磁电阻材料及其应用
摘要：磁电阻材料在现代科技中有着广泛的应用。
磁电阻材料种类很多，本文主要介绍了磁电阻材料中的磁各向异性材料和巨磁电阻材料，其中由于巨磁电阻材料有着及其广泛的应用，本文重点介绍了巨磁电阻效应和它的应用。
关键词：磁电阻材料，磁各向异性电阻，巨磁电阻，应用Magnetoresistance Materials And It’s Applications
Abstract: Magnetoresistance materials have a wide range of applications in contemporary society.The species of magnetoresistance materials are great.In this article,I mainly introduce the anisotropic magnetoresistance materials and giant magnetoresistance materials of magnetoresistance materials.As the giant magnetoresistance materials have a wide applications comparing to the magnetically anisotropic substance,so I will mainly introduce the giant magnetoresistance and it’s applications.
Key words:magnetoresistance materials;anisotropic magnetoresistance; giant magnetoresistance;application
引言
在当今信息时代里，信息高速公路的逐步建立和发展，促使物理工作者不断地发掘和探索新型的功能材料，以适应高密度信息存储和快速读写的需要，磁电阻的研究正是在这种需要下应运发展起来的[1]。
各向异性磁电阻在磁头上的应用使磁记录有了重要的发展。
巨磁电阻材料是具有显著远大于一般磁电阻效应的磁性材料。
由于巨磁电阻在磁传感器和磁记录的读出磁头等高新技术中有着广泛和重要的应用，因而成为当前的重要科学研究项目[2]。
1 磁电阻材料
1.1 磁电阻效应及其应用
所谓磁电阻(magnetoresistance，MR)效应，是指某些铁磁性材料在受到外加磁场作用时引起电阻变化的现象[3]。
磁电阻效应是近几年凝聚态物理、材料科学的研究热点，由于其具有重要的科学意义和极其广泛的应用前景，使磁电阻材料的研究在最近十几年内取得了重大的进展。
并且已在许多领域内开始应用。
众所周知，磁场可以使许多金属的电阻发生改变，只不过变化率很小，这种磁场引起的电阻变化被称为磁致电阻或磁电阻[4]。
在磁电阻效应发现后的不长时间内，
不断开发出一系列崭新的磁电子学器件，使计算机外存储器的容量获得了突破性进展，并使家用电器、自动化技术和汽车工业中应用的传感器得以更新。
最近对半导体．金属复合结构的超大几何磁电阻进行了研究。
首先对一种非磁性半导体．金属复合器件进行研究，观测到其室温磁电阻在0．05 T和4 T时可以达到100％和7．5×105％。
目前已经研制成读写磁头传感器，可以使磁盘的存储密度达到116 Gb每平方英寸[5]。
1.2 各向异性磁电阻(AMR)效应及其应用
在铁磁金属及其合金中，可以观察到明显的磁电阻效应，这是和物质的磁化有关的效应，是由于铁磁性磁畴在外场的作用下各向异性运动造成的。
由于磁电阻效应的大小与磁化强度的取向有，所以称为各向异性磁电阻(anisotropic magneoresistance)效应[6]。
各向异性磁电阻效应尽管不大，但将其应用于磁头使磁记录有了革命性的发展。
此外，利用各向异性磁电阻效应的位移传感器可用于数控机床、非接触开关；角度传感器可用于汽车测速与控速及旋转解码器等。
所有这类磁电阻传感器具有灵敏度高、功耗小、体积小、可靠性高等一系列优点[7]。
1.3 巨磁电阻材料
巨磁电阻(GMR．giant magnetoresistance)材料是指在外磁场的作用下电阻发生显著变化(通常是指电阻降低)的一类功能性材料，当该类材料的电阻随外磁场的变化十分巨大时，也被称为超磁电阻(CMR，colossal magnetoresistance)材料[8]。
1.3.1 具有GMR效应的材料
（1）磁性金属多层膜
铁磁层和非磁层交替重叠构成的金属磁性多层膜常具有巨磁电阻效应，其中每层膜的厚度均在纳米量级。
（2）自旋阀
目前，实用多层膜是所谓的自旋阀，典型的自旋阀结构主要由铁磁层（自由层）+ 隔离层（非磁性层）+ 铁磁层（钉扎层）+ 反铁磁层组成。
（3）金属颗粒膜
所谓金属颗粒膜，是指铁磁性金属以颗粒的形式分散地镶嵌于非互熔的非磁性金属的母体中，其巨磁电阻效应普遍认为是来源于自由传导电子在颗粒与母体之间的界面上及磁性颗粒内部的自旋相关散射。
（4）磁性隧道结
通过两个铁磁金属膜之间的金属氧化物势垒的自旋极化隧穿过程也可以产生GMR效应。
（5）超巨磁电阻
目前已发现的具有GMR效应的材料有掺杂稀土锰氧化物，铊系锰氧化合物以及铬基硫族尖晶石。
由于它们具有很高的磁电阻，故称之为超巨磁电阻[9]。
1.3.2 GMR材料的应用
巨磁电阻材料之所以在全世界广泛受到重视，是和它重要的应用分不开的。
实际上在GMR出现之前，数值不大的AMR已得到应用。
因此GMR一经发现，人们立即意识到会发展比AMR器件更为灵敏的GMR器件。
GMR的基础研究及应用开发和开发研究几乎是齐头并进的。
（1）巨磁电阻传感器
传统的磁电阻传感器主要有半导体及磁性合金两种。
半导体磁电阻器件具有
磁电阻比值及线性度好的优点，但有所需磁场较高，温度稳定性不够好的缺点。
磁性合金薄膜器件饱和场低，灵敏度高，温度稳定性好，还有价廉之优点。
巨磁电阻传感器由于具有巨大的GMR值和较大的磁场灵敏度，表现出更强的竞争能力，用来代替传统磁电阻传感器，可大大提高传感器的分辨率，灵敏度、精确性等指标，特别是在微弱磁场的传感方面，如可用于伪钞识别器等方面，则显出更大的优势。
更广泛的应用是各类运动传感器，如对位置、速度、加速度、角度、转速等的传感，在机电自动控制、汽车工业和航天工业等方面有广泛的应用。
（2）巨磁阻磁记录读出磁头
传统的电磁感应式磁头，在读取高密度磁记录信息时，信噪比也不能满足要求。
此时对应于每个记录位的磁通量是微弱的。
如果采用薄膜电阻磁头读取信息，磁场的微弱变化对应着磁电阻的显著变化，是读取高密度磁记录信息较理想的手段。
因此，磁电阻头及巨磁电阻读出磁头就成为实现新型超高密度磁记录的关键技术及目前唯一有效途径。
(3) 巨磁电阻随机存储器（MRAM）
最近，在巨磁电阻用于内存的主要组成部分—随机存储器RAM方面获得较大进展。
二十世纪五、六十年代普遍使用的RAM由微型铁氧体磁芯组成；在二十世纪七十年代被半导体代替。
目前计算机RAM多采用硅集成电路组成。
动态及静态随机存储器（DRAM及SRAM），DRAM存储量大，价格低，为RAM的主流，但速度稍慢；SRAM的速度可达纳秒量级，但存储密度稍低，而且价格较高。
二者均为易丢失性。
近几年来，不丢失性的磁电阻和巨磁电阻随机存储器在迅速发展。
1995年报道了开关速度可达亚纳秒的自旋阀型MRAM记忆单元，及由16Mb的MRAM晶片组成的256M 字节的MRAM芯片的设计报告。
铁磁隧道结型MRAM的实验亦在进行。
除了以上三方面的主要应用外，巨磁电阻在磁电子学中有更广泛的应用，如各种无接触磁控器件以及自旋晶体管等，正在探索中[10]。
2 结语
磁电阻材料有着广泛的应用前景，尤其是巨磁电阻材料应用更为广泛。
不过，各种磁电阻材料产生磁电阻效应的物理本质至今仍未完全清楚；对于GMR材料的开发和应用，重要任务之一还是设法提高各类GMR材料的室温MR值和降低其工作磁场。
这需要科学工作者来攻关解决。
3 参考文献
[1] 任清褒，朱维婷．磁电阻材料及其应用的研究进展[J]．材料科学与工程,2002,20（2）:1
[2] 李国栋．2004～2005年磁性功能材料研究新进展[J].功能材料,2006,9:2
[3] 张献图，金刚，劳晓东．巨磁电阻效应及其应用[J]．周口师范学院学报,2008,25（5）:1
[4] 杨永安，张鹏翔，虞澜．磁电阻材料的发展及应用[J]．云南冶金,2004,33（5）:1
[5] 刘奇先, 刘杨 ,高凯．2004年～2005年磁性功能材料及其应用研究新进展[J]．稀有金属材料与工程,2006，,35（10）:2
[6] 皇甫加，盛树，李宝河于广华．各向异性磁电阻材料的研究进展[J].中国材料进展,2011,30（10）:1
[7] 黄宝歆．磁电阻材料的研究进展[J]．潍坊学院学报,2004,4（6）:1
[8] 严纯华，黄云辉，王哲明，廖春生，徐光宪．巨磁电阻材料及其研究进展[J]．化学通报,1998,7:1
[9] 赵燕平，由臣，宁保群．巨磁电阻材料及应用[J]．天津理工学院学报,2003,19（3）:2～3
[10] 钟喜春，曾德长，魏兴钊，顾正飞．巨磁电阻材料的研究与应用[J]．金属功能材料,2002,9（3）:3～4。