐵齒輪轉(zhuǎn)動時, 靠近鐵齒輪的靠近鐵齒輪的永磁體的磁邊緣場的分布會發(fā)永磁體的磁邊緣

37、場的分布會發(fā)生變化。在圖示位置放一個生變化。在圖示位置放一個GMR薄膜傳感器薄膜傳感器, 當鐵齒輪旋當鐵齒輪旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時時, 它對磁通的變化方向產(chǎn)生感它對磁通的變化方向產(chǎn)生感應(yīng)。這種應(yīng)。這種GMR薄膜傳感器已被薄膜傳感器已被用來檢測汽車的速度用來檢測汽車的速度45巨磁電阻生物傳感器巨磁電阻生物傳感器生物傳感器圖示生物傳感器圖示生物傳感器的應(yīng)用生物傳感器的應(yīng)用46巨磁電阻生物傳感器巨磁電阻生物傳感器把磁性顆粒表面包一層合適的抗體把磁性顆粒表面包一層合適的抗體, 這種這種抗體只與特定的被分析物抗體只與特定的被分析物(如病毒如病毒, 細菌細菌等等) 結(jié)合結(jié)合, 則這些磁性顆?？杀挥米魃飫t這些磁性顆?？?/p>

38、被用作生物示蹤。把由磁性顆粒組成的檢測溶液分示蹤。把由磁性顆粒組成的檢測溶液分散到裝有散到裝有GMR傳感組件的集成電路芯片傳感組件的集成電路芯片上上, GMR傳感組件本身也包上同樣的抗傳感組件本身也包上同樣的抗體。溶液中的被分析物就會與傳感器結(jié)體。溶液中的被分析物就會與傳感器結(jié)合合, 并帶上磁標記。磁標記的磁邊緣場對并帶上磁標記。磁標記的磁邊緣場對GMR組件產(chǎn)生作用并改變其電阻。通過組件產(chǎn)生作用并改變其電阻。通過檢測這些檢測這些GMR組件的電性能組件的電性能, 就能夠直就能夠直接進行檢測溶液中的被分析物的濃度等接進行檢測溶液中的被分析物的濃度等方面的分析方面的分析基于磁場生物傳感器原理基于磁場

39、生物傳感器原理47巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器(MRAM)(MRAM)中的應(yīng)用中的應(yīng)用目前廣泛采用的半導(dǎo)體動態(tài)存儲器目前廣泛采用的半導(dǎo)體動態(tài)存儲器(DRAM)和和靜態(tài)存儲器靜態(tài)存儲器(SRAM)機器斷電時，所存數(shù)據(jù)會機器斷電時，所存數(shù)據(jù)會全部丟失，且抗輻射性能差全部丟失，且抗輻射性能差利用利用GMR效應(yīng)制作的效應(yīng)制作的MRAM是采用納米制造是采用納米制造技術(shù)，把沉積在基片上的技術(shù)，把沉積在基片上的SV-GMR薄膜或薄膜或TMR薄膜制成圖形陣列，形成存儲單元，以薄膜制成圖形陣列，形成存儲單元，以相對兩磁性層的平行磁化狀態(tài)和反平行磁化相對兩磁性層的平行磁化狀態(tài)和反平行磁化狀態(tài)分

40、別代表信息狀態(tài)分別代表信息“1”和和“0”隨機存儲器48巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器(MRAM)中的應(yīng)用中的應(yīng)用和現(xiàn)有的半導(dǎo)體和現(xiàn)有的半導(dǎo)體RAM相比，最大的優(yōu)點是非易失、抗輻射、長壽命、相比，最大的優(yōu)點是非易失、抗輻射、長壽命、結(jié)構(gòu)簡單和低成本，基本上可以不限次數(shù)的重寫。結(jié)構(gòu)簡單和低成本，基本上可以不限次數(shù)的重寫。由于使用了由于使用了GMR材料，每位尺寸的減少并不影響讀取信號的靈敏度，材料，每位尺寸的減少并不影響讀取信號的靈敏度，可實現(xiàn)最大的存儲密度?？蓪崿F(xiàn)最大的存儲密度。49巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器(MRAM)中的應(yīng)用中的應(yīng)用p寫入時改變寫入時改

41、變TMR元件的電阻，元件的電阻，改變改變磁化方向磁化方向p寫入寫入“0”時產(chǎn)生與下層同向的磁場。上層磁化方時產(chǎn)生與下層同向的磁場。上層磁化方向與下層平行，電阻就會減小向與下層平行，電阻就會減小p寫入寫入“1”時正好相反，產(chǎn)生與下層反向平行的磁時正好相反，產(chǎn)生與下層反向平行的磁場，從而使上下兩層的磁化方向形成反平行場，從而使上下兩層的磁化方向形成反平行，此時此時電阻則增大電阻則增大p 讀取時，則在讀取時，則在TMR元件中傳導(dǎo)電流元件中傳導(dǎo)電流，通過電流，通過電流大小確定信號大小確定信號p假如是假如是“0”，由于電阻小，由于電阻小，電流就大；電流就大；p假如是假如是“1”，由于電阻大，電流就小，由

42、于電阻大，電流就小MRAM基本架構(gòu)示意圖50巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器(MRAM)中的應(yīng)用中的應(yīng)用圖中下方左側(cè)是一個晶體管，當它導(dǎo)通時，圖中下方左側(cè)是一個晶體管，當它導(dǎo)通時，電流可流過存儲單元電流可流過存儲單元 MTJ(磁性隧道結(jié)磁性隧道結(jié))，通過，通過與參考值進行比較，判斷存儲單元阻值的高低，與參考值進行比較，判斷存儲單元阻值的高低，從而讀出所存儲的數(shù)據(jù)從而讀出所存儲的數(shù)據(jù)當晶體管關(guān)斷時，電流可流過編程線當晶體管關(guān)斷時，電流可流過編程線 1 和編和編程線程線 2(圖中圖中 Write line 1 和和 Write Line 2)，在它，在它們所產(chǎn)生的編程磁場的共同作用

43、下，使自由層們所產(chǎn)生的編程磁場的共同作用下，使自由層的磁場方向發(fā)生改變，從而完成編程的操作的磁場方向發(fā)生改變，從而完成編程的操作MRAM結(jié)構(gòu)晶體管晶體管51巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器(MRAM)中的應(yīng)用中的應(yīng)用Honeywell公司是第一家利用公司是第一家利用GMR材料材料做存儲器芯片的公司做存儲器芯片的公司1995年，年，IBM公司的公司的Tang等人提出了自等人提出了自旋閥型旋閥型GMR存儲單元設(shè)計方案，它采存儲單元設(shè)計方案，它采用用NiFe/Cu/NiFe/FeMn自旋閥巨磁電阻自旋閥巨磁電阻多層膜作為存儲單元條，其開關(guān)速度在多層膜作為存儲單元條，其開關(guān)速度在亞納秒亞納秒(10-10s)數(shù)量級。數(shù)量級。2003年，年，Motorola公司發(fā)布了公司發(fā)布了4 Mb的的MRAM樣品，其尺寸僅有樣品，其尺寸僅有0.55m2。52巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器巨磁電阻效應(yīng)在隨機存儲器(MRAM)中的應(yīng)用中的應(yīng)用BIOS芯片芯片蜂窩電話蜂窩電話傳真機傳真機固態(tài)錄像機固態(tài)錄像機航天航天53巨磁電阻材料及其在汽車傳感技術(shù)中的應(yīng)用巨磁電阻材料及其在汽車傳感技術(shù)