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隧道巨磁电阻效应的研究与应用_图文

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2005年 2月      第 l 1卷 第 1期 

安 庆师 范 学 院 学报 ( 由然 科 学 版)  
J u n l f n lg T a h r   l g ( a u a  c e c ) o r a    q n   e c e sCol e N tr l in e   o A e S

Feb.2005  

VO . 1 NO.   11  1

隧道 巨磁 电阻效应 的研 究与应 用 
刘 

钧 
2 71 ) 3 0 2 

( 皖西 学院 物 理 系, 安徽 六安  

1 7 年 ,lnzwsi 出 的铁磁 金属 / 缘 体/ 94 S ce k 提 o 绝 铁磁 金 属 ( M// M) 构 中存在 隧道 巨磁 电阻 ( MR 效 应 , F IF 结 T ) 当两 
铁 磁层 磁化 方 向平 行或 反 平行 时 , M// M 隧道结 将有 不 同的 电阻值 。很快 ,ul r F IF Jlee在 F / / o隧道 结 中证 实 了这  i e Ge C


点 。 种 因外磁 场 改变 隧道 结 铁磁 层 的磁化 状 态而导 致 其 电阻变 化 的现象 , 这 称为 隧道 磁 电阻效 应 。 随后 , 们对 一 系列  人

F IF 磁 隧道 结 的输 运性 质 进行 了研 究 。由于磁 隧道 结 中两铁 磁层 间不 存在 或 基本 不存 在 层间 耦合 , 只 需要一  M// M 因而 个 很小 的 外磁 场 将 其 中的 一个 铁磁 层 的磁 化 方 向反 向 即可 实现 隧道 电阻 的 巨大 变 化 , 隧道 结较 之 金属 多层 膜具 有高  故 得 多 的磁场 灵敏 度 , 因而 无论 是 作为 计算机 的读 出磁头 、 各类 传感 器 , 是作 为磁 电阻型 的随机 存 储 器 , 具有 无与 伦 比 还 都   的优 点 , 其应 用 前景 十分 看好 , 界各发 达 国家 都给 予 了极高 地重 视 [。 世 】  ]
1 磁 隧 道 巨磁 电 阻 效 应 原 理  .

铁 磁 层/ 缘层 / 磁 层 ( M// M) 明治结 构产 生遂 穿 效应 的原 理是 : 绝 铁 F IF 三 自旋 极化 电子 遂 穿 非磁 性 层 的位 垒而 产 生  遂 穿 电流 。 于 铁磁 过 渡金属 来 说 , 导 电子是 自旋 极化 的 , 分裂 成 自旋 向上 和 自旋 向下两 个 不 同能 量的 子带 。 对 传 它 由于铁 

磁 体 内部 的分 子场 远大 于 饱和 场 , 数 电子 自旋朝 上 ( 数 自旋子 带 )少 数 电子 自旋朝 下 ( 数 自旋 子带 ) 多 多 , 少 。当两 铁磁 层  的磁化 方 向平 行 时 , 一铁 磁层 中的多 数 自旋子 带 的 电子 将进 入 另一 铁磁 层 的多 数子 带 的空 态 , 同时 少 数子 带 的 电子也 从 


个铁 磁 层进 入 另一 个铁 磁层 少 数子带 的空态 , 时 , 穿 几率大 。 此 遂 当两 铁磁 层 的磁 化方 向反平 行时 , 则一 铁 磁层 中 的多 

数 自 子 带 的 电子 的 自旋 与 另一 铁磁 层 的少数 自旋 子带 的 电子 的 自旋平 行 , 时 , 磁 层 中的 多数 自 子 带 的 电子将  旋 这 一铁 旋
进入 另一 铁磁 层 的少 数子 带 的空 态 , 少数 自旋子 带 的 电子也 从一 个 铁磁 层进 入 另一个 铁磁 层 多数 子 带 的空 态 , 及 则遂 穿 

几率 小  。 由于 铁磁 金属 电子 自旋 向上和 自 向下 的载流 子数 不 等 , 旋 引起 了 隧道 电导 的不 等 , 析 不同 电位 差下 的 隧道  分 电导 便可 以获得 组成 隧道 结 的铁 磁金 属 的 自旋 极化 率 为 :一 ( 十 O 一N ()/N 十()   ( )这里 N 十() N P N ()   O)( O +N O) O和   +() 别 是铁 磁金 属 费米 面处 自旋 向上 和 自旋 向下 的 电子状 态数 。假 定 电子 穿越 绝缘 体 势垒 时保 持 其 自旋方 向不变 , O分   得 到 隧道 结在 不 加偏 压 时 的 隧道 电导 如 下 : P [ 十() 2十() G —C N1 0N O +N1 0N2 O ] G —C N ( ) +() +() +( )和 a [ 1十 0N2 O  + N1 () 十()这 里 , p G 分 别 是 两铁 磁 层 的磁化 矢 量平 行 和 反 平行 时 的 电导 , 为耦 合 常 数 , 1 2 (   )   ON2 O ] G ,a C N( ,) 十,   分别 对应 两 个铁 磁 电极 ( ,) 12 费米 面处 多数 自旋 态和 少 数 自旋 态 (   ) 十, 的态 密度 。 由以上 两式 , 隧道 磁 电阻值 ( MR) T   可 表示 为 : TMR一△ R R 一( a R )R   / a R … p/ a 2 1 2 ( +P P ) 式 中 P 和 P 分 别 对 应 两 个 铁 磁 电极 的 自旋 极 化  P P /1 1 2 , 1 2 率 。显然 , 如果 P 和 P 均 不 为零 , 1 2 则磁 隧道 结 中存在 磁 电阻效 应 , 两 个磁 电极 的 自旋极 化 率越 大 , 道 磁 电阻 的绝对  且 隧 值 也越 高 。 期 的 隧道磁 电阻实 验值 不大 , 早 与理 论值 有 一定 的差 异 。19 年 , yzk T 在 F / l 。F 9 5 Mi ai a   e A  /e中发 现室 温下  0 隧道 磁 电 阻值为 1.  , 5 6 低温 下达 到 2 % , 3 已经接 近 理论 值 [。 】  ]
2 影 响 磁 电 阻 值 的 因 素  .

衡 量 一种 材料 巨磁 电阻 ( MR) 能的 两个 基本 参数 是 : 一 定温 度 下所 能达到 的最大 磁 电阻 ( G 性 ①在 MR) ; 值 ②获 得最  大 MR效 应 所需 施 加的饱 和 外磁 场强 度 。 MR与 饱和 磁 场强 度 的 比值 称 为磁场 灵敏 度 。 寻求 磁 电阻值 高 , 和磁 场 小 , 饱 磁  场 灵敏 度 高 的 MR材料 是 当前 研 究工 作 的重 点 。在众 多 的 巨磁 电阻 材料 中 , TMR材 料有 着 它 独特 的优 点 , 的饱 和磁  它
场 低 , 场灵 敏度 高 。 磁  

影 响 隧道 磁 电阻值 的因 素有 : 温度 。低 温 时磁 隧道磁 电阻值可 能 很大 , 室 温下 , ① 但 有时 很难 发现 这 种效 应 , 以使  所 巨磁 电阻 峰值 发 生在 室温 成 了研 究 的重 点 ; IF 结界 面 。自 极 化 电子穿 越结 界面 时 , 有 来 自结 界面 的 阻碍 , ② /M 旋 会 怎样  来减 轻结 界 面对 电子 的 阻碍 也是 当今 研 究的 重点 。当然 还 有许 多方 面 的影响 因 素 , 下面 主要 介 绍 以上 两种 研 究 。   钙 钛 矿 型氧化 物 材料 替 代普 通过 渡金 属铁 磁层 , 隧道结 发现 了特 大 巨磁 电阻 效应 (MR) AB 钙 钛 矿型 Mn氧  在 C 。 O。 化 物 R …A Mn , 中 A 为二 价 碱土 金属 , 为三 价稀 土金属 。体 系中具 有三 价和 四价 的锰 , 示 出铁 磁性 和 金属 性 ,     O。其 R 显  

其铁磁一顺磁转变温度( c T 一居里温度) 和金属一绝缘体转变温度( p很相近 , T) 也就是说在居里温度 T 附近 , c 磁电阻值  会 出现 一 个极 大值  。人 们对 钙 钛矿 型氧 化物 的 巨磁 电阻值 G ] MR在 室温 出现 峰 值做 了很 多的 研 究 , 要有 两 个方 面 : 主  
① 对钙 钛 矿型 氧化 物 进行 掺 杂 ; ②替 代三 价稀 土 元素 L 、 dP 等 。 aN 、r   在 钙 钛矿 结 构锰 氧化 物 L DS  Mx  。 。M =C ,e 中 C ,e a 7r . Mn一O ( rF ) rF 替代 Mn位  , ]随着 掺 杂 量 的增 加 , 导 致样 品  均 材 料 的居 里温 度 下降 、 电阻率 升 高和 巨磁 效应 增 强 , 它们对 材料 的影响 程度 不 同 , C 相 比 ,e 杂 样 品 的居里 温 度  但 与 r F 掺

下降更快 , M—I 转变峰也 以更快的速度向低温推移。这说明相同数量的 F s离子替代 Mn+ e   3离子 比 c 。离子替代对材  r  
料 中 Mn 和 Mn 间两交 换 作用 的破 坏更 大 , 以 C 。   件 所 r比 F 更有 利于 提高 G e MR 出现 极 值 时的 温度 。同样 在 L  C   a 。a, /  

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第 1期 

刘钧 : 隧道 巨 磁 电阻效 应 的研 究与 应 用 

?1 9? 0  

M  , O 中进行 Mn位上 的 C u的 替代 , 也会 导致 转 变峰 向低 温 推移 , 变 温 度附近 的 电阻峰 值及 磁 电阻效 应 急剧 增 加 。 转   L  。 Mn 。A 为 C 、r ) a A。 0 ( a s 等 晶体 中  , 过调 节 C 、r 的含 量 , 以使 磁 电阻效 应峰 值 发生 在 室温 。 如 L l  通 as 等 可 例 a一

s。 O 晶体 , x . 5 , e 28 x . 7 , c 8 K;一0 2 , c 0K;=0 3 , c 6K。 r Mn 3 当 一0 1 时 W   3K; =0 15T =23 x . OT =39 x . OT =3 9 由数据 可以看  到, 随着 x的增大 , 居里温度有明显的提高 ; 并且外加等静压可产生与磁场相似的效果 , 使居里温度有较大 的上移 , s  但 r
含 量增 加 , 升 的趋 势 变缓 。 上   通 过 调 节 L 等 元 素 的含 量可 显著 提 高样 品 的居 里温 度 。 如 , 同温 度焙 烧 的 L 0一C oMn 样 品 [ , x . a 例 不 a. 。a. O。 日 z 5 当 >O ]   3 ,a 时 L 什离 子 的空位 浓 度 对 居里温 度 的 影响 均不 大 , x 。 时 , 当增 加 L 什离子 的空位 浓 度 可 显著提 高 样 品 的居  当 <O 3 适 a
里温度。  

电子有 两 种 , 一种 是 导 电 电子 , 一种 是 自旋 极 化 电子 。在 F IF 结 构 中 , 有 自旋 极 化 电 子 可 以穿 过 IF 另 M// M 只 / M  结, 形成 隧道 电流 , 电流和 电阻依 赖 于两 个铁 磁 层 中饱和 磁 化强 度 Ms 夹 角 。在 外 磁场 作 用下 , 其 的 Ms的相 对 取 向的改  变 可观察 到 G MR效应 。 隧道 结 巨磁 电阻效应 的研 究经 过几 年 的努 力 已经 取得 了很 大 进展 , 过去 简 单 F IF 结  磁 从 M// M 构发展到 A / M// M 自旋阀型的结构。发展 自旋阀(p vle结构 的基本思想[是 : F F IF si a ) n v 6 通过降低多层膜层 间交换耦合  3 来 实现低 场 下铁 磁 层磁 化 方 向 的相对 变化 , 以提 高 T MR效应 的 磁场 灵敏 度 。例 如 , 反铁 磁 性 材料 所 钉 扎 的偏 置 型 自旋  阀 , 型 的结 构如 F // 2A 用 较 厚的 非铁 磁 层 () 两个 磁 性层 (I 2隔 开 , F 和 F 几乎 没 有 层 间耦 合 。 2 典 1IF / F, I把 F、 ) F 使 l 2 F 被 

相邻 的反铁磁层 A F所扎钉 , 1 F 为优质软磁层, 它的 Ms 可以在很微弱的磁场下就相对于 F 改变方 向, 2 从而极大地提高 
了 磁场 灵敏 度 。几 种 典型 的 自旋 阀结 构 为口 : ]  

1 软磁 ( ) ) 一 一非铁磁性金属一硬磁 ( , 一)化学组成是[ i eC )C / o P )n , N —F ( o / u C ( tI 等 灵敏度高。  
2 软 磁 ( ) 非铁 磁 性金 属 一硬 磁 ( )化 学组 成 是 [ i eC )C / o P )n , ) 一 一   , N —F ( / u C (tI 等 灵敏 度 高且 输 出呈线 性 。 o  
3 软磁( ) ) 一 一非 铁 磁性 金 属 ( 一软 磁 ( ) 反铁 磁 层 , 学 组成 是 [ —F ( o / / —F ( o / e 7 灵  一) 一 一 化 Ni e C ) Cu Ni e c )F Mn , 敏 度高 。  

4 软磁( ) ) 一 一非 铁 磁性 金 属一 软 磁 ( ) 反铁 磁 层 , 学 组成 是 [ i eC )C / i eC )F Mn , 敏 度    一 化 N —F ( / u N —F ( o / e ] 灵 o 高 且输 出呈 线性 , 头 电阻变化 率 为常 规 的 3 1 倍 。 磁 — O   其 中 , 、 、 分 别代 表磁 矩 在磁 性 层 中垂直 膜 面和 平 行膜 面 取 向。 一 一    
3 隧 道 巨磁 电 阻效 应 的发展 和应 用 .  

18 年 ,a i 98 B i c 人 在 ( eC ) 晶格 中发 现 了 巨磁 电阻效 应 。 其鼓 舞 ,9 5 F IF 隧道 结 的研 究 有 了突  b h等 F / r超 受 19 年 M// M 破 性 的 进展 , 一年 Mi zk 和 他 的 同 事 们现 F / I  F 磁 隧 道 结在 室 温 几 m 的 外 场下 的 T 这 y ai a eA : / e O T MR 高 达 1 .  , 5 6 低  温 下 更高 , 2  。为 同年 Mo dr 等人 采 用真 空 蒸发 低温 沉 淀技 术制 备 C F / : / 平 面 型隧 道 结 , 2 57 和  为 3 o ea o eA1 C O。o 在 9 ,7 42 的 巨磁 电阻 分别 为 1 .  ,O 及 2  。与 此 同时 ,uioi 究组 在 C —A —C的颗 粒 膜 中发 现 有 8 左右 的  .K 18 2  4 F j r研 m o l  

巨磁 电阻效应 , 此结构类似于 M// M 隧道结 。96 ,rw 大学的 削刮教授和他的合作者们构造了一种新型的隧道  IF 1 9 年 Bo n
结 L 0 r Mn 。ST O / a 6 r Mn 。用钙 钛 矿锰 氧化 物取 代 了普 通 的过 渡金 属铁 层 , F IF 隧 道结 发现  a.S ¨。 O /r i 。L 0 S¨。 O , 6 .   在 M// M

了特大隧道巨磁 电阻效应[。 1 国内[, ] 7 中科院物理所研制出了自旋 阀多层膜 , ] 具有商业应用价值 , 并且制备工艺和检测水  平达 到 国际 水平 。尽管 对 隧道 巨磁 电阻效 应 的研 究 已取 得 了很 大的 进展 , 但是 理论 上 仍有 许 多 问题 没有 解 决 , 隧道 巨磁 
电阻效 应及 一 些相 关 的物 理性 质和 物 理 现象 的机 理还 不 十分 清 楚 , 多问 题还 有待 于 进一 步 的研 究 和探 讨 。 很  

磁隧道 巨磁电阻效应以饱和磁场低、 磁阻效应大等优点受到广泛注意[ 。在高密度存贮方面 , 2 ] 将使计算机外存贮的  容量取得突破性的增长 ; 在计算机内存方面, 将引起内存芯片的革命 ; 自动化传感器方面将引起传感器 的更新换代 。   在 目
前 , 盘 密度 以每 年 6 %的 速 度增 长 ,9 4 , M 公 司 在硬 盘 中使 用 了 自旋 阀 G 硬 O 19 年 I B MR读 出磁 头 , 度 为 1 B iz1 9  密 G / ,97 n

年 , M 公司宣布具有商业价值的采用 G I B MR作读出磁头 的计算机硬盘研制成功 , 这意味着将使硬盘存储量从几个 G   B 增 至 2 一3G O 0 B甚 至更 大 。 实证 明 , 种方 法 是正 确 的 。 用 巨磁 电阻 效 应 , 发展 一种 磁 性 随机 存 贮器 ( R M ) 和  事 这 运 可 M A 。 R AM 相 比, 它具有非易失性、 抗辐射、 抗干扰 、 功耗低、 使用寿命长、 成本低等优点 。出于 GMR效应原理 , 它可以进一步  减 少 每位 体积 , 不 影响 读 出灵 敏 度 , 其 , 隧道 结 的阻 抗 比 G 而 尤 磁 MR与 半 导体 装 置 具有 很 好 的兼 容 性 。此 时 , 道 巨磁  隧 电阻需要的小 电流 、 低电压信号 , 因而进入时间短。 利用隧道巨磁 电阻效应可 以进一步提高存贮密度和实现快速存取 。   同
时 , A 在 蜂 窝 电话 、 MR M 传真 机 、 像 机 、 字照 相机 和 大容 量存 贮 器等 方 面有 着广 泛 的应 用 前景 。 隧道 巨磁 电阻材 料  录 数 磁

可以做成各种高感度磁传感器 , 它可以对微弱磁场信号进行传感 。 由于体积小 、 可靠性高 、 响应范 围宽 , 自动化技术 、 在 家  用 电器 、 商标识别、 卫星定位、 导航系统等领域以及精密测量技术方面有着广泛的应用前景  [ 考 文 献] 参  
[ ] 温戈辉 , 1 蔡建 旺, 赵见 高. 物理 ,9 72 :9  19 ,6 60 [] 卢 正启 , 中 生. 自然探 索. 98 1 :4 2 戴 大 19. 73 .  
[ ] 戴 道生. 3 物理. 0 0 2 :6 . 20 ,92 2  

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[ ] 温 伟祥 , 社军 , 6 胡 黄拿 灿. 自然探 索.0 0 1 :4 大 2 0 ,7 l.   [ ] 赖武彦 . 国科 学 院院 刊.9 94 26 7 中 1 9 , :6.  


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