巨磁电阻效应.doc

巨磁电阻效应——2007年诺贝尔物理学奖简介瑞典皇家科学院宣布，法国科学家阿尔伯特·费尔和德国科学家彼得·格鲁伯格共同获得2007年诺贝尔物理学奖.获奖的原因是这两位科学家先后独立发现了“巨磁电阻”（GMR）效应.这个发现引发的技术进步极大地提高了计算机硬盘磁头的数据读取能力，使硬盘无论从容量还是体积上都产生了质的飞越.这个发现还导致了新一代磁传感器的出现，而且巨磁电阻被认为是纳米技术最重要的应用之一.1磁致电阻的发现及应用磁电阻是一种铁、钴、镍等铁磁体置于外磁场中其电阻发生变化的物理现象.铁磁体的这个性质与电流方向和外加磁场方向有密切关系.150年前英国物理学家W.汤姆孙(开尔文勋爵)测量了铁和镍在外加磁场中的磁电阻效应.他写道：“我发现将铁置于磁场中，当电流方向与磁场方向一致时导体的电阻增大，而磁场方向与电流方向垂直时电阻减小.”这一现象被称为磁电阻各向异性(AMR)，现在人们知道这是由电子自旋引起的.磁致电阻技术在应用于硬盘磁头后成为一项重要的实用技术，在20世纪80年代，广泛用于制造磁头的材料是坡莫合金.随着计算机的不断发展，对数据存贮量的要求不断加大.人们迫切需要提高硬盘的存贮密度，但是如果大幅度提高硬盘的数据密度，磁单元就要做得非常小，每个单元的磁场强度就会变得很低.通常情况下，磁致电阻的改变是非常微小的，仅有不到一个百分点的变化，在当时科学家们认为想要提高基于MR技术磁头的效能非常困难.如何提高磁致电阻效能成为当时制约硬盘数据密度进一步扩大的瓶颈技术.2巨磁电阻现象及其基本原理1988年，两个独立的研究小组意外地发现了非常巨大的磁电阻效应，即后来被命名的巨磁电阻效应.他们在实验中应用了一种叫做多层磁膜的材料，这种材料是由厚度仅为几个原子的铁磁纳米材料薄膜与非磁性金属纳米膜层叠而成.如图1格鲁伯格小组磁膜的结构是铁-铬-铁三明治式结构，而费尔小组的磁膜则是由多达60层的铁-铬层构成。如图2所示。在两个小组最初发表的论文中，不仅测量了这种巨大的磁致电阻变化，而且都认定这是一种区别于原有磁致电阻的全新的物理现象.在费尔论文的标题中还引入了巨磁电阻这个词（GiantMagnetoresistance），他在论文中指出了这个新物理现象的巨大应用前景.格鲁伯格也认识到了这个发现带来的巨大技术潜力，他在发表论文的同时为这个成果申请了专利.从那时起，磁膜研究的方向全部转向了磁电子学.3巨磁电阻效应引发的技术革命和自旋电子学的发展费尔和格鲁伯格的系统因为昂贵和复杂仅适用于实验室研究；在GMR的工业产品化进程中一位在美国工作的英国人起了重要作用.他的名字叫斯图亚特·帕金，他发现应用相对简单的阴极镀膜方法构造的GMR系统依然可以很好地工作，而不必构造完美的纳米膜.应用这种技术，在1997年第一块GMR硬盘问世，之后GMR磁头迅速成为硬盘生产的工业标准.巨磁电阻的发现，打开了一扇通向极具价值的科技领域的大门，其中包括数据存贮和磁传感器.如今全世界有数以千计的科学家正致力于磁电子学及其应用的研究.巨磁电阻的发现再次向人们揭示，完全偶然的发现可以带来全新的技术和商业产品应用.发现巨磁电阻效应不仅为硬盘生产带来了一场革命，而且对这个效应的深入研究导致一个新的领域——自旋电子学（spintronics）的产生，在自旋电子学领域中，原来分开的电子学和磁学重新走到一起，并在纳米尺度的微电子世界中占据主导地位.4磁致电阻现象的进一步发展和展望目前巨磁电阻技术已经是一种非常成熟的技术，在它之后人们又相继发现了隧穿磁电阻（tunnelingmagnetoresistance，TMR）和庞磁电阻（colossalmagnetoresistance，CMR）.TMR系统中，用绝缘层取代了GMR系统中的非磁性金属层，电子以量子穿隧的方式通过系统，在这个系统中电阻的变化可达到200%.该系统又被称为磁隧穿结，由于它的良好电子特性，它被应用于磁随机存贮器（MRAM），这种存贮器像硬盘一样，断电后可以保留数据，但速度又能接近于普通的内存，现在基于TMR的MRAM器件得到了广泛地应用.庞磁电阻，是在金属氧化物（陶瓷）材料中发现的一种新现象，这种材料置于磁场中时，它的电阻变化要比GMR高几个数量级.它的发现让全世界都为之震惊，它具有很多非常新奇的性质，其工作原理目前还在研究之中，科学家们认为，电子相关性在其中起重要作用.20世纪70年代纳米技术的进步是发现巨磁电阻的必要条件，如果没有纳米尺度的制膜技术，就不可能发现巨磁电阻效应.纳米级的薄膜，其厚度仅有数个原子，在纳米尺度下，材料的性质会与宏观尺度下有极大的不同.不仅仅是磁性质、电性质、光学性质、化学性质，材料强度都会有很大区别.因此在这个意义上，巨磁电阻的发现也被认为是纳米技术最早的重要应用.可以认为，GMR不仅仅引发