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巨磁阻效应及其在自旋电子学方面的应用
郭瑞瑞 SA08002033 物理系
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。对于传统的铁磁导体,如Fe 、Co 、Ni 及其合金等,在大多数情况下,磁电阻效应很小(约3% 或更低)。而巨磁阻效应(giant magnetoresistance ,GMR) ,是指在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中,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. 其值较Fe 、Ni 合金各向异性磁电阻效应约大一个数量级。巨磁阻效应现在已经成为凝聚态物理五大热点之一，2007年物理学诺贝尔奖就授予了发现巨磁阻效应得法国科学家阿尔贝.菲尔和德国科学家彼得.格林贝格尔[1]。
W.Thom son 在1857年首先发现了铁磁多晶体的各项异性磁效应(AMR, Anisotrop ic Magnetoresistance)。1988 年,法国巴黎大学的菲特教授领导的课题组和德国尤利希研究中心的格林伯格教授的课题组几乎同时独立发现了巨磁电阻效应(GMR) [2] [3] 。20世纪90年代，人们在Fe/Cu,Fe/Al,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。1993年，德国西门子公司的Helmolt等人在La2/3Ba1/3MnO3薄膜中观察到了60%的巨磁电阻效应，随后在La2/3Ca1/3MnO3 中观察到了105%的巨磁阻效应。1995年熊光成等人在美国Maryland大学发现钙钛矿型锰氧化物Nd0.7Sr0.3MnO3在77K，8 T 时GMR达到了创纪录的106%。近来在许多其他物理系统中也发现了更大的磁电阻效应及有关的物理现象, 颗粒膜磁电阻效应、隧道磁电阻效应( Tunneling Magnetoresistance , TMR) 以及锰钙钛
矿化合物的庞磁电阻效应( Colossal Magnetore resistance ,CMR) 相继被发现或取得重大的进展。
最近20年来,在新现象、新材料和器件、新技术应用等方面都出现了若干突破性的进
展,并形成新的学科:磁电子学。 随着微电子、光电子技术的迅速发展和工艺成熟,促进了新一代微型磁敏器件的发展.磁阻材料在高密度读出磁头磁传感器、微弱磁场测量、各类运动的检测等领域有着宽广的应用,从而成为国际上引人瞩目的研究领域. 磁电阻传感器以其特有的优点,广泛应用在磁场测量、数据存储、汽车电子和工业控制的各个领域。而作为巨磁阻电阻效应的最新应用，自旋电子器件将带来许多新的发展。
在半导体工业迅速发展的今天，人们发现现在几乎所有的电子产品都只利用了电子的电荷来传输能量和信息。 作为电子内禀性质的自旋, 除了材料磁性和简单的能级简并外, 几乎被完全忽略。这使人们在探索未来半导体工业发展时有了新的契机和可能的研究方向。
自旋电子学旨在利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础, 研发新一代电子产品.在日常的家用电器中导电电子的自旋取向是无规的: 50%电子自旋向上, 50%电子自旋向下. 换句话说, 电子的自旋完全没有起作用.超薄多层磁性金属薄膜中巨磁阻效应(GMR)的发现, 标志着一个新时代的开始。
通常金属都有磁阻效应,当磁场加到金属样品上时, 因为洛伦兹力的作用或霍尔效应会改变电流的运动方向, 从而引起样品电阻发生改变. 当电子开始绕磁场转动时,若没有散射, 它对电流没有贡献; 当散射发生后,由于电场产生的初始速度会影响下一个回旋轨道.弛豫时间越长(低电阻) ,磁场作用在电阻上的效应就越大, 通常的磁阻率Δρ/ρ∝ (H /ρ) 2 (ρ为电阻, H为磁场)。 一般的金属像铁( Fe)和钴(Co)的磁阻率分别可达到0. 8%和3. 0%.巨磁阻效应并不依赖于电流相对于磁化强度的方向, 而是取决于邻近铁磁层磁化强度的相对方
向。一个最重要的特征是,当中间隔离层的厚度大于电子的平均自由程(约10 nm)后, 巨磁阻效应就消失了。这表明相邻铁磁层决定了自旋散射机制。由于磁性和非磁性膜的厚度在电子的平均自由程内,当磁性层中磁化强度平行时,会增加电子的平均自由程,反平行时,会减弱电子的平均自由程,这就导致了巨磁阻效应。后来还发现了磁阻率更高的隧穿磁阻效应(TMR) 。这些效应已广泛应用于磁感应器等商业产品中。

作为一种新的实用化器件自旋电子学器件必须具有以下特性: (1)它依赖于自旋极化的载流子或电子自旋；(2)运动的自旋可有效地输运和穿透界面；(3)所有的电子自旋可保留足够长的时间以致能完成所需的物理操作。近十几年来，金属的自旋电子学器件得到了快速发展和广泛应用。自旋流在金属铝和铂中的成功测量,标志着自旋流有可能首先在金属自旋电子器件中得到应用。这对于发展新的自旋电子器件具有至关重要的作用。所以以自旋流为目标的巨磁阻效应器件具有很高的研究价值，可以作为一个有价值的研究题目。

参考文献
[1] Sarah M Thompson. The discovery , development andfuture of GMR : The Nobel Prize 2007 [J ] . J . Phys.D : Appl. Phys. 2008 ,41 (9) :0930012093020.
[2] Baibich M N, Broto J M, Fert A, Nguyen van Dau F, Petroff F,Eitenne P, Creuzet A, Friederich A and Chazeles J 1988 Phys. Rev. Lett. 61 2472
[3] Binasch G, Gr¨unberg P, Saurenbach F and Zinn W 1989 Phys.Rev. B 39 4828