巨磁电阻效应

――GMR模拟传感器的磁电转换特性测量

【实验目的】

1. 掌握GMR效应的定义；

2. 了解GMR效应的原理；

3. 熟悉GMR模拟传感器的构成；

4. 测量GMR磁阻特性曲线。

【实验仪器】

ZKY-JCZ巨磁电阻效应及应用实验仪、基本特性组件、导线

【实验原理】

一、巨磁电阻效应定义及发展过程

1、定义

20xx年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度，法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grunberg)因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得20xx年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。

巨磁阻到底是什么？

诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台19xx年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。

“巨磁电阻”效应（GMR，Giant Magneto Resistance)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。也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。

2、发展过程

人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性

有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W.

Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子

磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程

的，称为直接交换作用。后来发现很多的过渡金属和稀

土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，化合

物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的

磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。直接交

换作用的特征长度为0.1-0.3nm，间接交换作用可以长

达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实

现的尺度，所以19xx年之后，科学家就探索人工微结构 图1（Fe/Cr）n多层膜的GMR效应特性曲线 中的磁性交换作用。

19xx年法国的M.N.Baibich等人在美国物理学会主办的Physical Review Letters 上发表了有关Fe/Cr巨磁电阻效应的著名论文，首次报告了采用分子外延生长工艺（MBE

）制成

Fe(100)/Cr(100)规则型点阵多层膜结构。在这种（Fe/Cr）n结构中，Fe为强铁磁性金属，Cr为反铁磁性金属，n为Fe和Cr的总层数。它是采用MBE工艺将Fe(100)/Cr(100)生长在GaAs

-9芯片上，其工艺条件是，保持MBE室内剩余压力为6.7×10Pa，芯片温度20℃，淀积速率：对

于Fe为0.06nm/s；对于Cr为0.1nm/s。它们每层的厚度约（0.9～9）nm，通常为30层。为获得上述淀积速率，还专门设计了坩埚蒸发器。经实验发现，当Cr的厚度小于（0.9～3）nm 时，它与Fe层之间偶合的一个反向铁磁特性（AF）的磁滞回线斜率逐渐增大。图1 显示了Fe层为3nm，Cr层分别为0.9nm、1.2nm 和1.8nm，磁感应强度B在±2T 范围内，热力学温度T=4.2K，n=30、35、60 时，3个不同样本的特性。随着Cr 厚度的增加和总层数的降低，Δr/r也升高，而且高斯磁场强度B越弱，Δr/r 越高，当B≈2T时，[Fe(3nm)/Cr(0.9nm)]60 膜的Δr/r可达50%以上。实验还发现，即使温度升至室温，B降低了30%Δr/r 也可达到低温值的一半，这一结论具有十分大的实用价值。

就在此前3个月，德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )领导的研究小组采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铬层，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场，发现膜两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。换言之，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁磁层磁矩是反平行的，这个新现象成为巨磁电阻效应出现的前提。格伦贝格尔接下来发现，两个磁矩反平行时对应高电阻状态，平行时对应低电阻状态，两个电阻的差别高达10%。

19xx年IBM公司的斯图尔特·帕金(S. P. Parkin )首次报道了除铁-铬超晶格，还有钴-钌和钴-铬超晶格也具有巨磁电阻效应。并且随着非磁层厚度增加，上述超晶格的磁电阻值振荡下降。在随后的几年，帕金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中，找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系，为GMR材料开辟了广阔的空间，同时帕金采用较普通的磁控溅射技术代替了精密的MBE方法制备薄膜，目前这已经成为工业生产多层膜的标准。

19xx年A.E.Berkowitz和Chien等人首次发现了Fe、Co 与Cu、Ag 分别形成二元合金颗粒膜中的磁电阻效应，在低温下其Δr/r可达（40～60）%。随后陆续出现了Fe-Ag、Fe-Cu、CoxAg1-x/Ag 等颗粒多层膜。

19xx年人们在钙钛矿型稀土锰氧化物中发现了比GMR 更大的磁电阻效应，即Colossal Magneto Resistance（CMR）庞磁电阻效应，开拓了GMR 研究的新领域。

在发现低磁场GMR 效应之后，19xx年C.Tsang等研制出全集成化的GMR 器件――自旋阀。同年，美国的IBM公司研制出利用自旋阀原理的数据读出磁头，它将磁盘记录密度提高了17倍，

22达5Gbit/6.45cm(in)。

二、巨磁电阻效应的原理及应用

巨磁阻效应是一种量子力学和凝聚态物理学现象，磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。

1、巨磁电阻效应的原理

根据导电的微观机理，金属中电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断与处于晶格位置的原子实产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速和随机散射运动的叠加.电子在两次散射之间运动的平均路程称为平均自由程，电子散射几率越小，平均自由程就越长，电阻率就低.欧姆定律R=ρl/S应用于宏观材料时，通常忽略

边界效应，把电阻率ρ视为常数.当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的直径约为0.3nm），电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观测到厚度减小，电阻率增加的现象.电子具有自旋特性，在外磁场中电子自旋磁矩的方向平行或反平行于磁场方 向。在一些铁磁材料中，自旋磁矩与外磁场平行的电子的

散射几率，远小于与外磁场反平行的电子。材料的总电阻

相当于两类电子各自单独存在时的电阻的并联.这个电阻

直接影响材料中的总电流.即材料的总电流是两类自旋电

子电流之和；总电阻是两类自旋电子电流的并联电阻，这

就是两电流模型。

如图2所示，多层GMR结构中，无外磁场时，上下两层 铁磁膜的磁矩是反平行（反铁磁）耦合的——因为这样能图2 多层膜GMR结构图

量最小.在足够强的外磁场作用下，铁磁膜的磁矩方向都

与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。

有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。

①界面上的散射

无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行→反平行或反平行→平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态.有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态.

②铁磁膜内的散射

由于无规则散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行.无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，

在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率

大（反平行）两种过程，两类自旋电子电流的并联电阻

类似于两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态.

有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平

行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，

两类自旋电子电流的并联电阻类似于一个小电阻与一个

大电阻的并联，对应于低电阻状态。 图3是一种GMR材料的磁阻特性。由图中正向磁场方

图3 磁阻特性曲线 向可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小（图中实线），

其间有一段线性区域，当外磁场已使两铁磁膜磁场方向完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，达到磁饱和状态；从磁饱和状态开始减小磁场，（图中虚线）.两条曲线不重合是因为铁磁材料具有的磁滞特性.加反向磁场与加正向磁场时的磁阻特性是对称的。

2、巨磁电阻效应的应用

众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区。

磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特（bit）信息，即0或1。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。当磁头“扫描”过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有信息的原始译码。

伴随着信息数字化的大潮，人们开始寻求不断缩小硬盘体积同时提高硬盘容量的技术。19xx年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了“巨磁电阻”效应，也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应。

这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题：当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻”效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。

最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。然而，随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种磁头，磁致电阻的变化仅为1％～2％之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆位。硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。

19xx年，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的“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阻效应，这一技术已然成为新的标准。

图4 硬盘读写原理示意图

单以读出磁头为例，19xx年，IBM公司研制成功了巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度提高了17倍。19xx年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，创下了世界记录。硬盘的容量从4ＧB提升到了600ＧB或更高。

目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高到560亿位/

平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。随着低电阻高信号的TMR的获得，存储密度达到了1000亿位/平方英寸。

20xx年9月13日，全球最大的硬盘厂商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球最多数字视频录像机（DVR）及家庭媒体中心采用的第四代DB35系列硬盘，现已达到1TB（1000GB）容量，足以收录多达200小时的高清电视内容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存储密度在最近几年内每年的增长速度达到3～4倍。由于磁头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在巨磁阻效应依然起作用的尺度范围内，未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。

除读出磁头外，巨磁阻效应同样可应用于测量位移、角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器中，与光电等传感器相比，具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣的工作条件等优点。目前，我国国内也已具备了巨磁阻基础研究和器件研制的良好基础。中国科学院物理研究所及北京大学等高校在巨磁阻多层膜、巨磁阻颗粒膜及巨磁阻氧化物方面都有深入的研究。中国科学院计算技术研究所在磁膜随机存储器、薄膜磁头、MIG磁头的研制方面成果显着。北京科技大学在原子和纳米尺度上对低维材料的微结构表征的研究及对大磁矩膜的研究均有较高水平。

三、GMR模拟传感器及其磁阻特性的测量原理

1、GMR模拟传感器构成和工作原理

在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构，图5是某型号传感器的结构。

图5 GMR模拟传感器结构图

对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。图5中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3、R4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，将电阻R1、R2 直接面对外磁场使其阻值随外磁场变化而改变；屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高磁导率将磁感应线聚集在R1、R2电阻所在的空间，进一步提高了R1、R2 的磁灵敏度，如图5(a)所示.设桥式电路对应端的输入电压为UIN，另一对应端输出电压为UOUT，无外磁场时四个GMR的阻值均为R，当外磁场改变时电阻R1、R2 的阻值在外磁场作用下减小ΔR，简单分析表明，输出电压： UOUT??R?UIN 2R??R（1） 由上式可以得到GMR模拟传感器的磁电转换特性，从而对有关物理量进行测量。另外从图5(a)的几何结构还可知道，GMR被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻到K?数量级，使其在较小的工作电流得到合适的电压输出。

由公式也可以看出GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，且灵敏

度高于其它磁传感器，可以方便的将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。

2、GMR磁阻特性的测量原理

在GMR模拟传感器的磁阻特性测量时，将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁电阻测量”。此时被屏蔽的两个电桥电阻R3、R4被短路，而R1、R2并联，如图6所示。将电流表串连进电路中，测量不同磁场时回路中电流的大小，就可以计算磁阻。

【实验仪器介绍】

图7所示为巨磁电阻效应实验系统的实验仪器面板图。

区域1――电流表部分：作为一个独立的电流表使用。

两个档位：2mA档和200mA档，可通过电流量切换开关选

择合适的电流档位测量电流。

区域2――电压表部分：作为一个独立的电压表使用。

两个档位：2V档和200mV档，可通过电流量切换开关选

择合适的电压档位。

区域3――恒流源部分：可调节恒流源。

实验仪还提供GMR模拟传感器工作所需的4V电源和运算

放大器工作所需的±8V电源。

图7 巨磁电阻效应实验系统

的实验仪器面板

图8输入输出插孔。

【实验内容及步骤】

1、将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，同时功能切换开关切换为“巨磁电阻测量”。

2、连接电路。实验仪“4V电压源”串连电流表后接基本特性组件“巨磁电阻供电”，实验

仪“恒流源”接基本特性组件“螺线管电流输入”。

3、在检查电路连接无误后，打开实验背面电源开关。

4、电流表档位选择“200mA”，恒流源档位选择“200mA”。然后调整“恒流调节”旋钮至电流表示数为100mA。等2至3分钟开始测量。

5、调节“恒流调节”旋钮，使励磁电流逐渐从100mA减少到0mA，相应电流表读数记入表格中的“减小磁场”栏；交换恒流输出接线的极性后，此时电流已经反向（对应表格中电流为负值的情况），从0mA调到100mA，数据仍记录于表格中的“减小磁场”栏。(从100mA到-100mA)

6、在上一步测量结束后，调节“恒流调节”旋钮，励磁电流从100mA调到0mA（相对第5步，由于没有交换恒流输出接线的极性，因此对应于表格中电流为负值的情况）数据记入表格中的“增大磁场”栏；交换恒流输出接线的极性后，此时电流已经反向（相对于第5步，对应于表格中电流为正值的情况），从0mA调到100mA，数据仍记录于表格中的“增大磁场”栏。 (从-100mA到100mA)

7、利用公式B??0nI（?0?4??10?7H/m）计算磁感应强度B；利用欧姆定律R?UI计算磁阻，填到表格中。以磁感应强度B为横坐标，以磁阻为纵坐标作磁阻特性曲线，并对曲线进行分析，写出实验结论。 【数据记录及处理】

1、打开实验仪电源开关前一定要确保线路连接正确。

2、测量数据前仪器预热2至3分钟。

3、由于磁滞效应的影响，励磁电流调节过程中只能沿一个方向调节。

4、移动特性组件时要小心，以免损坏巨磁电阻和下方的电子器件。

【思考题】

1、GMR模拟传感器如何实现对其磁阻的测量？

2、随着外加磁声的增大，GMR的磁阻如何变化。