巨磁电阻讲义

巨磁电阻效应及其应用

2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻(Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg ). 诺贝尔奖委员会说明:“这是一次好奇心导致的发现, 但其随后的应用却是革命性的,因为它使计算机硬盘的容量从几百兆、几千兆一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G.”

事实上, 根据凝聚态物理的研究结果, 人们早已认识到过渡金属铁、钴、镍均能出现铁磁性有序状态. 然而,及至量子力学出现之后, 德国科学家海森伯才明确对此现象的成因进行了相关理论解释,他指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. 因这一交换作用具有短程性而被称为直接交换作用.

其后人们通过对大量过渡金属和稀土金属的化合物的研究发现其中很多物质则具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中, 相

邻原子因受负的交换作用, 自旋为反平行排列, 如图1所示. 其磁矩虽处于有序状态, 但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零, 这种磁有序状态称为反铁磁性. 法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)在解释反铁磁性时认为，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. 另外,

在稀土

金属中也出现了磁有序, 其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层. 相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径, 所以稀土金属中的传导电子担当了中介, 将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY (Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida)型间接交换作用.

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.美国IBM实验室的江崎和朱兆祥在1970年提出了超晶格的概念, 所谓超晶格是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料. 由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长, 因此取得“超晶格”的名称. 上世纪八十年代, 由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制, 金属超晶格成为研究前沿, 凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序、层间耦合及电子输运等进行了广泛地基础性研究.

德国物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态. 其研究对象为在两层厚度约为10nm铁层间夹一厚度为1nm铬层的三明治结构的薄膜. 之所以选择这两种材料是因为：首先铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，因而容易实现两者的电子状态匹配. 其次, 铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同, 因而二者间的晶格结构也相匹配. 这两类匹配则非常有利于对基本物理过程进行探索研究. 他于1986年采用了分子束外延(MBE)方法开始制备薄膜，样品成分依然是铁-铬-铁三层膜。

然而,制备手段的更新使其获得了结构完整的单晶. 随后, 他们又利用新的光散射检测方法进一步对单晶进行检测并获得了铁磁矩的相关信息. 通过对薄膜上的外加磁场进行控制, 在使其逐步变弱直至消失的过程中, 研究者发现在铬层厚度为0.8nm的铁-铬-铁结构材料中，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).这一现象表明在非铁磁层铬的某特定厚度下，当无外磁场作用时，其两边铁磁层的磁矩将处于反平行状态. 此现象的发现成为了巨磁电阻效应出现的前提. 格伦贝格尔在随后的研究中发现磁矩的转变对材料的电阻有显著地影响. 当磁矩处于反平行状态时, 材料的电阻对应于高电阻状态; 而当磁矩平行时则对应于材料的低电阻状态，且两个电阻的差别高达10%. 格伦贝格尔将这一结果写成论文的同时也申请了将这种效应和材料应用于硬盘磁头的专利.

另一方面，法国物理学家阿尔贝·费尔的小组于1988年将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格, 也称为周期性多层膜.在对新材料的研究过程中他们也注意到了外磁场对材料的电阻具有显著影响的事实. 结果表明, 当改变磁场强度时, 超晶格薄膜的电阻下降近一半, 即磁电阻比率高达50%. 据此他们将这一前所未有的电阻巨大变化现象称为巨磁电阻(GMR)，并用两电流模型解释对这一物理现象进行了解释. 显然, 周期性多层膜可以被看成是若干个格伦贝格尔三明治的重叠, 所以德国和法国的两个独立发现实际上是同一个物理现象.

在寻找新材料的过程中, IBM公司的斯图尔特·帕金(S. P. Par

kin)于1990年首次报道了除铁-铬超晶格之外，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. 其后, 科学家们在过渡金属超晶格和金属多层膜中又找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系. 帕金发现结果的重要性一方面在于其为寻找更多的GMR材料开辟了广阔空间，并使人们最终获得了适合制作硬盘的GMR材料.另一方面，帕金采用较普通的磁控溅射技术，代替精密的MBE方法制备薄膜，从而克服了物理发现与产业化之间的障碍, 使巨磁电阻成为基础研究快速转换为商业应用的国际典范. 同时, 巨磁电阻效应也被认为是纳米技术的首次真正应用.

GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义. 传统的电子学以电子的电荷移动为基础，往往忽略了对电子自旋的考虑. 而巨磁电阻效应表明电子自旋对于电流的影响非常强烈，且电子的电荷与自旋两者都可能载运信息. 自旋电子学的研究和发展, 引发了电子技术与信息技术的一场新的革命. 目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头, 基本上都应用了巨磁电阻效应. 利用巨磁电阻效应制成的多种传感器, 已广泛应用于各种测量和控制领域. 除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外, 由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应, 已显示出比GMR效应更高的灵敏度. 除在多层膜结构中发现GMR效应并已实现产业化外，在单晶、多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐以及一些磁性半导体中均已发现了巨磁电阻效应.

本实验将介绍多层膜 GMR效应的原理, 并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应用领域.

实验目的：

1、了解GMR效应的原理

2、 测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线

4、测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线 5、用GMR传感器测量电流

6、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理

7、通过实验了解磁记录与读出的原理

实验原理:

根据导电的微观机理，电子在导电时不断地与晶格中的原子

发生碰撞（又称散射）因而其运动是电场对电子的定向加速及无规散射运动的叠加. 众所周知, 平均自由程指的是电子在两次散射之间的平均路程. 电子发生散射的几率越小，其平均自由程就越长，因而相应的电阻率就越低. 通常情况下, 电阻定律 R=l/S中的电阻率之所以可视为与材料的几何尺度无关的常数, 是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm）而忽略边界效应的结果. 然而, 当材料的几何尺度小到只有几个原子厚度的纳米量级时(例如，铜原子的直径约为0.3nm), 电子在边界上

的散射几率将明显增加，且呈现出厚度减小电阻率越大的效果. 电子除携带电荷外还具有自旋特性, 自旋磁矩又有平行或反平行于外磁场两种可能取向. 英国物理学家N. F. Mott早在1936年就已指出, 在过渡金属中, 其自旋磁矩与材料磁场方向平行的电子发生散射的几率远小于反平行的情况. 其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，此即所谓的两电流模型.

在图2所示的多层膜结构中, 当无外磁场时，上下两层磁性材料通过反平行（反铁磁）耦合在一起. 当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, 至使两层铁磁膜从反平行耦合变成平行耦合. 电流的方向在多数应用中与膜面相平行

.

无外磁场时顶层磁场方向

无外磁场时底层磁场方向

图2 多层膜GMR结构图

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. 当无外磁场时, 上下两层铁磁膜的磁场方向相反, 电子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）, 发生散射的几率很大, 与高电阻状态相对应. 当有外磁场存在时, 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与低电阻状态相对应. 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. 当无外磁场时, 上下两层铁磁膜的磁场方向相反. 电子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. 相应的, 两类自旋电流的并联电阻类似于两个中等阻值电阻相并联的效果，与高电阻状态相对应. 当有外磁场时, 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等效于一个小电阻与一个大电阻的并联, 与低电阻状态相对应.

多层膜GMR结构简单, 工作可靠, 磁阻随外磁场线性变化的范围大, 因而在制作模拟传感器方面得到广泛应用. 在数字记录与读出领域, 为进一步提高灵敏度, 还发展了自旋阀结构的GMR, 硬盘所用的GMR磁头就采用这种结构.

实验装置： 巨磁阻实验仪，基本特性组件

图3 模拟传感器磁电转换特性实验原理图

一、 GMR模拟传感器的磁电转换特性测量

基本特性组件由GMR模拟传感器, 螺线管线圈及比较电路, 输入输出插孔组成. 用以对GMR的磁电转换特性,磁阻特性进行测量. 其原理图见图4. GMR传感器置于螺线管的中央.

螺线管用于在实

验过程中产生大小可计算的磁场. 依电磁理论可知，在无限长直螺线管内部轴线上任一点的磁感应强度可表示为：

B = μ0nI （1）

式中n为线圈密度, I为流经线圈的电流强度,

04107H/m为真空

中的磁导率. 采用国际单位制时, 由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉＝10000高斯）. 根据螺线管上标明的线圈密度, 由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B.

将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量”. 实验仪的4伏电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”, 恒流源接至“螺线管电流输入”, 基本特性组件“模拟信号输出”接至实验仪电压表.

按表1数据, 调节励磁电流, 逐渐减小磁场强度, 记录相应的输出电压于表格“减小磁场”列中. 由于恒流源本身不能提供负向电流, 当电流减至0后, 交换恒流输出接线的极性, 使电流反向. 再次增大电流, 此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负, 从上到下记录相应的输出电压. 电流至－100mA后, 逐渐减小负向电流, 电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性. 从下到上记录数据于“增大磁场”列中.

表1 GMR模拟传感器磁电转换特性的测量 电桥电压4V

根据螺线管上标明的线圈密度, 由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B. 以磁感应强度B作横座标, 电压表的读数为纵座标作出磁电转换特性曲线.

图5磁阻特性测量原理图

二、GMR磁阻特性测量

将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”，此时被磁屏蔽的两个电桥电阻R3、R4被短路, 而R1、R2并联. 将电流表串联进电路中，测量不同磁场时回路中电流的大小, 就可计算磁阻, 测量原理如图5所示.

实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件.

将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中, 功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”实验仪的4伏电压源串联电流表后接至基本特性组件“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”.

按表2数据, 调节励磁电流, 逐渐减小磁场强度, 记录相应的磁阻电流于表格“减小磁场”列中. 当电流减至0后, 交换恒流输出接线的极性, 使电流反向. 再次增大电流, 此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负, 从上到下记录相应的输出电压. 电流至－100mA后, 逐渐减小负向电流, 电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性. 从下到上记录数据于“增大磁场”列中.

表2 GMR磁阻特性的测量 磁阻两端电压4V

根据螺线管上标明的线圈密度, 由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B. 由欧姆定律 R=U/I 计算磁阻. 以磁感应强度B作横座标, 磁阻为纵座标作出磁阻特性曲线. 在不同外磁场强度时, 磁阻的变化反映了GMR的磁阻特性, 同一外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性.

三、 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量

将GMR模拟传感器与比较电路, 晶体管放大电路集成在一起就构成GMR开关（数字）传感器, 结构如图6所示.

比较电路的功能是, 当电桥电压低于比较电压时,

输出低电平.当电桥电压高于比较电压时, 输出高电平. 选择适当的GMR电桥并结合调节比较电压, 可调节开关传感器开关点对应的磁场强度. 图7是某种GMR开关传感器的磁电转换特性曲线. 当磁场强度的绝对值从低增加到12高斯时, 开关打开（输出高电平）, 当磁场强度的绝对值从高减小到10高斯时, 开关关闭（输出低电平）.

输出

图6 GMR开关传感器结构图

输出电压/V

开关 关 开

磁场强度/高斯

-20

-10

10

20

30

图7 GMR开关传感器磁电转化特性

实验装置：巨磁阻实验仪, 基本特性组件.

将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中, 功能切换按钮切换为“传感器测量”. 实验仪的4伏电压源接至基本特性组件“巨磁电阻供电”, “电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔,恒流源接至“螺线管电流输入”, 基本特性组件“开关信号输出”接至实验仪电压表.

从50mA逐渐减小励磁电流, 输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的励磁电流于表3“减小磁场”列中. 当电流减至0后, 交换恒流输出接线的极性, 使电流反向. 再次增大电流, 此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负, 输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的负值励磁电流于表3“减小磁场”列中. 将电流调至－50mA, 逐渐减小负向电流, 输出电压从高电平（开）转变为低电平（关）时记录相应的负值励磁电流于表3“增大磁场”列中, 电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性. 输出电压从低电平（关）转变为高电平（开）时记录相应的正值励磁电流于表3“增大磁场”列中.

表3 GMR开关传感器的磁电转换特性测量 高电平＝ V 低电平＝ V

根据螺线管上标明的线圈密度, 由公式（1）计算出螺线管内的磁感应强度B. 以磁感应强度B作横座标, 电压读数为纵座标作出开关传感器的磁电转换特性曲线.

利用GMR开关传感器的开关特性已制成各种接近开关, 当磁性物体（可在非磁性物体上贴上磁条）接近传感器时就会输出开关信号.广泛应用在工业生产及汽车, 家电等日常生活用品中, 控制精度高,恶劣环境（如高低温，振动等）下仍能正常工作. 四、用GMR模拟传感器测量电流

由于GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系, 且灵敏度高, 线性范围大, 据此可以方便地将GMR制成磁场计, 测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量. 为此可选择输出电流进行测量. 依电磁理论可知, 通有电流I的无限长直导线，与导线距离为r处的磁感应强度应为：

B = μ0I/2πr =2 I×10-7/r （2）

磁场强度与电流成正比, 在r已知的条件下, 测得B, 就可知I. 在实际应用中, 为了使GMR模拟传感器工作在线性区, 提高测量精度, 还常常预先给传感器施加一固定已知磁场, 称为磁偏置, 其原理类似于电子电路中的直流偏置.

图8 模拟传感器测量电流实验原理图

实验装置：巨磁阻实验仪, 电流测量组件

实验仪的4伏电压源接至电流测量组件“巨磁电阻供电”, 恒流源接至“待测电流输入”, 电流测量组件“信号输出”接至实验仪电压表. 将待测电流调节至0. 将偏置磁铁转到远离GMR传感器, 调节磁铁与传感器的距离, 使输出约25mV. 将电流增大到300mA, 按表4数据逐渐减小待测电流, 从左到右记录相应的输出电压于表格“减小电流”行中. 由于恒流源本身不能提供负向电流, 当电流减至0后, 交换恒流输出接线的极性, 使电流反向. 再次增大电流, 此时电流方向为负, 记录相应的输出电压. 逐渐减小负向待测电流, 从右到左记录相应的输出电压于表格“增加电流”行中. 当电流减至0后，交换恒流输出接线的极性, 使电流反向. 再次增大电流, 时电流方向为正, 记录相应的输出电压.

将待测电流调节至0. 将偏置磁铁转到接近GMR传感器, 调节磁铁与传感器的距离, 使输出约150mV. 用低磁偏置时同样的实验方法, 测量适当磁偏置时待测电流与输出电压的关系.

表4 用GMR模拟传感器测量电流

以电流读数作横坐标, 电压表的读数为纵坐标作图. 分别作出4条曲线. 由测量数据及所作图形可以看出, 适当磁偏置时线性较好, 斜率（灵敏度）较高. 由于待测电流产生的磁场远小于偏置磁场, 磁滞对测量的影响也较小, 根据输出电压大小就可确定待测电流大小.

用GMR传感器测量电流不用将测量仪器接入电路, 不会对电路工作产生干扰, 既可测量直流, 也可测量交流, 具有广阔的应用前景. 五、 GMR梯度传感器的特性及应用

实验装置：巨磁阻实验仪、角位移测量组件.

将实验仪4V电压源接角位移测量组件“巨磁电阻供电”, 角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表.

逆时针慢慢转动齿轮, 当输出电压为零时记录起始角度, 以后每转3度记录一次角度与电压表的读数. 转动48度齿轮转过2齿, 输出电压变化2个周期.

表5 齿轮角位移的测量

齿轮实际转过的度数为横坐标，电压表的读数为纵向坐标作图. 六、磁记录与读出

磁记录是当今数码产品记录与储存信息的最主要方式, 由于巨磁阻的出现, 存储密度有了成百上千倍的提高.

在当今的磁记录领域, 为了提高记录密度, 读写磁头是分离的.

写磁头是绕线的磁芯, 线圈中通过电流时产生磁场, 在磁性记录材料上记录信息. 巨磁阻读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息. 磁读写组件用磁卡做记录介质, 磁卡通过写磁头时可写入数据, 通过读磁头时将写入的数据读出来.

同学可自行设计一个二进制码, 按二进制码写入数据, 然后将读出的结果记录下来.

实验装置：巨磁阻实验仪, 磁读写组件, 磁卡.

实验仪的4伏电压源接磁读写组件“巨磁电阻供电”, “电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路供电”输入插孔，磁读写组件“读出数据”接至实验仪电压表. 同时按下“0/1转换”和“写确认”按键约2秒将读写组件初始化, 初始化后才可以进行写和读.

将需要写入与读出的二进制数据记入表6第2行. 将磁卡有刻度区域的一面朝前, 沿着箭头标识的方向插入划槽, 按需要切换写“0”或写“1”（按“0/1转换”按键, 当状态指示灯显示为红色表示当前为“写1”状态, 绿色表示当前为“写0”状态）按住“写确认”按键不放, 缓慢移动磁卡, 根据磁卡上的刻度区域线完成相应的读入. 完成写数据后, 松开“写确认”按键, 此时组件就处于读状态, 将磁卡移动到读磁头出, 根据刻度区域在电压表上读出的电压记录在表6中.

此实验演示了磁记录与磁读出的原理与过程. 注意事项：

1、由于巨磁阻传感器具有磁滞现象, 因此在实验中恒流源只能单方向调节, 不可回调, 否则测得的实验数据将不准确.

2、测试卡组件不能长期处于“写”状态. 3、实验过程中, 实验环境不得处于强磁场中.