巨磁电阻

1988年法国巴黎大学的阿尔贝·费尔教授研究小组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，在国际上引起了很大的反响。20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应，由于巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景，美国、日本和西欧都对发展巨磁电阻材料及其在高技术上的应用投入很大的力量。

1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit/in2，最近达到11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器(MRAM)，其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。

巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。随着纳米电子学的飞速发展，电子元件的微型化和高度集成化要求测量系统也要微型化。在21世纪，超导量子相干器件、超微霍耳探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中的主要角色。其中以巨磁电阻效应为基础设计超微磁场传感器，要求能探测10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在过去是无法测量的，特别是在超微系统测量如此微弱的磁通密度十分困难，纳米结构的巨磁电阻器件可以完成这个任务。

瑞典皇家科学院9日宣布，将2007年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔，以表彰他们发现了"巨磁电阻"效应。他们将分享1000万瑞典克朗(1美元约合7瑞典克朗)的奖金。瑞典皇家科学院说:"今年的物理学奖授予用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小。"

通常说的硬盘也被称为磁盘，这是因为在硬盘中是利用磁介质来存储信息的。一般而言，在密封的硬盘内腔中有若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又进而被划分为若干个扇区。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个数据读出头。

简单地说，当数据读出头"扫描"过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为"0"和"1"，成为所有信息的原始"译码"。

伴随着信息数字化的大潮，人们开始寻求不断缩小硬盘体积同时提高硬盘容量的技术。1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了"巨磁电阻"效应，也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应。

这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题:当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助"巨磁电阻"效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。

1997年，第一个基于"巨磁电阻"效应的数据读出头问世，并很快引发了硬盘的"大容量、小型化"革命。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了"巨磁电阻"效应，这一技术已然成为新的标准。

瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一项发明于上世纪70年代的技术，即制造不同材料的超薄层的技术，使得人们有望制造出只有几个原子厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在"巨磁电阻"效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。

这两位科学家都比较喜欢音乐。费尔最喜欢的乐手是美国爵士乐钢琴家塞罗尼斯·蒙克，而格林贝格尔对古典音乐十分痴迷，他还是一名吉他爱好者。

费尔1938年3月出生于法国南部小城卡尔卡索纳，1970年在南巴黎大学获博士学位，1976年开始担任南巴黎大学教授。自1995年以来，费尔还一直担任法国国家科研中心与法国泰雷兹集团组建的联合物理实验室科学主管。费尔于2004年当选法国科学院院士。

格林贝格尔1939年出生于比尔森，1969年在达姆施塔特技术大学获博士学位，1972年开始担任德国于利希研究中心教授，2004年退休。

格林贝格尔的知识产权保护意识比较强。两位科学家1988年发现"巨磁电阻"效应时意识到，这一发现可能产生巨大影响。格林贝格尔为此还申请了专利。

目前，根据这一效应开发的小型大容量电脑硬盘已得到广泛应用。两位科学家此前已经因为发现"巨磁电阻"效应而获得多个科学奖项。

1.什么是巨磁电阻?

答:在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显变化，这种现象称为磁致电阻效应，也称磁电阻效应(MR).目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应可以大致分为:由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻(OMR，ordinaryMR)、与技术磁化相

联系的各向异性磁电阻(AMR，anisotropi。MR)、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻(CMR，ColossalMR)、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻(GMR，giantMR)以及隧道磁电阻(TMR，tunnelMR)等.

巨磁电阻简而言之就是电阻值对磁场变化巨敏感的一种电阻材料。从论文里看具体的关系是在没有外加磁场时材料程高阻态，有外加磁场(与极性无关)时程低阻态。

2.为什么巨磁电阻效应能应用到计算机硬盘上?

答:计算机硬盘的常用材料是磁性材料，磁头在写数据的时候改变硬盘表面磁性材料单元的极性以记录0和1，在读取数据的时候，需要探头能够识别表面单元的极性，这时就可以用巨磁电阻---考虑一个用巨磁电阻做的探头从一个单元移到另一个单元的过程，如果两个单元表面极性相同，那么探头表面的磁场强度似乎(我也不确切了解这方面原理，只是推测)应当变化不大，于是探头的电阻变化也不大;如果两个单元表面极性相反，那么探头表面的磁场强度似乎应当经历一个从大到小再到大的过程，于是探头的电阻值会出现一个尖峰(探测电阻很容易，只需要加恒定压测电流)。只需要判断有没有这个尖峰出现就可以知道相邻两个单元的极性是否不同，再由某个已知极性的单元就可以推断当前单元的极性。电阻随磁场的变化越剧烈，探头的分辨率必然越好，于是会导致单位面积的硬盘容量越来越大，因此有必要对巨磁电阻理论的创始人心存感恩。

哪些材料能够产生巨磁电阻效应

1,在掺杂钙钛矿型锰氧化物R1-xAxMnO3中发现巨磁电阻(GMR)， 其中1989年在掺杂钙钛矿型锰氧化物R1-xAxMnO3(其中A为二价碱土金属离子，如Ca2+、Sr2+、Ba2+等，R为三价稀土金属离子，如La3+、Pr3+、Tb3+、Sm3+等)中发现巨磁电阻(GMR)，由于其在磁记录、磁传感器等方面潜在的应用前景，以及金属-绝缘体相变等所涉及的强关联效应，使该类化合物吸引了物理学界的广泛注意。2,钙钛矿型锰氧化物La1-xCaxMnO3具有较大的磁热效应七十年代末至八十年代初，人们在半导体材料以及顺磁材料中发现了由量子相干效应(由于无序而加强的载流子库仑相互作用)导致的正磁电阻，并建立了一套基于无序的理论来解释所观察到的实验现象。去年, Manyala在Fe1-XCoXSi中首次观察到铁磁材料中的由量子相干效应导致的正磁电阻。另一方面，人们又在1997年首次发现钙钛矿型锰氧化物La1-xCaxMnO3具有较大的磁热效应后[40,41]，钙钛矿型锰氧化物的磁热效应引起了人们的注意。3,La07Pb03MnO3单晶样品的由量子相干效应导致的正磁电阻效应、A05Sr05MnO3 (A= Pr, Nd) 的巨磁热效应、多晶锌铁氧体和多晶NiXFe1-XS的巨磁电阻效应

巨磁电阻(GMR)效应是指用时较之无外磁场作用时存在显著变化的现象，一般将其定义为gmr=其中(h)为在磁场h作用下材料的电阻率(0)指无外磁场作用下材料的电阻率。根据这一效应开发的小型大容量计算机硬盘已得到广泛应用。

磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，人们把这种现象称为磁电阻。所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。

，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞(又称散射)，每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律R=ρl/S中，把电阻率ρ视为常数，与材料的几何尺度无关，这是忽略了边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时(例如，铜原子的直径约为0.3nm)，电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。

电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年，就有理论指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。

在多层膜巨磁电阻结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行(反铁磁)耦合的。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。

有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。

其一，界面上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变(平行-反平行，或反平行-平行)，电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。

其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小(平行)和散射几率大(反平行)两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。

巨磁电阻材料是指电阻随外加磁场强度的改变而发生显著变化的材料,电阻的变化率一般达百分之几,也有达百分之几十的,最高可达百分之,这种磁电阻变化在纳米薄膜材料中比较显著。巨磁电阻薄膜材料的广泛研究始于1988年Baibich等人的一个惊人的发现,即在由Fe、Cr交替沉积形成的多层膜中发现了超过50%的磁电阻变化率,远远超过了多层膜中层磁致电阻的总和,这种现象称为巨磁电阻效应(GMR)。

人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。直接交换作用的特征长度为0.1-0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度，所以1970年之后，科学家就探索人工微结构中的磁性交换作用。

1988年法国的M.N.Baibich等人在美国物理学会主办的Physical Review Letters 上发表了有关Fe/Cr巨磁电阻效应的著名论文，首次报告了采用分子外延生长工艺(MBE)制成Fe(100)/Cr(100)规则型点阵多层膜结构。在这种(Fe/Cr)n结构中，Fe为强铁磁性金属，Cr为反铁磁性金属，n为Fe和Cr的总层数。它是采用MBE工艺将Fe(100)/Cr(100)生长在GaAs芯片上，其工艺条件是，保持MBE室内剩余压力为6.7×10-9Pa，芯片温度20℃，淀积速率:对于Fe为0.06nm/s;对于Cr为0.1nm/s。它们每层的厚度约(0.9~9)nm，通常为30层。为获得上述淀积速率，还专门设计了坩埚蒸发器。经实验发现，当Cr的厚度小于(0.9~3)nm 时，它与Fe层之间偶合的一个反向铁磁特性(AF)的磁滞回线斜率逐渐增大。图1 显示了Fe层为3nm，Cr层分别为0.9nm、1.2nm 和1.8nm，磁感应强度B在±2T 范围内，热力学温度T=4.2K，n=30、35、60 时，3个不同样本的特性。随着Cr 厚度的增加和总层数的降低，Δr/r也升高，而且高斯磁场强度B越弱，Δr/r 越高，当B≈2T时，[Fe(3nm)/Cr(0.9nm)]60 膜的Δr/r可达50%以上。实验还发现，即使温度升至室温，B降低了30%Δr/r 也可达到低温值的一半，这一结论具有十分大的实用价值。

就在此前3个月，德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )领导的研究小组采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铬层，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场，发现膜两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。换言之，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁磁层磁矩是反平行的，这个新现象成为巨磁电阻效应出现的前提。格伦贝格尔接下来发现，两个磁矩反平行时对应高电阻状态，平行时对应低电阻状态，两个电阻的差别高达10%。

1990年IBM公司的斯图尔特·帕金(S. P. Parkin )首次报道了除铁-铬超晶格，还有钴-钌和钴-铬超晶格也具有巨磁电阻效应。并且随着非磁层厚度增加，上述超晶格的磁电阻值振荡下降。在随后的几年，帕金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中，找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系，为GMR材料开辟了广阔的空间，同时帕金采用较普通的磁控溅射技术代替了精密的MBE方法制备薄膜，目前这已经成为工业生产多层膜的标准。

1992年A.E.Berkowitz和Chien等人首次发现了Fe、Co 与Cu、Ag 分别形成二元合金颗粒膜中的磁电阻效应，在低温下其Δr/r可达(40~60)%。随后陆续出现了Fe-Ag、Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag 等颗粒多层膜。

1993年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比GMR 更大的磁电阻效应，即Colossal Magneto Resistance(CMR)庞磁电阻效应，开拓了GMR 研究的新领域。

在发现低磁场GMR 效应之后，1994年C.Tsang等研制出全集成化的GMR 器件――自旋阀。同年，美国的IBM公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头，它将磁盘记录密度提高了17倍，达5Gbit/6.45cm2(in2)。