巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻效应的发现和应用获得2007年诺贝尔物理学奖。

本实验重点理解磁性对电子散射的影响、双电流模型、RKKY理论和巨磁电阻效应产生的物理机理，了解巨磁电阻效应的实际应用领域和应用时所采用的技术设计。

【思考题】1什么是磁电阻效应和巨磁电阻效应?巨磁电阻效应的发现对物理学和技术应用有什么重要贡献？2为什么铁磁材料中电子散射与电子自旋状态有关？３为什么非磁性层的厚度会影响巨磁电阻效应大小?用RＫＫY理论理解此现象。

４如何用双电流模型解释磁性多层膜的巨磁电阻效应？该模型除解释巨磁电阻效应外还有哪些应用？5磁性多层膜与自旋阀磁电阻在薄膜结构、性能与应用方面有什么不同？6磁硬盘记录的原理是什么？为什么磁电阻的应用能大大提高磁记录的密度和读写速度？７将多层膜制成GMR元件时一般将其几何结构光刻成微米宽度迂回形状,目的是什么? 8将GMR元件用作传感器时，采用桥式电路有什么好处?9在GMＲ桥式电路中，有时在电桥对角位置的两个电阻表面加磁屏蔽,有时不加，其原因是什么?10如何提高GＭR传感器的灵敏度？如何用磁电阻效应测量导线中的电流？１1对磁性样品测量应注意哪些问题？为什么先将样品磁化到饱和再进行测量？如何判断样品已经被磁化到饱和状态？１２你认为巨磁电阻效应的发现者能获得诺贝尔物理学奖的理由是什么?13如果你自己要制备一个有巨磁电阻效应的磁性多层膜，薄膜结构应满足那些条件?【引言】2007年12月10日,法国物理学家阿尔贝·费尔(AｌbｅrｔＦｅｒt）和德国物理学家彼得·格伦贝格(Pｅｔｅr Crünbｅｒg）分别获得了一枚印着蓝白红标志的２０07年诺贝尔物理奖章,他们各自独立发现的巨磁阻效应(giaｎｔ magnetｏrｅsｉsｔance, GMR）[1,2]。

早在一百多年前, 人们对铁磁金属的输运特性受磁场影响的现象，就做过相当仔细的观测。

莫特的双电流理论,把电子自旋引入对磁电阻的解释，而巨磁电阻恰恰是基于对具有自旋的电子在磁介质中的散射机制的巧妙利用。

目前巨磁电阻传感器已应用于测量位移、角度等传感器、数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等很多领域，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。

巨磁电阻薄膜材料的广泛应用，也是纳米材料的第一项实际应用，它使得人们对磁性尤其是纳米尺寸的磁性薄膜介质之输运特性的研究有了突飞猛进的发展，由此带来计算机存储技术的革命性变化，从而深刻地改变了整个世界。

【实验目的】通过纳米结构层状薄膜的巨磁电阻效应及不同结构的GＭR传感器特性测量和自旋阀磁电阻测量,了解磁性薄膜材料和自旋电子学的有关知识，并由磁电阻和巨磁电阻的历史发展，及关键人物解决问题的思想方法，认识诺贝尔物理奖项目巨磁电阻的原理、技术,和对科学技术发展的重要贡献。

体会实验的设计与实施，理解其原理和方法，体验科学发现的精髓与快乐,促进学生逐步形成系统的物理思想，期望由此启发学生对物理科学和高新技术的浓厚兴趣。

【实验原理】一磁电阻与巨磁电阻效应磁电阻MＲ(magnetｏ－resisｔaｎｃｅ的缩写符号)效应是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。

磁电阻效应按磁电阻值的大小和产生机理的不同可分为：正常磁电阻效应(Ｏrdinary MR: OMR）、各向异性磁电阻效应（Anisotrｏpｉc MR: ＡMR)、巨磁电阻效应(ｇiant MR：GＭR）和庞磁电阻效应（ColossalＭＲ:ＣMＲ)等。

表征磁电阻效应大小的物理量为MR，其定义有两种,分别为：(1)式中R (０)为外加磁场为零时样品电阻,R (H ）为不同外加磁场下样品电阻,Ｒ （ H s )为外加磁场使薄膜磁化饱和时样品的电阻。

第一种定义的磁电阻比率低于100%，认为电阻的变化起源于反铁磁性的电阻，缺点是H = 0时并不总是完全反铁磁耦合态。

第二种定义认为电阻的变化起源于铁磁态电阻，更常用于计算。

巨磁电阻效应是指在一定的磁场下材料电阻急剧减小,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。

为了强调磁电阻的显著变化,在 “磁电阻”之前加上“巨”（“ｇｉan ｔ”)，称为“巨磁电阻”（“ＧMR”)。

巨磁电阻效应是在19８８年由 A.Fert 研究团队的Ba ｉb ｉch 等人和 Grｕnbe ｒｇ 团队的 B ｉn ａsh 等人同时发现。

两个团队都是利用分子束外延分别生长Fe ／C ｒ 超晶格和 Fe/Cr ／Ｆe三层膜系统,当邻近两层 F ｅ 层的磁化方向随外加磁场由反平行转变为平行状态时,薄膜电阻迅速下降的现象。

图 1 是Ｂaibich 等人所观察到 Fe/Cr 超晶格在 4．2 Ｋ 下电阻随磁场的变化关系。

由于该电阻下降的值非常明显，被称为巨磁电阻效应。

之后人们在F ｅ/Ｃu ，Ｆｅ/Al,Fe/Ａｌ，Fe ／Au ，Ｃo/Cu,C ｏ／Ag 和Co ／A ｕ 等很多纳米结构的多层膜中都观察到显著的巨磁阻效应。

注意到图 1 中非磁性层的厚度对巨磁电阻效应有明显的影响。

Ｐar ｋｉｎ 等人在 1990 年观察到Fe/Ｃr 多层膜中，M Ｒ 值随相邻磁性层的交换耦合而变化[3]。

交换耦合是指两种不同的磁性材料彼此密切接触,或被一个足够薄的层(一般小于 6 ｎｍ）分隔,自旋信息可以在两种磁性材料间传递，使它们的磁矩有一优先的相对取向。

若它们的自旋方向相同，为铁磁性耦合,若其自旋方向相反，则为反铁磁性耦合。

在磁性多层膜中,只有当 Cr 层厚度使零磁场时相邻磁性层成反[][]002001100)()()(100)0()()0(⨯-=⨯-=S S H R H R H R MR R H R R MR 图1 A. Fert 小组制备的3个Fe/Cr 超晶格在 温度为4.2K 时的磁电阻曲线铁磁性耦合，磁电阻达最大值。

如果非磁性隔层的厚度比平均电子自由程大得多时,ＧMR 效应会消失。

之后 Pa ｒkin 等系统研究了以 3d 金属 F ｅ, Co ， Ｎi 及其合金作为铁磁层 (FM ） 层的 ＦＭ／NM/F Ｍ 结构( 其中 NM 为非磁性层）多层膜中非磁性层厚度对巨磁电阻效应的影响。

发现当改变非磁性层厚度时,相邻铁磁层间交换耦合存在长程振荡效应,而且这种经过非磁性 NM 层的交换耦合随 NM 层厚度的变化而振荡的现象被证明是普遍的。

图 2 为 不同温度制备的三种 Fe/Cr 结构系统中 ＧMR 比率随着铬层厚度的变化曲线[3]。

为什么被非磁性隔开的磁性多层膜系统具有巨磁电阻效应？为什么非磁性层的厚度会影响磁性层之间的交换耦合?要理解这些现象,就需要了解铁磁材料中与电子自旋相关的散射、莫特的双电流模型理论和 ＲK ＫY 交换作用。

二 巨磁电阻效应的物理起源及理论解释1 物质磁性对电阻的影响电阻的本质是电子在物体中运动时受到散射。

导电材料电阻率的大小是由其中自由电子的平均自由程决定的。

材料中自由电子的平均自由程越短, 其电阻率越大;反之,自由电子的平均自由程越长,材料的电阻率越小。

要讨论铁磁性对电阻的影响,必须引入电子自旋的概念。

作为费米子,电子可以取正负1/２两种自旋。

典型的铁磁物质为过渡族元素，例如铁、锰、钴。

这些元素的3d 电子壳层都未填满，它们的自旋取向服从洪德定则，即总自旋值（所有电子自旋之和）在泡里原理允许的条件下, 取最大值。

例如锰有５个 3d 电子,正好填充３d 壳层的一半，他们都会取正1/2 自旋。

这样就会空出另外５个负１/2 自旋的电子态。

注意所谓正负取向,是针对一个参照体系而言。

在有外加磁场时,这个磁场就是参照方向。

磁化，就是3d 电子的自旋沿磁场取向。

铁磁金属晶体的原子磁矩来自其未满 d 壳层电子的自旋,价电子为传导电子，均匀分布于晶体中，并可以在整个晶体中传播。

d 电子把材料磁性与电子的输运性质联系起来，空 d 态可被与d 轨道上电子自旋方向相反的 4s传导电子暂时占据，导致一个与电子自旋相关和轨道角动量相关的散射过程。

铁磁材料中承担输运的 4s 电子正(负）1／２自旋各占一半,因为泡利不相容原理和洪特规则，只有某些特定自旋的传导电子有很大的几率弛豫到３ｄ壳层的负（正)１/2 自旋态，而３d 电子被束缚于原子处，不参与导电，所以这个弛豫过程，使自由电子变成了束缚电子，就成为磁性材料中一种重要的散射机制而影响电阻率。

铁磁材料中４s传导电子向3d 局域态的弛豫，称为磁散射或s – d 散射。

在铁磁材料中，电阻率ρ有三部分的贡献,分别源于杂质缺陷ρr，晶格振动ρＬ(T)，和磁散射ρＭ(Ｔ), 表示为:ρ (T）= ρr ＋ρL(T）＋ρM(Ｔ）(2）2 N. F．Moｔt 理论和磁性多层膜巨磁电阻的理论解释巨磁电阻效应是由于不同自旋极化电子具有不同电传输行为所产生，这种不同性首次在193６年被Moｔt观察到[4］。

在一般非磁性材料中，不同自旋方向的传导电子在传输过程中是无法分辨的。

铁磁性金属材料在足够低温下，电子自旋弛豫长度（即移动中电子自旋方向保持不变的距离)远远大于平均自由程,因此在讨论电子输运过程时，假定散射过程中移动的电子自旋方向保持不变是合理的。

于是将铁磁金属材料中电子按自旋取向分成两类处理，与本体材料磁化方向平行与反平行的自旋电子在传输过程是可以分辨的,且平行与反平行自旋通道以并联方式贡献电导率,此效应称为双电流模型(the tｗｏ－ｃurｒent modeｌ)。

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。

GＭR效应的物理起源为电子自旋对电子在铁磁性材料中传导过程的影响。

Motｔ提出由于铁磁性材料中自旋能带的分裂，导致不同自旋的电子有不同的传导行为。

过渡金属中的电导率σν = nνe2τν/mν，其中ν表示自旋向上或向下，ｎν为费米能级上电子态密度,τν为自旋弛豫时间,mν为有效质量。

σν与费米能级上电子状态有关。

费米能级上有两类电子:一类是巡游性强的s 电子，它的能带宽，有效质量接近自由电子；另一类是比较局域的ｄ电子，其能带窄，有效质量大于自由电子,所以,电流主要由s 电子传递。

但是,s 电子态密度远小于 d 电子。

因此, ｓ-s 电子间散射可以忽略；s-d 电子间散射过程才是主导的机制。

因为铁磁金属ｄ电子的两种自旋取向的电子数目不等，散射过程必须保证自旋守恒,所以ｓ-d 电子散射过程就与电子间自旋的相对取向有关，这个过程称为自旋极化的电子输运过程。

这就是19３6年N．F．Mｏtｔ提出的过渡金属电子输运的物理模型。