巨磁电阻效应的拓展应用

《巨磁电阻效应的拓展应用》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、论巨磁电阻效应及拓展应用摘要：近年来的社会发展速度之快，令人为之感到惊人。特别是在电子信息产业之中，如计算机、手机等等，他们是越做越精致，存贮能力之强且存贮容量之大。但是，这些方面要归功于巨磁电阻效应的发现和重视。本文主要阐述巨磁电阻效应的原理，并深入分析了它在当今社会之中的应用。关键词：巨磁电阻效应计算机硬盘传感器引言：2007年10月诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻(Giantmagnetoresistance,简称GMR)效应的发现者，法国物理学家阿尔贝·费尔(AlbertFert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔(P

2、eterGrunberg)。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。那么什么是巨磁电阻效应呢？产生这种效应的物理机制是什么？在当今高速发展的社会之中，它在应用方面有哪些意义和前景呢？本文就这些问题作如下简要的论述。一是巨磁电阻效应的原理磁致电阻效应普遍存在于所有金属（如Au，Cu等）以及半导体中。所谓磁电阻（MR），即磁致电阻，是指电阻率ρ在外加磁场H下所产生的变化；若电阻增大即为正磁阻效应，减小则为负

3、磁阻效应。磁电阻通常情况下定义为：MR=Δρ/ρ（0）=ρ[（H）-ρ(0)]/ρ(0)通常其变化量Δρ的大小不仅依赖于磁场的大小，也和材料中电流与磁场的方位有关，即不同的H和J的夹角，其磁阻效应是不一样的。一般存在两种磁阻效应：径向磁阻效应Δρ∥=ρ∥（H）-ρ∥（0），对应于磁场平行于电流方向；横向磁阻效应ΔρT=ρT（H）-ρT（0），对应于磁场垂直于电流方向。当然对于薄膜材料，还有第三种位形，即H即垂直电流方向又垂直膜面，表示为Δρ⊥=ρ⊥（H）-ρ⊥（0）。通常金属中的磁电阻都很小，在1%-3%左右；而在铁磁

4、／非铁磁／铁磁金属多层膜结构中得到的磁电阻可高达18%—24%,比通常金属的磁电阻大很多，即巨磁阻效应。所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。这种效应是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。在多层膜上GMR效应的特点有三个：（1）MR幅值巨大。（2）负磁电阻效应（3）各向同性的磁电阻效应，即MR与I和H的相对取向无关或基本无关。磁性金属多层膜的巨磁电阻效应与磁场的方向无关，是各向同性的，它仅依赖于相邻铁磁层的磁

5、矩的相对取向，而外磁场的作用不过是改变相邻铁磁层的磁矩的相对取向，这说明电子的输运与电子的自旋散射有关。当铁磁层的磁矩相互平行时，且铁磁材料的磁化方向与电子的自旋方向相同时载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻，电流易通过材料。当铁磁层的磁矩为反平行时，电子的自旋方向与铁磁材料的磁化方向相反时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。在图（a）所示情况下，FM1和FM2表示磁性材料层，NM表示非磁性材料层。磁性材料中的箭头表示磁化方向，且由图可知两个磁性材料的磁化方向相同。电子自旋方向如图所示。当电子的自选方向与磁

6、性材料的磁化方向相反时，有大电阻R1和R2，当电子的自旋方向与磁性材料的磁化方向相同时，有小电阻r1和r2。电流通过两层磁性材料薄膜时，R1和R2相当于串联，得到一个大电阻；r1和r2相当于串联，得到一个小电阻，最后两条支路并联，所以得到较小的电阻。在图（b）所示情况下，FM1和FM2表示磁性材料层，NM表示非磁性材料层。磁性材料中的箭头表示磁化方向，且由图可知两个磁性材料的磁化方向反向平行。电子自旋方向如图所示。当电子的自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反而与第二层磁性材料磁化方向相同时，有大电阻R1，小电阻r2，两

7、者相当于串联，得到一个大电阻。当电子的自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同而与第二层磁性材料磁化方向相反时，有小电阻r1，大电阻R2，两者相当于串联，得一个大电阻。两条支路并联，得到一个大电阻。对于GMR效应机制的量子力学模型的简单介绍：对界面和体散射作统一处理，并且讨论表面粗糙对薄膜电阻的影响，并且假设散射是自旋相关的。可得出多层的电导率和磁电阻。将多层膜内非均匀结构的平移不变的均匀运输性质，用平均自由程加以表征，后者与传导电子格林函数的对角化相关联，而它的位置依赖关系源于格林函数的非对角化部分。将格林函数分成对角和

8、非对角两部分，并且忽略不同格点的干涉项等，求出温度为零时的位置相关的电导率：依据格林函数的对角化部分可以求出平均自由程：然后，再在周期T上对σ（z）求平均值，得到平均电导率σH。在平均自由程远大于或远小于周期T的极限情况下，可以求出磁电阻的表达式：二是巨磁电阻效应的拓展应用（一）计算机中的应用1.计算机硬盘读出磁头硬盘磁头是硬盘技