什么是巨磁電阻
巨磁阻效應(yīng)(Giant Magnetoresistance,縮寫(xiě):GMR)是一種量子力學(xué)和凝聚體物理學(xué)現(xiàn)象,磁阻效應(yīng)的一種,可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層(幾個(gè)納米厚)結(jié)構(gòu)中觀察到。
巨磁電阻現(xiàn)象
物質(zhì)在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象,稱為“磁阻效應(yīng)”,磁性金屬和合金材料一般都有這種磁電阻現(xiàn)象,通常情況下,物質(zhì)的電阻率在磁場(chǎng)中僅產(chǎn)生輕微的減??;在某種條件下,電阻率減小的幅度相當(dāng)大,比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻值約高10余倍,稱為“巨磁阻效應(yīng)”(GMR);而在很強(qiáng)的磁場(chǎng)中某些絕緣體會(huì)突然變?yōu)閷?dǎo)體,稱為“超巨磁阻效應(yīng)”(CMR)。
如右圖所示,左面和右面的材料結(jié)構(gòu)相同,兩側(cè)是磁性材料薄膜層(藍(lán)色),中間是非磁性材料薄膜層(橘色)。
左面的結(jié)構(gòu)中,兩層磁性材料的磁化方向相同。
當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相同的電子通過(guò)時(shí),電子較容易通過(guò)兩層磁性材料,都呈現(xiàn)小電阻。
當(dāng)一束自旋方向與磁性材料磁化方向都相反的電子通過(guò)時(shí),電子較難通過(guò)兩層磁性材料,都呈現(xiàn)大電阻。這是因?yàn)殡娮拥淖孕较蚺c材料的磁化方向相反,產(chǎn)生散射,通過(guò)的電子數(shù)減少,從而使得電流減小。
右面的結(jié)構(gòu)中,兩層磁性材料的磁化方向相反。
當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相同的電子通過(guò)時(shí),電子較容易通過(guò),呈現(xiàn)小電阻;但較難通過(guò)第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料,呈現(xiàn)大電阻。
當(dāng)一束自旋方向與第一層磁性材料磁化方向相反的電子通過(guò)時(shí),電子較難通過(guò),呈現(xiàn)大電阻;但較容易通過(guò)第二層磁化方向與電子自旋方向相同的磁性材料,呈現(xiàn)小電阻。
巨磁電阻結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)
1、巨磁電阻效應(yīng)來(lái)自于載流電子的不同自旋狀態(tài)與磁場(chǎng)的作用不同,因而導(dǎo)致電阻值的變化。
2、如圖所示,多層GMR 結(jié)構(gòu)中,無(wú)外磁場(chǎng)時(shí),上下兩層鐵磁膜的磁矩是反平行耦合的。在足夠強(qiáng)的外磁場(chǎng)作用下,鐵磁膜的磁矩方向都與外磁場(chǎng)方向一致,外磁場(chǎng)使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。
巨磁電阻的應(yīng)用
巨磁阻效應(yīng)在高密度讀出磁頭、磁存儲(chǔ)元件上有著廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展,當(dāng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的磁區(qū)越來(lái)越小,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)密度越來(lái)越大,這對(duì)讀寫(xiě)磁頭提出更高的要求。巨磁阻物質(zhì)中電流的增大與減小,可以定義為邏輯信號(hào)的0與1,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁性存儲(chǔ)裝置的讀取。巨磁阻物質(zhì)可以將用磁性方法存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),以不同大小的電流輸出,并且即使磁場(chǎng)很小,也能輸出足夠的電流變化,以便識(shí)別數(shù)據(jù),從而大幅度提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的密度。
巨磁阻效應(yīng)被成功地運(yùn)用在硬盤(pán)生產(chǎn)上。1994年,IBM公司研制成功了巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭,將磁盤(pán)記錄密度提高了17倍,從而使得磁盤(pán)在與光盤(pán)的競(jìng)爭(zhēng)中重新回到領(lǐng)先地位。目前,巨磁阻技術(shù)已經(jīng)成為幾乎所有計(jì)算機(jī)、數(shù)碼相機(jī)和MP3播放器等的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。
利用巨磁電阻物質(zhì)在不同的磁化狀態(tài)下具有不同電阻值的特點(diǎn),還可以制成磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM),其優(yōu)點(diǎn)是在不通電的情況下可以繼續(xù)保留存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。
除此之外,巨磁阻效應(yīng)還應(yīng)用于微弱磁場(chǎng)探測(cè)器。