1、巨磁電阻材料的性質與應用巨磁電阻材料的性質與應用 研究現狀研究現狀目錄目錄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、巨磁電阻的應用三、巨磁電阻的應用l四、展望四、展望一、磁電阻及巨磁電阻簡介一、磁電阻及巨磁電阻簡介許多導體材料的電阻是受外加磁場影響的，這種磁許多導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 導體電阻率變化的現象被稱為磁電阻導體電阻率變化的現象被稱為磁電阻 (magnetoresistance，mr)效效 應應 。表征磁電阻效應大小的。表征磁電阻效應大小的物理量為磁阻比物理量為磁阻比(mr比比),其

2、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 應應 的的 產產 生有不生有不 同同 的物的物 理機理機 制制 ，按，按 不不 同的同的物物 理理 機機 制制 可作可作 如如 下下 分類分類 ：正：正 常磁常磁 電阻效應電阻效應 、各、各 向異向異 性性 磁磁 電電 阻效阻效 應應 、巨磁、巨磁 電阻效應電阻效應 、龐磁電阻效應等、龐磁電阻效應等 。1）正）正 常磁常磁 電電 阻阻 (ordinary magnetoresistance，omr)效應效應 。普遍存在于所有金屬。普遍存在于所有金屬 中，它的產生機制是傳導中，它的產生機制是傳導電子受到磁場

3、的洛侖茲力的作用而產生螺旋運動電子受到磁場的洛侖茲力的作用而產生螺旋運動 ，從而，從而使材料的電阻升高使材料的電阻升高 。實際中大部分材。實際中大部分材 料的料的 omr都比較都比較小沒有實用價值。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）效應 。存在于鐵磁金屬及其合金材料。存在于鐵磁金屬及其合金材料 中中 ，電，電阻率隨電流和磁化強度的相對取向而不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，由于一些磁性材料 的

4、磁矩可以用很小的磁場來翻轉，所以有比較高的靈的磁矩可以用很小的磁場來翻轉，所以有比較高的靈 敏敏度。度。amr效應已經有了很多的應用效應已經有了很多的應用 ，比如，比如 90年代初期年代初期 計算機讀計算機讀 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。費爾費爾1938年年3月出生于法國南部小城卡爾卡月出生于法國南部小城卡爾卡索納，索納，1970年在南巴黎大學獲博士學位，年在南巴黎大學獲博士學位，1976年開始擔任南巴黎大學教授。自年開始擔任南巴黎大學教授。自1995年年以來，費爾還一直擔任法國國家科研中心與以來，費爾還一直擔任法國國家科研中心與法國泰雷茲集團組建的聯

5、合物理實驗室科學法國泰雷茲集團組建的聯合物理實驗室科學主管。費爾于主管。費爾于2004年當選法國科學院院士。年當選法國科學院院士。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年在年在達姆施塔特技術大學獲博士學位，達姆施塔特技術大學獲博士學位，1972年開年開始擔任德國尤利希研究中心教授。始擔任德國尤利希研究中心教授。2004年退年退休。他的知識產權保護意識比較強。格林貝休。他的知識產權保護意識比較強。格林貝格爾為此還申請了專利。格爾為此還申請了專利。“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” ” 世界上第一臺計

6、算機世界上第一臺計算機1t硬盤硬盤二、二、grm材料的要求及種類材料的要求及種類l 為了滿足應用的要求為了滿足應用的要求, 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效應效應, 即由外加磁場引起的室溫即由外加磁場引起的室溫電阻變化率高電阻變化率高; 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即在較低的外加磁場強度下得到高的到高的mr; 3、高的穩定性高的穩定性, 即環境條件即環境條件( 溫度、濕度、振動等溫度、濕度、振動等) 變化時變化時, mr的變化要盡量小。的變化要盡量小。l 就目前研究熱點的幾類就目前研究熱點的幾類gmr材料材料, 可以說是各

7、有可以說是各有特點。特點。 已發現具有已發現具有gmr效應的材料主要有效應的材料主要有多層膜多層膜、自旋自旋閥閥、納米顆粒膜納米顆粒膜、磁性隧道結磁性隧道結、非連續多層膜、非連續多層膜、氧化物陶瓷、熔淬薄帶氧化物陶瓷、熔淬薄帶等。等。u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（包及其合金）和非磁層（包括括3d、4d、以及、以及5d非磁金屬）交替生長而構成的磁性多非磁金屬）交替生長而構成的磁性多層膜，大多都具有層膜，大多都具有grm效應，其中尤以多晶（效應，其中尤以多晶（co/cu）多層膜的磁電阻效應最為突出。室溫、多層膜的磁電阻效應最為突出。室溫、1t磁場下磁場

8、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、蒸目前最常用的制備金屬多層膜的方法主要由濺射、蒸發和分子束外延發和分子束外延. 多層膜多層膜gmr數值遠較數值遠較amr大，為負值，基本為各向大，為負值，基本為各向同性。其測試方法有兩種：同性。其測試方法有兩種：cip（current-in-plane），即），即電流沿膜面；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。因為電子方式。因為電子的運動是混亂的

9、，可穿越若干層，并經受層內及界面自旋的運動是混亂的，可穿越若干層，并經受層內及界面自旋相關的散射，總電阻為電子經過各層的各個等效電阻的總相關的散射，總電阻為電子經過各層的各個等效電阻的總和。在和。在cpp模式下，由于電子是垂直于膜面穿過多層膜，模式下，由于電子是垂直于膜面穿過多層膜，要經受更多的與自旋相關的雜質和缺陷的散射；另外，非要經受更多的與自旋相關的雜質和缺陷的散射；另外，非磁金屬層的分流效應也被排除，因此垂直模式下可以得到磁金屬層的分流效應也被排除，因此垂直模式下可以得到更大的磁電阻效應更大的磁電阻效應。u多層膜多層膜巨磁電阻效應基本原理巨磁電阻效應基本原理圖圖1 fe/cr多層膜的實

10、驗曲線多層膜的實驗曲線(a)磁化曲線，磁化曲線，(b)室溫下的巨室溫下的巨磁電阻，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巨磁電阻效應基本原理巨磁電阻效應基本原理圖圖3 多層膜系統等效電阻示意圖多層膜系統等效電阻示意圖 (a)反鐵磁耦合，反鐵磁耦合，(b)鐵磁耦合鐵磁耦合根根 據據 mott的的雙流體模型雙流體模型（將傳導電子分為自旋向（將傳導電子分為自旋向上與向下兩類導電載流子上與向下兩類導電載流子的物理圖象），若導電的物理圖象），若導電 電子自旋方向與局域磁電子自旋方向與局域磁 矩反平行矩反平行 ，則受到非常，則受到非常 強的散射強的散射 ，電

11、阻較大，電阻較大 ；而當導電電子自旋方向與而當導電電子自旋方向與局域磁矩平行時局域磁矩平行時 ，則受，則受到的散射就弱的多到的散射就弱的多 ，電，電阻較小。阻較小。圖圖4 過渡金屬態密度函數過渡金屬態密度函數n（e）示意圖）示意圖為什么不同自旋取向散射率會不同，為什么不同自旋取向散射率會不同，從從態密度理論出發態密度理論出發可以這樣來理解：可以這樣來理解：3d過渡元素金屬中，由于量子力學過渡元素金屬中，由于量子力學的交換作用，的交換作用，d能帶將分裂為兩個能帶將分裂為兩個不同自旋取向的次能帶，為了簡單不同自旋取向的次能帶，為了簡單明了起見，圖中設明了起見，圖中設3d 能帶低于費能帶低于費米能級

12、，全被電子所占據，而米能級，全被電子所占據，而3d 帶卻部分被填充，而磁性金屬的飽帶卻部分被填充，而磁性金屬的飽和磁化強度取決于這兩個次能帶磁和磁化強度取決于這兩個次能帶磁矩之差。顯然對自旋向上的傳導電矩之差。顯然對自旋向上的傳導電子只能在子只能在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帶亦可被散射，散射強，平均自由帶亦可被散射，散射強，平均自由路徑短，因此從態密度理論出發，路徑短，因此從態密度理論出發，在上述情況下，當傳導電子自旋平在上述情況下，當傳導電子自旋平行于局域磁化矢量時，具有低電阻行于局域磁化矢量時，具有低電阻特性，反平行

13、時為高電阻態。特性，反平行時為高電阻態。u多層膜多層膜多層膜的多層膜的gmrgmr效應的影響因素效應的影響因素fe/cr多層膜巨磁電阻效應多層膜巨磁電阻效應 周期數影響周期數影響多層膜的多層膜的gmr隨總周期數的增加而增大，當總膜厚達隨總周期數的增加而增大，當總膜厚達到與平均自由程相當時，到與平均自由程相當時，gmr值逐漸趨飽和，不再值逐漸趨飽和，不再隨周期數而增大。隨著周期數增加，界面粗糙度增隨周期數而增大。隨著周期數增加，界面粗糙度增大，界面自旋相關散射作用增強；表面散射作用減大，界面自旋相關散射作用增強；表面散射作用減弱，界面散射作用權重增強。但也有結果表明，界弱，界面散射作用權重增強。

14、但也有結果表明，界面粗糙度增大只會導致面粗糙度增大只會導致gmr減小。當然，膜厚增加減小。當然，膜厚增加會影響到多層膜中晶體的生長情況，不同膜厚產生會影響到多層膜中晶體的生長情況，不同膜厚產生晶界的變化也將影響到晶界的變化也將影響到gmr的值。的值。 緩沖層與覆蓋層緩沖層與覆蓋層為了制備良好的多層結構，常在襯底上沉積為了制備良好的多層結構，常在襯底上沉積510nm的的緩沖層，如緩沖層，如fe、zn、ru等，這樣可改善多層織構，等，這樣可改善多層織構，降低層厚起伏和界面粗糙度，有利于獲得平整的界降低層厚起伏和界面粗糙度，有利于獲得平整的界面。為防止氧化，要在表面沉積覆蓋層。然而這兩面。為防止氧化

15、，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。種附加層會對多層膜的電阻其短路作用和分流作用。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，的散射，如聲子、磁振子散射，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及比值下降。另外，高溫附加散射不同于低溫下雜質及缺陷散射，改變了不對稱散射因子。再者，磁振子散缺陷散射，改變了不對稱散射因子。再者，磁振子散射導致自旋混合效應，從而減弱了巨磁電阻效應。射導致自旋混合效應，從而減弱了巨磁電阻效應。界

16、面結構界面結構包括界面結構取向、界面粗造度、能使磁性層間發生耦包括界面結構取向、界面粗造度、能使磁性層間發生耦合作用的針孔效應、界面區不同成分的原子相互滲透合作用的針孔效應、界面區不同成分的原子相互滲透的程度等。例如，在的程度等。例如，在ni/cu和和nife/cu自旋閥結構中，自旋閥結構中，界面原子磁矩因界面原子互擴散而減少并變得雜亂無界面原子磁矩因界面原子互擴散而減少并變得雜亂無章，從而導致章，從而導致gmr的顯著降低。的顯著降低。u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，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生變化阻礙了

17、相鄰磁層中磁矩相對取向發生變化 ，gmr效效應必須在很高的飽和外磁場應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/反鐵磁層結反鐵磁層結 構構 ，并首先在，并首先在nife/cu/nife/femn多層膜多層膜 中發現了低飽和場中發現了低飽和場gmr效應。這種結構的多效應。這種結構的多層膜利用電子的自旋特性，像閥一樣限制電子的移動，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

18、旋閥故命名為自旋閥(spin valve)。自旋閥通常可分為兩種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：一種被非磁層分開的兩軟磁層之一用反鐵磁層的兩軟磁層之一用反鐵磁層(如如 mnfe或或 nio)通過交換通過交換作用釘扎，如作用釘扎，如 mnfe/feni/cu/feni自旋閥多層膜結構自旋閥多層膜結構 ；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

19、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”采用第一種方式的采用第一種方式的gmrgmr自旋閥基本結構如下圖所示。該類自自旋閥基本結構如下圖所示。該類自旋閥多層膜結構原理上可以分為四層：反鐵磁釘扎層，鐵旋閥多層膜結構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也可采取自由層為軟鐵磁材料料 ，被釘扎層使用硬鐵磁材料的結構，被釘扎層使用硬鐵磁材料的結構) )，它們之間的非磁，它們之間的非磁性金屬隔

20、離層性金屬隔離層 ，只對自由層和被釘扎層進行磁隔離，而不，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，外磁場可以較方便地改變自出層的磁矩而較的耦合強度，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。難改變被釘扎層的磁矩。“釘扎層釘扎層”“被釘扎層被釘扎層”“自由層自由層”“分隔層分隔層”第一類自旋閥示意圖第一類自旋閥示意圖實例分析：實例分析：femn（7nm）tanife（4.5）cu（2.2nm）nife（6nm）nife（6nm）/cu（2.2nm）/nife（4.5）/f

21、emn（7nm）自旋閥示意圖）自旋閥示意圖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）層的反向矯頑力的外場作用下，用下， nife（6nm）層中的磁化矢量首先翻轉，這時，）層中的磁化矢量首先翻轉，這時，在兩個在兩個nife層中的磁化矢量成反平行排列，這就形成了層中的磁化矢量成反平行排列，這就形成了電子自旋相關散射的高電阻態。如果磁場在反方向上繼電子自旋相關散射的高電阻態。如果磁場在反方向上繼續增加，當磁場強度達到某一臨界值時，續增加，當磁場強度達到某一臨界值時， nife（4nm）層也轉向磁場方向，這就形成了電子自旋相關的低電阻層也轉向磁場方向，這就形成了電子自旋相關

22、的低電阻態。態。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）采用第二種方式的采用第二種方式的gmr自旋閥基本結構如下圖所示。可自旋閥基本結構如下圖所示。可以用硬鐵磁層（如以用硬鐵磁層（如ptco）代替釘扎層和被釘扎層，因為）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，從而也得到磁化方向從接近平行變化到平行飽和狀態，從而也得到巨磁電阻。相對第一種方式其優點是結構簡單，且可選巨磁電阻。相對第一種方式其優點是結構簡單，且可選擇抗腐蝕和熱穩定性好的硬磁材料，

23、克服了自旋閥的不擇抗腐蝕和熱穩定性好的硬磁材料，克服了自旋閥的不耐腐蝕和穩定性差的缺點。它的缺點是硬磁層與自由層耐腐蝕和穩定性差的缺點。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。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”自旋閥的優點與缺點自旋閥的優點與缺點優點：磁電阻變化率優點：磁電阻變化率r/r對外磁場的響應呈線性關系，頻對外磁場的響應呈線性關系，頻率特性好；低飽和場，工作磁場小；與率特性好；低飽和場，工作磁場小；與amr相比，電阻隨相比，電

24、阻隨磁場變化迅速，因而操作磁通小，靈敏度高；利用層間轉磁場變化迅速，因而操作磁通小，靈敏度高；利用層間轉動磁化過程能有效地抑制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，同時現在面缺點：自旋閥多層膜的磁電阻變化量并不大，同時現在面臨的最大問題是它的抗腐蝕和熱穩定性都不太好。臨的最大問題是它的抗腐蝕和熱穩定性都不太好。u納米顆粒結構的納米顆粒結構的gmr效應效應 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、fe等）以顆粒的等）以顆粒的形式分散地鑲嵌于非互熔的非磁性金屬（如形式分散地鑲嵌于非互熔的非磁性金屬（如

25、ag、cu等）等）的母體中所構成的復合材料。的母體中所構成的復合材料。 實驗室中常采用磁控濺射、離子束濺射等方法，顆粒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，的尺寸大小可以通過控制退火溫度或者襯底溫度來實現，其尺寸范圍可在幾個納米到幾十個納米之間任意變化。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、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，屬于非均勻相組成體系。化合物，屬于非均勻相組成體系。顆粒膜示意圖顆粒膜示意圖當外加于顆粒膜的磁場為零時，顆粒膜的磁化強度為零，當外加于

26、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，傳導電子受到最大的各鐵磁顆粒的磁化方向混亂排列，傳導電子受到最大的散射作用，樣品處于大電阻狀態，當外磁場增加時，顆散射作用，樣品處于大電阻狀態，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，傳導電子所受散射小，樣品電阻降低外磁場方向，傳導電子所受散射小，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態顆粒膜中磁化狀態影響影響gmr效應的因素效應的因素當磁性顆粒體積百分數低時，顆粒數目少，散射中心少，當磁

27、性顆粒體積百分數低時，顆粒數目少，散射中心少，此外顆粒間距大，如間距大于電子在介質中的平均自由程此外顆粒間距大，如間距大于電子在介質中的平均自由程時，將降低巨磁電阻效應，因此隨著鐵磁濃度增加，總的時，將降低巨磁電阻效應，因此隨著鐵磁濃度增加，總的趨勢是增大巨磁電阻效應的。然而在顆粒濃度增大的同時，趨勢是增大巨磁電阻效應的。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平均自顆粒尺寸亦將變大，當顆粒尺寸超過電子在顆粒內平均自由程時，又將減低巨磁電阻效應。此外，隨著顆粒濃度增由程時，又將減低巨磁電阻效應。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

28、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構，形成磁疇結構，gmr效應消失，于是在一定鐵磁顆粒濃效應消失，于是在一定鐵磁顆粒濃度時將呈現度時將呈現gmr效應極大值。效應極大值。co-ag, fe-ag等顆粒等顆粒膜的巨磁電阻效應與膜的巨磁電阻效應與組成的關系組成的關系u隧道磁電阻（隧道磁電阻（tmr）效應）效應 tmr效應的定性解釋是效應的定性解釋是: 在隧道結中在隧道結中, 磁場克服兩鐵磁場克服兩鐵磁層的矯頑力就可使它們的磁化方向轉到磁場方向磁層的矯頑力就可使它們的磁化方向轉到磁場方向而趨于一致而趨于一致, 這時隧道電阻為最小值這時隧道電阻為最小值; 如將磁場減少如將磁場減

29、少至負至負, 矯頑力小的鐵磁層的磁化方向首先反轉矯頑力小的鐵磁層的磁化方向首先反轉, 兩鐵兩鐵磁層的磁場方向相反磁層的磁場方向相反, 隧道電阻為極大值。隧道電阻為極大值。隧道結中鐵磁層磁化平行與反平行時電子隧隧道結中鐵磁層磁化平行與反平行時電子隧穿情況示意圖穿情況示意圖隧道結的優點隧道結的優點 tmr效應具有很高的磁場靈敏度效應具有很高的磁場靈敏度隧道結中兩鐵磁層間不存在層間耦合，隧道結的飽和磁場隧道結中兩鐵磁層間不存在層間耦合，隧道結的飽和磁場很低，只需要一個很小磁場就可以實現兩鐵磁層從平很低，只需要一個很小磁場就可以實現兩鐵磁層從平行到反平行的轉變。行到反平行的轉變。 隧道結的電阻可調且范

30、圍寬隧道結的電阻可調且范圍寬與多層膜巨磁電阻相比，隧道結具有很高的電阻，其電阻與多層膜巨磁電阻相比，隧道結具有很高的電阻，其電阻可以通過調整絕緣層厚度在很寬的范圍內改變，有利可以通過調整絕緣層厚度在很寬的范圍內改變，有利于和外電路實現匹配。于和外電路實現匹配。 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。三、巨磁電阻的應用三、巨磁電阻的應用l1、sv-gmr(spinvalve)磁頭和傳感器磁頭和傳感器l2、巨磁電阻隨機存取存儲器、巨磁電阻隨機存取存儲器l3、其他方面的應用、其他方面的應用sv-gmr磁頭和傳感器磁頭和傳感器 磁頭磁頭：硬盤

31、中對盤片：硬盤中對盤片進行讀寫工作的工具進行讀寫工作的工具 用線圈纏繞在磁芯上用線圈纏繞在磁芯上制成的磁頭制成的磁頭 通過感應旋轉的盤片通過感應旋轉的盤片上磁場的變化來讀取上磁場的變化來讀取數據；通過改變盤片數據；通過改變盤片上的磁場來寫入數據上的磁場來寫入數據 磁頭懸浮在高速轉動磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而不與的盤片上方，而不與盤片直接接觸盤片直接接觸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

32、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”當硬盤體積不斷變當硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分盤上每一個被劃分出來的獨立區域越出來的獨立區域越來越小，這些區域來越小，這些區域所記錄的磁信號也所記錄的磁信號也就越來越弱就越來越弱 。借助。借助“巨磁電阻巨磁電阻”效應，效應，人們才得以制造出人們才得以制造出更加靈敏的數據讀更加靈敏的數據讀出頭，使越來越弱出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且被清晰讀出，并且轉換成清晰的電流轉換成清晰的電

33、流變化變化硬盤的發展硬盤的發展1956 ibm 的科學家的科學家reynold johnson推出推出的第一個硬盤配備了的第一個硬盤配備了50個直徑約個直徑約61厘米的厘米的鋁合金盤片，由于磁鋁合金盤片，由于磁頭靈敏度不理想，存頭靈敏度不理想，存儲容量十分有限，只儲容量十分有限，只能存儲能存儲4.4兆數據兆數據 硬盤之父硬盤之父第一個硬盤第一個硬盤50個盤個盤片片硬盤的發展硬盤的發展1994 ibm 的科學的科學家家stuart parkin首首次在次在hdd 中使用中使用了了gmr 效應的自效應的自旋閥旋閥(spin valve 簡簡稱稱gmr sv) 結構結構的讀出磁頭的讀出磁頭,取得了取

34、得了每平方英寸每平方英寸10 億位億位(1gb/inch2 ) 的的hdd面密度世界紀面密度世界紀錄錄體積變小，容量變大體積變小，容量變大stuart parkin硬盤的發展硬盤的發展p1997年年，ibm生生產 出 第 一 個 應 用產 出 第 一 個 應 用“巨磁電阻巨磁電阻”技術技術的硬盤。并很快引的硬盤。并很快引發了硬盤的發了硬盤的“大容大容量、小型化量、小型化”革命革命p2000年年希捷硬盤希捷硬盤巨磁電阻硬盤巨磁電阻硬盤硬盤的發展硬盤的發展2001年年，美國，美國蘋果蘋果公司推出第一代硬公司推出第一代硬盤式音樂播放器，盤式音樂播放器，轟動全球轟動全球今天今天，蘋果公司的，蘋果公司的

35、新一代新一代ipod播放器播放器容量高達容量高達160(8gb和和16gb )，不管是，不管是用來聽音樂還是看用來聽音樂還是看電影，存儲空間都電影，存儲空間都不是問題不是問題大家都說好！大家都說好！硬盤的發展硬盤的發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巨磁電阻位移傳感器巨磁電阻位移傳感器lgmr傳感器具有傳感器具有靈敏度高、靈敏度高、可靠性好、測量范圍寬、抗惡可靠性好、測量范圍寬、抗惡劣環境、體積小劣環境、體積小等優點等優點l位移傳感器位移傳感器即線性傳感器，即線性傳感器，利用巨磁電阻的高靈敏性而測利用巨磁電阻的高靈敏性而測量位移的變

36、化量位移的變化l它的基本結構是由釘扎磁性層（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生變化會導致sv-gmr元件的電阻值改變，進而使讀出電流發生變化位移傳感器位移傳感器分辨率可達分辨率可達1m級級巨磁電阻轉速傳感器巨磁電阻轉速傳感器車輪轉速傳感器車輪轉速傳感器當鐵齒輪轉動時當鐵齒輪轉動時, 靠靠近鐵齒輪的永磁體的近鐵齒輪的永磁體的磁邊緣場的分布會發磁邊緣場的分布會發生變化。在圖示位置生變化。在圖示位置放一個放一個gmr薄膜傳薄膜傳感器感器, 當鐵齒輪旋轉當鐵齒輪旋轉時時, 它對磁通的變化它對磁通的變化方向產生感應。

37、這種方向產生感應。這種gmr薄膜傳感器已薄膜傳感器已被用來被用來檢測汽車的速檢測汽車的速度度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用生物傳感器的應用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把磁性顆粒表面包一層合適的抗體體, 這種抗體只與特定的被分析這種抗體只與特定的被分析物物(如病毒如病毒, 細菌等細菌等) 結合結合, 則這些則這些磁性顆粒可被用作生物示蹤。把磁性顆粒可被用作生物示蹤。把由磁性顆粒組成的檢測溶液分散由磁性顆粒組成的檢測溶液分散到裝有到裝有gmr傳感組件的集成電傳感組件的集成電路芯片上路芯片上, gmr傳感組件本身也

38、傳感組件本身也包上同樣的抗體。溶液中的被分包上同樣的抗體。溶液中的被分析物就會與傳感器結合析物就會與傳感器結合, 并帶上并帶上磁標記。磁標記的磁邊緣場對磁標記。磁標記的磁邊緣場對gmr組件產生作用并改變其電組件產生作用并改變其電阻。通過檢測這些阻。通過檢測這些gmr組件的組件的電性能電性能, 就能夠直接進行檢測溶就能夠直接進行檢測溶液中的被分析物的濃度等方面的液中的被分析物的濃度等方面的分析分析基于磁場生物傳感器原理基于磁場生物傳感器原理巨磁電阻效應在隨機存儲器巨磁電阻效應在隨機存儲器(mram)(mram)中的應用中的應用 目前廣泛采用的半導體動態存目前廣泛采用的半導體動態存儲器儲器(dra

39、m)和靜態存儲器和靜態存儲器(sram)機器斷電時，所存數機器斷電時，所存數據會全部丟失，且抗輻射性能據會全部丟失，且抗輻射性能差差 利用利用gmr效應制作的效應制作的mram是采用納米制造技術，把沉積是采用納米制造技術，把沉積在基片上的在基片上的sv-gmr薄膜或薄膜或tmr薄膜制成圖形陣列，形薄膜制成圖形陣列，形成存儲單元，以相對兩磁性層成存儲單元，以相對兩磁性層的平行磁化狀態和反平行磁化的平行磁化狀態和反平行磁化狀態分別代表信息狀態分別代表信息“1”和和“0”隨機存儲器巨磁電阻效應在隨機存儲器巨磁電阻效應在隨機存儲器(mram)中的應用中的應用 和現有的半導體和現有的半導體ram相比，最

40、大的優點相比，最大的優點是非是非易失、抗輻射、長壽命、結構簡單和低成本，易失、抗輻射、長壽命、結構簡單和低成本，基本上可以不限次數的重寫。基本上可以不限次數的重寫。 由于使用了由于使用了gmr材料，每位尺寸的減少并不材料，每位尺寸的減少并不影響讀取信號的靈敏度，可實現最大的存儲影響讀取信號的靈敏度，可實現最大的存儲密度。密度。巨磁電阻效應在隨機存儲器巨磁電阻效應在隨機存儲器(mram)中的應用中的應用p寫入時改變寫入時改變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”時產生與下層同向的磁時產生與下層同向的磁場。上層磁化方向與下層平行，場。上層磁化方向與下層平行，電阻就會

41、減小電阻就會減小p寫入寫入“1”時正好相反，產生與下時正好相反，產生與下層反向平行的磁場，從而使上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兩層的磁化方向形成反平行，此此時電阻則增大時電阻則增大p 讀取時，則在讀取時，則在tmr元件中傳導元件中傳導電流電流，通過電流大小確定信號，通過電流大小確定信號p假如是假如是“0”，由于電阻小，由于電阻小，電流電流就大；就大；p假如是假如是“1”，由于電阻大，電流，由于電阻大，電流就小就小mram基本架構示意圖巨磁電阻效應在隨機存儲器巨磁電阻效應在隨機存儲器(mram)中的應用中的應用圖中下方左側是一個晶體管，圖中下方左側是一個晶體管，當它導通

42、時，電流可流過存儲當它導通時，電流可流過存儲單元單元 mtj(磁性隧道結磁性隧道結)，通過，通過與參考值進行比較，判斷存儲與參考值進行比較，判斷存儲單元阻值的高低，從而讀出所單元阻值的高低，從而讀出所存儲的數據存儲的數據當晶體管關斷時，電流可流過當晶體管關斷時，電流可流過編程線編程線 1 和編程線和編程線 2(圖中圖中 write line 1 和和 write line 2)，在它們，在它們所產生的編程磁場的共同作用所產生的編程磁場的共同作用下，使自由層的磁場方向發生下，使自由層的磁場方向發生改變，從而完成編程的操作改變，從而完成編程的操作mram結構晶體管晶體管巨磁電阻效應在隨機存儲器巨磁

43、電阻效應在隨機存儲器(mram)中的應用中的應用 honeywell公司是第一家公司是第一家利用利用gmr材料做存儲器芯材料做存儲器芯片的公司片的公司 1995年，年，ibm公司的公司的tang等人提出了自旋閥型等人提出了自旋閥型gmr存儲單元設計方案，它采存儲單元設計方案，它采用用nife/cu/nife/femn自自旋閥巨磁電阻多層膜作為旋閥巨磁電阻多層膜作為存儲單元條，其開關速度存儲單元條，其開關速度在亞納秒在亞納秒(10-10s)數量級。數量級。 2003年，年，motorola公司發公司發布了布了4 mb的的mram樣品，樣品，其尺寸僅有其尺寸僅有0.55m2。巨磁電阻效應在隨機存儲器巨磁電阻效應在隨機存儲器(mram)中的應用中的應用bios芯片芯片蜂窩電話蜂窩電話傳真機傳真機固態錄像機固態錄像機航天航天巨磁電阻材料及其在汽車傳感技術中的應用巨磁電阻材料及其在汽車傳感技術中的應用