巨磁電阻效應 - 概念簡介所謂巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生于層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。上下兩層為鐵磁材料，中間夾層是非鐵磁材料。鐵磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁場控制的，因而較小的磁場也可以得到較大電阻變化的材料。利用兩流模型來解釋巨磁電阻效應眾所周知，計算機硬盤是通過磁介質來存儲信息的。一塊密封的計算機硬盤內部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又被劃分為若干個扇區。磁盤片上的磁涂層是由數量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個磁盤面都相應有一個磁頭。當磁頭“掃描”過磁盤面的各個區域時，各個區域中記錄的不同磁信號就被轉換成電信號，電信號的變化進而被表達為“0”和“1”，成為所有信息的原始譯碼。伴隨著信息數字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時提高硬盤容量的技術。1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發現了“巨磁電阻”效應，也就是說，非常弱小的磁性變化就能導致巨大電阻變化的特殊效應。這一發現解決了制造大容量小硬盤最棘手的問題：當硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，這些區域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應，人們才得以制造出更加靈敏的數據讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉換成清晰的電流變化。最早的磁頭是采用錳鐵磁體制成的，該類磁頭是通過電磁感應的方式讀寫數據。然而，隨著信息技術發展對存儲容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實際需求。因為使用這種磁頭，磁致電阻的變化僅為12之間，讀取數據要求一定的強度的磁場，且磁道密度不能太大，因此使用傳統磁頭的硬盤最大容量只能達到每平方英寸20兆位。硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，這些區域所記錄的磁信號也就越來越弱。1997年，全球首個基于巨磁阻效應的讀出磁頭問世。正是借助了巨磁阻效應，人們才能夠制造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，并且轉換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現引發了硬盤的“大容量、小型化”革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數碼電子產品中所裝備的硬盤，基本上都應用了巨磁阻效應，這一技術已然成為新的標準。瑞典皇家科學院的公報介紹說，另外一項發明于上世紀70年代的技術，即制造不同材料的超薄層的技術，使得人們有望制造出只有幾個原子厚度的薄層結構。由于數據讀出頭是由多層不同材料薄膜構成的結構，因而只要在“巨磁電阻”效應依然起作用的尺度范圍內，科學家未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。巨磁電阻效應 - 物理機理當磁矩平行(a)和反平行(b)時的等效電阻為了簡化，這里以格林貝格爾實驗中的鐵磁非磁鐵磁的三明治結構，即FeCrFe，為例來介紹。費爾的實驗中的超品格多層膜結構可以用相同的物理機理來解釋。巨磁電阻效應通常用兩自旋電流模型來描述。當磁矩平行和反平行時相應的態密度示意圖。當兩個鐵磁層磁矩平行時(圖2(a)，兩邊費米能級處自旋向下的電子數都較多，因此在兩個鐵磁非磁界面受到的散射很弱，是低電阻通道，表示為2RL(其中2表示受到兩個界面散射)；相反，自旋向上的電子數較少，因此在兩個鐵磁非磁界面受到的散射很強，是高電阻通道，表示為2RH。根據兩自旋電流模型，相應的等效電阻如右圖所示。所以，總電阻為2RLRH(RL+RH)。當兩個鐵磁層磁矩反平行時(圖2(b)，左邊鐵磁電極費米能級處自旋向下的電子數較多，對自旋向下的電子，在穿過第一個鐵磁非磁界面時受到的散射較弱，是低電阻態，RL；但是在第二個鐵磁層中，自旋向下的電子態密度較少，在鐵磁非磁界面受到的散射很強，是高電阻態RH，因此，自旋向下的通道的總電阻就是(RL+RH)。相似的，對自旋向上的電子通道，電子在兩個界面處分別受到強散射和弱散射，總電阻為(RL+RH)，如圖3(b)所示，總電阻為(RL+RH)2。所以，磁電阻的大小為：1巨磁電阻效應巨磁電阻效應 - 實際應用巨磁阻效應自從被發現以來就被用于開發研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數據讀出頭（ReadHead）。這使得存儲單字節數據所需的磁性材料尺寸大為減少，從而使得磁盤的存儲能力得到大幅度的提高。第一個商業化生產的數據讀取探頭是由IBM公司于1997年投放市場的，到目前為止，巨磁阻技術已經成為全世界幾乎所有電腦、數碼相機、MP3播放器的標準技術。高轉速大容量硬盤在Grnberg最初的工作中他和他領導的小組只是研究了由鐵、鉻（Chromium）、鐵三層材料組成的樣品，實驗結果顯示電阻下降了1.5%。而Fert及其同事則研究了由鐵和鉻組成的多層材料樣品，使得電阻下降了50%。阿爾貝費爾和彼得格林貝格爾所發現的巨磁阻效應造就了計算機硬盤存儲密度提高50倍的奇跡。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盤面密度所用的讀出頭，創下了世界記錄。硬盤的容量從4B提升到了600B或更高。目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盤讀出磁頭，已經把存儲密度提高到560億位/平方英寸，該類型磁頭已占領磁頭市場的90%95%。隨著低電阻高信號的TMR的獲得，存儲密度達到了1000億位/平方英寸。2007年9月13日，全球最大的硬盤廠商希捷科技（SeagateTechnology）在北京宣布，其旗下被全球最多數字視頻錄像機（DVR）及家庭媒體中心采用的第四代DB35系列硬盤，現已達到1TB（1000GB）容量，足以收錄多達200小時的高清電視內容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存儲密度在最近幾年內每年的增長速度達到34倍。由于磁頭是由多層不同材料薄膜構成的結構，因而只要在巨磁阻效應依然起作用的尺度范圍內，未來將能夠進一步縮小硬盤體積，提高硬盤容量。除讀出磁頭外，巨磁阻效應同樣可應用于測量位移、角度等傳感器中，可廣泛地應用于數控機床、汽車導航、非接觸開關和旋轉編碼器中，與光電等傳感器相比，具有功耗小、可靠性高、體積小、能工作于惡劣的工作條件等優點。目前，我國國內也已具備了巨磁阻基礎研究和器件研制的良好基礎。中國科學院物理研究所及北京大學等高校在巨磁阻多層膜、巨磁阻顆粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中國科學院計算技術研究所在磁膜隨機存儲器、薄膜磁頭、MIG磁頭的研制方面成果顯著。北京科技大學在原子和納米尺度上對低維材料的微結構表征的研究及對大磁矩膜的研究均有較高水平。來自劍橋大學的一位物理學家TonyBland介紹說：“這些材料一開始看起來非常玄秒，但是最后發現它們有非常巨大的應用價值。它們為生產商業化的大容量信息存儲器鋪平了道路。