磁电阻效应之巨磁电阻效应研究

崔玉林

[摘要]体积越来越小，容量越来越大——在如今这个信息时代，存储信息的硬盘自然而然被人们寄予了这样的期待。得益于“巨磁电阻”效应这一重大发现，最近20多年来，我们开始能够在笔记本电脑、音乐播放器等所安装的越来越小的硬盘中存储海量信息。

[关键词]磁电阻效应 巨磁电阻效应

中图分类号：O44文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0220010－01

近年来，随着计算机行业的兴起与发展，自旋电子器件技术在信息存储行业初露锋芒并已经获得广泛的应用。现在的大多数笔记本电脑都配置了大容量的硬盘，其每平方英寸硬盘面积上存储的数据之多达到了前所未有的水平。这些器件利用了一种称为巨磁阻(GMR)的磁电阻效应来读密度如此之高的数据。因此，近年来磁电阻效应和磁电阻材料一直是凝聚态物理学和材料科学领域的研究热点。

一、磁电阻效应(Mangetoresistance,MR)

早在19世纪末期，英国科学家汤姆逊发现电子之后，人们就知道电子又一个重要特征，就是每一个电子都携带一定的电量，即基本电荷（E=1.60219×10-19 库仑），到20世纪20年代中期，量子力学的诞生又告诉人们，电子除携带电荷之外还有另一个重要特征，就是自旋。与电荷载流子相比，自旋载流子有两大特点：其一，它可以很容易地由外场控制，其二，自旋载流子具有很长的驰豫时间，而电荷载流子很容易被缺陷或杂质散射而改变其原来的状态。在此背景下，自旋载流子学应运而生，它是一门磁学和微电子学相交叉的新兴学科，其英文名称为Spintronics，是由Spin和Electronics两词合并创造出来的。

磁电阻效应(MR)，就是材料的电阻率在外磁场的作用下发生变化的现象。对于非磁金属，电子在磁场中运动时由于受到洛伦兹力的作用会产生偏转或回旋，因而使得电阻增大。但通常这种变化是微不足道的，而且与电子的自旋基本无关。目前人们所说的磁电阻效应是指在外磁场作用下电阻发生显著变化的行为，其大小一般用以下两式之一来表示：

其中ρ(T,H),ρ(T,0)代表温度为T，磁场分别为H和零时的电阻率。根据磁场下电阻的增加或减小，磁电阻效应分为正磁电阻效应(MR＞0)和负磁电阻效应(MR＜0)。下面主要介绍其中的巨磁电阻(GMR)效应。

二、巨磁电阻效应(Giant Mangetoresistance，GMR)

（一）GMR的发现。1988年，法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔各自独立发现了这一特殊现象：非常弱小的磁性变化就能导致磁性材料发生非常显著的电阻变化。费尔把这种效应命名为巨磁阻效应(Giant Mangetor esistance，GMR)。

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磁头，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。

（二）GMR原理及应用。巨磁电阻效应(GMR)，是指在一个磁电阻系统中，非常弱小的磁性变化就能导致巨大的电阻变化的特殊效应。其显著特征是温度越低，体系的电阻越低，磁电阻效应就越大。它是一种在Fe/Cr/Fe三层膜（铁磁层/非磁层/铁磁层）和Fe/Cr（铁磁层/非磁层）超晶格中观察到的量子力学效应。

我们知道，如果想要制造容量越来越大、体积越来越小的硬盘，必须解决如何将弱小的磁信号变化放大为清晰的电信号的棘手问题。借助“巨磁电阻”效应，人们能够制造出更加灵敏的数据读出头，将越来越弱的磁信号读出来后，利用电阻的巨大变化而转换成为明显的电流变化，使得大容量的小硬盘成为可能。

巨磁阻效应自从被发现以来就被用于开发研制用于硬磁盘的体积小而灵敏的数据读出头(Read Head)。这使得存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使得磁盘的存储能力得到大幅度的提高。第一个商业化生产的数据读取探头是由IBM公司于1997年投放市场的，到目前为止，巨磁阻技术已经成为全世界几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。

后来，GMR效应受到各界的关注并相继投入研究其原理与应用。1994年，第一种利用GMR效应制作的磁场传感器面试。1997年9月，IBM公司推出了用于硬盘驱动器的读磁头，大幅度提高了硬盘的容量。巨磁电阻效应还被应用于计算机中的固定存储器，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。

阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔所发现的巨磁阻效应造就了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。单以读出磁头为例，1994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；1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盘面密度所用的读出头，使得硬盘的容量从4ＧB提升到600ＧB或更高。

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。

（三）GMR现状与展望。目前，巨磁阻效应已经是一种比较成熟的技术了，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著。

在将来，GMR为生产商业化的大容量信息存储器铺平了道路，同时它们也为进一步探索新物理——比如隧穿磁阻效应(TMR:Tunneling Magnetoresistance)、自旋电子学(Spintronics)以及新的传感器技术奠定了基础。正是依靠巨磁阻技术，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。

参考文献：

[1]张芹，《阳离子掺杂的双钙钛矿型氧化物的结构及电磁性质研究》，中国科学院物理研究所，2006.4.

[2]王雅丽，《巨磁阻效应：磁头引发的IT革命》，《中国计算机报》，2007.10.29.

[3]国防科技大学计算机学院研究员，方粮，《磁盘存储技术的发展与挑战》，2007.12.17.