巨磁电阻效应与自旋电子学 应物81 方小阳 08093007

２００７年诺贝尔物理学奖 法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因发现巨磁电阻效应而荣获2007年诺贝尔物理学奖。据悉，巨磁电阻效应相关技术被用于读取硬盘中数据，这项技术是最近几年硬盘小型化实现过程中的关键。 　　瑞典斯德科尔摩皇家科学院发布的颁奖声明称，阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔1988年各自独立发现了一种全新的物理效应-巨磁电阻效应，即一个微弱的磁场变化可以在巨磁电阻系统中产生很大的电阻变化。该系统非常有助于从硬盘中读取数据，因为机器在读取数据时必须把用磁记录的信息转换成电流。

小硬盘中的大发现——“巨磁电阻”效应 1997年，第一个基于“巨磁电阻”效应的数据读出头问世，并很快引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐 播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了“巨磁电阻”效应，这一技术已然成为新的标准。 　　瑞典皇家科学院的公报介绍说，另外一项发明于上世纪70年代的技术，即制造不同材料的超薄层的技术，使得人们有望制造出只有几个原子厚度的薄层结构。由于数据读出头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在“巨磁电阻”效应依然起作用的尺度范围内，科学家未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。

阿尔贝·费尔1938年3月7日出生于法国的卡尔卡松，已婚并有两个孩子。1962年，费尔在巴黎高等师范学院获数学和物理硕士学位。1970年，费尔从巴黎第十一大学获物理学博士学位。 　　阿尔贝·费尔目前为巴黎第十一大学物理学教授。费尔从1970年到1995年一直在巴黎第十一大学固体物理实验室工作。后任研究小组组长。1995年至今则担任国家科学研究中心-Thales 集团联合物理小组科学主管。1988年，费尔发现巨磁电阻效应，同时他对自旋电子学作出过许多贡献。 　　费尔在获得诺贝尔奖之前已经取得多种奖项，包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖，1997年获欧洲物理协会颁发的欧洲物理学大奖，以及2003年获法国国家科学研究中心金奖。

德国科学家彼得·格林贝格尔1939年5月18日出生。从1959年到1963年，格林贝格尔在法兰克福约翰-沃尔夫冈-歌德大学学习物理，1962年获得中级文凭，1969年在达姆施塔特技术大学获得博士学位。 　　1988年，格林贝格尔在尤利西研究中心研究并发现巨磁电阻效应；1992年被任命为科隆大学兼任教授；2004年在研究中心工作32年后退休，但仍在继续工作。 　　格林贝格尔在学术方面获奖颇丰，包括1994年获美国物理学会颁发的新材料国际奖(与阿尔贝·费尔、帕克林共同获得)；1998年获由德国总统颁发的德国未来奖；2007年获沃尔夫基金奖物理奖(与阿尔贝·费尔共同获得)

什么是巨磁电阻？ 答:在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显变化，这种现象称为磁致电阻效应，也称磁电阻效应(MR) 什么是巨磁电阻？ 答:在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显变化，这种现象称为磁致电阻效应，也称磁电阻效应(MR).目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应可以大致分为:由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻(OMR，ordinaryMR)、与技术磁化相 联系的各向异性磁电阻(AMR，anisotropi。MR)、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻(CMR，ColossalMR)、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻(GMR，giantMR)以及隧道磁电阻(TMR，tunnelMR)等.

“巨磁电阻效应的发现打开了一扇 通向新技术世界的大门――自旋电子学。 这里，将同时利用电子的电荷以及自旋这两个特性。” “巨磁电阻效应的发现打开了一扇 通向新技术世界的大门――自旋电子学。 这里，将同时利用电子的电荷以及自旋这两个特性。”

这是巨磁电阻（GMR）效应的前提 1988年，格伦贝格发现:外磁场下， 反平行→高电阻状态；平行→低电阻。 差别高达10％ 格伦贝格申请了专利。 （专利：将GMR效应用于硬盘磁头）

1988年， 阿尔贝·费尔 发现GMR 铁－铬超晶格： Fe30/Cr9/Fe30/Cr9…… 共40个周期。 也称为周期性多层膜

斯图尔特·帕金（S·S·P·Parkin）的贡献 GMR是普遍现象 （另外20种GMR多层膜） 磁电阻的振荡现象 磁控溅射技术 自旋阀 但是，诺贝尔奖颁奖名单中没有他。

回到三明治！ 狄尼（B.Dieny）和帕金(P·Parkin)等人发明 自旋阀（Spin valve）大大提高磁场灵敏度

二、研究背景及意义 1 自旋电子的发展 88年，磁性多层膜的巨磁电阻效应 92年，颗粒膜的巨磁电阻效应 93年，掺杂氧化物的巨磁电阻效应 94年，磁性随机存储器 95年，自旋电子学-- 一门新兴学科的诞生

94-至今 自旋电子材料的应用 (1) 磁电阻(MR)磁性传感器 (1) MR磁记录读出磁头 (2) MR随机存储器 94-至今 自旋电子材料的应用 (1) 磁电阻(MR)磁性传感器 比半导体和金属合金磁性传感器性能更优 异,稳定性更好. (1) MR磁记录读出磁头 灵敏度高 是实现新型超高密度磁记录的关键技术 (2) MR随机存储器

MR磁记录读出磁头 灵敏度高 是实现新型超高密度磁记录的关键技术

随机存储器 Writing 1 Writing 0 记录单元 1、电容式 go… 2、磁电阻式 go…

缺点：断电时存储的信息容易丢失 半导体随机存储器 介质 介质 电极1 结构图: 记录介质 介质 原理图: 电极2 Write “ 0 ”

磁性随机存储器—— 自旋电子材料一个重要应用 非磁层 磁层1 磁层2 结构: 记录介质 原理: 不同电子自旋排列表示“0”和“1” Write “ 0 ” Write “ 1 ” 优点：断电时存储的信息不丢失

FM(Ni-Fe) (Al-O) NM(Cu(001)) FM(Co(001)) 2 自旋电子材料的重要效应: 自旋相关散射(磁电阻效应) 2 自旋电子材料的重要效应: 自旋相关散射(磁电阻效应) FM(Ni-Fe) (Al-O) NM(Cu(001)) FM(Co(001)) 上下自旋平行时电子容易通过--低电阻态 上下自旋反平行时电子被散射—高电阻态

M.N. Baibich et al., Phys. Rev. Lett. 61, 2472 (1988).

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