“巨磁電阻”效應(yīng)

1、“巨磁電阻”效應(yīng)“巨磁電阻”效應(yīng)什么是磁性？物質(zhì)在非均勻磁場中受到作用。磁性是物質(zhì)的基本屬性之一。磁性的應(yīng)用，特別在近一百多年中，已經(jīng)深入到人類生活、生產(chǎn)等各個(gè)方面。在科學(xué)研究中，磁性不僅作為內(nèi)容，也作為手段。自旋電子學(xué)是二十一世紀(jì)初最為科技界關(guān)注和最有前途的研究方向之一。磁性物理課主要介紹凝聚態(tài)物質(zhì)各種磁性的形成機(jī)理及宏觀表現(xiàn)，磁有序的各種理論，外磁場作用下磁性物質(zhì)內(nèi)部的相互作用過程以及磁性應(yīng)用的相關(guān)問題。該課程為本科生應(yīng)用物理專業(yè)固體物理課之后的選修專業(yè)課，授課52學(xué)時(shí)，計(jì)3個(gè)學(xué)分。磁性物理學(xué)磁性物理學(xué)課程簡介課程簡介 “巨磁電阻”效應(yīng)幾乎遍及人類生產(chǎn)、幾乎遍及人類生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。生

2、活的各個(gè)領(lǐng)域。磁性的應(yīng)用磁性的應(yīng)用“巨磁電阻”效應(yīng)揚(yáng)聲器；小型電機(jī)；磁帶；磁頭；磁密封圈；天線；偏轉(zhuǎn)磁芯等。見章綜書見章綜書P154磁性在家用電器中的應(yīng)用磁性在家用電器中的應(yīng)用“巨磁電阻”效應(yīng)現(xiàn)代汽車需要使用幾十現(xiàn)代汽車需要使用幾十個(gè)小型永磁電動(dòng)機(jī)和其個(gè)小型永磁電動(dòng)機(jī)和其它磁控機(jī)械元件。它磁控機(jī)械元件。The number of magnets in the family car has increased from one in the 1950s to over thirty today. “巨磁電阻”效應(yīng)宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的最早重要應(yīng)用之一最早

3、重要應(yīng)用之一-磁性液體磁性液體“巨磁電阻”效應(yīng) 磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統(tǒng)電冰箱磁冰箱很可能在某一天取代您廚房中的傳統(tǒng)電冰箱 June 23, 2004June 23, 2004“巨磁電阻”效應(yīng) 沒有磁的應(yīng)用，現(xiàn)代文明是不可想像的沒有磁的應(yīng)用，現(xiàn)代文明是不可想像的。 了解物質(zhì)磁性，已經(jīng)成為我們從事現(xiàn)代生產(chǎn)，了解物質(zhì)磁性，已經(jīng)成為我們從事現(xiàn)代生產(chǎn)，熟悉現(xiàn)代生活的必要準(zhǔn)備，更是我們可以選擇的熟悉現(xiàn)代生活的必要準(zhǔn)備，更是我們可以選擇的研究方向。研究方向。 Modern Magnetic Materials: Principles and Applications OHandley 200

4、0年在他的書中寫道：美國來自硅谷的磁性元件產(chǎn)值，已經(jīng)大于在那里制造的半導(dǎo)體元件產(chǎn)值，這是磁性元件在信息工業(yè)中地位迅速提高的最好說明。“巨磁電阻”效應(yīng)Global market for magnetic materials the total in 1999 was about 30b$.全球市場：全球市場：300億美元億美元“巨磁電阻”效應(yīng)20世紀(jì)世紀(jì)8090年代是磁年代是磁性材料發(fā)展史上輝煌的性材料發(fā)展史上輝煌的一頁：一頁：(3d-4f)稀土磁性稀土磁性材料；非晶，納米晶磁材料；非晶，納米晶磁性材料；磁電子材料等性材料；磁電子材料等橫空出世，開創(chuàng)了磁性橫空出世，開創(chuàng)了磁性材料新紀(jì)元。材料新紀(jì)

5、元。1984年 NdFeB稀土永磁材料的發(fā)現(xiàn) Sagawa(佐川) 1984年德國的教授等合成了納米晶體Pd, Fe等。1988年由非晶態(tài)FeSiB退火通過摻雜Cu和Nb控制晶粒成為新型的納米晶軟磁材料 1986年 Grunberg 發(fā)現(xiàn)Fe/Cr/Fe 三明治結(jié)構(gòu)中Cr適當(dāng)厚度產(chǎn)生反鐵磁耦合。 1988年 Baibich、Fert等發(fā)現(xiàn)(Fe/Cr)多層膜的巨磁電阻效應(yīng)。 1994年 Jin等在LaCaMnO3中發(fā)現(xiàn)了龐磁電阻（CMR）效應(yīng)。 1995年 發(fā)現(xiàn)隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)1993年 理論表明納米級的軟磁和硬磁顆粒復(fù)合將綜合軟磁 Ms 高，硬磁 Hc 高的優(yōu)點(diǎn)獲得磁能級比現(xiàn)有最好N

6、dFeB高一倍的新型納米硬磁材料。20 世紀(jì)世紀(jì)8090年代磁學(xué)的重大發(fā)展年代磁學(xué)的重大發(fā)展“巨磁電阻”效應(yīng) 納米軟磁以最小的損耗實(shí)現(xiàn)高磁通量的轉(zhuǎn)換，大大節(jié)約了能源。 NdFeB永磁材料比傳統(tǒng)的AlNiCo永磁材料存儲(chǔ)能量提高20倍以上，使用該材料制成的器件重量只有用傳統(tǒng)材料同樣功率器件的二十分之一。 磁記錄密度的提高，磁頭靈敏度的提高，大大減小了磁硬盤的體積，直接推動(dòng)了計(jì)算機(jī)體積的減小，計(jì)算速度的提高以及容量的加大。磁性材料的進(jìn)步對社會(huì)生產(chǎn)的巨大推動(dòng)磁性材料的進(jìn)步對社會(huì)生產(chǎn)的巨大推動(dòng)“巨磁電阻”效應(yīng)第一，二代稀土永磁 (19671975)第三代稀土永磁 (1984)第一代SmCo5 (60年

7、代）；第二代Sm2Co17 (70年代）；第三代 Nd2Fe14B(80年代）；第四代稀土永磁？第四代稀土永磁？“巨磁電阻”效應(yīng)“巨磁電阻”效應(yīng) IBM91年研發(fā)，94年推出AMR讀出頭。在1998年推出采用自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR讀出頭，輕易突破10 Gbits/in2。 日立宣布將采用CPP-GMR技術(shù)在2010年實(shí)現(xiàn)1 Tbits/in2。硬盤讀出頭的發(fā)展硬盤讀出頭的發(fā)展“巨磁電阻”效應(yīng) 電子時(shí)代的瓶頸 尺度限制：原子極限？量子漲落：測不準(zhǔn)原理。 解決途徑：利用電子的自旋屬性 自旋電子學(xué)，其目標(biāo)是利用電子的自旋屬性，而不僅是電荷屬性，帶來電子技術(shù)領(lǐng)域的革命。 先決條件 自旋極化： 自旋相關(guān)散射

8、： 自旋馳豫：達(dá)到微米級。作為對比，動(dòng)量馳豫是納米級。CoNi80Fe20Fe(nm)5.54.61.5(nm)0.60.62.10NNNNP自旋電子學(xué)時(shí)代自旋電子學(xué)時(shí)代“巨磁電阻”效應(yīng)“巨磁電阻”效應(yīng)19751980198519901995200020050246810%年 份 B（19752005）年“Magnetic materials”SCI論文百分?jǐn)?shù)據(jù)Web of Science檢索（19752005）年間，共發(fā)表”Magnetic materials”論文3874篇，分布如圖，“Magnetism” 論文12813篇。370篇“巨磁電阻”效應(yīng)各種磁效應(yīng)示意圖各種磁效應(yīng)示意圖“巨磁電

9、阻”效應(yīng)（李書p6)磁性關(guān)聯(lián)的眾多邊緣學(xué)科磁性關(guān)聯(lián)的眾多邊緣學(xué)科“巨磁電阻”效應(yīng)1 磁學(xué)基礎(chǔ)知識 （6學(xué)時(shí)）2 抗磁性和順磁性 （68學(xué)時(shí)） 3 自發(fā)磁化理論 （1216學(xué)時(shí)）4 磁疇結(jié)構(gòu) （68學(xué)時(shí)）5 技術(shù)磁化理論 （812學(xué)時(shí)）6 磁學(xué)專題 （8學(xué)時(shí)）磁性物理教學(xué)計(jì)劃磁性物理教學(xué)計(jì)劃“巨磁電阻”效應(yīng)1 姜壽亭 李 衛(wèi) 編著 凝聚態(tài)磁性物理凝聚態(tài)磁性物理 科學(xué)出版社 20032 奧漢德利 著 現(xiàn)代磁性材料原理和應(yīng)用現(xiàn)代磁性材料原理和應(yīng)用 英文版2000；化學(xué)工業(yè)出版社 20023 戴道生等編著 鐵磁學(xué)鐵磁學(xué)（上，中，下）科學(xué)出版社 19874 宛德福 馬興隆 編著 磁性物理學(xué)磁性物理學(xué) 電

10、子工業(yè)出版社 19995 李國棟 編著 當(dāng)代磁學(xué)當(dāng)代磁學(xué) 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社 19996 章 綜、李國棟 編著 我們生活在磁的世界里我們生活在磁的世界里 清華大學(xué)出版社 2000主要參考書主要參考書“巨磁電阻”效應(yīng) 在講授具體知識的同時(shí)，更加注意介紹磁性物理的研究方法，特別是成功先驅(qū)者的思路。 和基礎(chǔ)課相比，很多理論尚不夠成熟，要以批判的態(tài)度接受，特別要注意每種理論的基本假定、適用范圍和與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較情況，發(fā)現(xiàn)存在問題，培育創(chuàng)新意識。 凝聚態(tài)磁性物理是我們主要參考教材 ，課件依據(jù)課程要求和聽課同學(xué)的基礎(chǔ)，做了內(nèi)容上的選擇和調(diào)整，但只是提綱，聽課并閱讀教材相關(guān)章節(jié)才能深入學(xué)好本課程。 獨(dú)立

11、完成課堂作業(yè)，寫好讀書報(bào)告是加深理解的重要步驟。平時(shí)考察會(huì)在學(xué)習(xí)成績評定上占有重要地位。 教學(xué)特點(diǎn)教學(xué)特點(diǎn)“巨磁電阻”效應(yīng)所謂所謂“巨磁電阻巨磁電阻”效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在效應(yīng)，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時(shí)較之無外磁場作用時(shí)存在巨大變化有外磁場作用時(shí)較之無外磁場作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。根據(jù)這一效應(yīng)開發(fā)的小型大容量計(jì)算機(jī)硬的現(xiàn)象。根據(jù)這一效應(yīng)開發(fā)的小型大容量計(jì)算機(jī)硬盤已得到廣泛應(yīng)用。盤已得到廣泛應(yīng)用。 新聞新聞： 瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)今天宣布，將瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)今天宣布，將2007年度諾貝爾物理獎(jiǎng)授予法國科學(xué)家艾爾伯年度諾貝爾物理獎(jiǎng)授予法國科學(xué)家艾爾伯-費(fèi)費(fèi)爾

12、和德國科學(xué)家皮特爾和德國科學(xué)家皮特-克魯伯格，以表彰他們發(fā)現(xiàn)克魯伯格，以表彰他們發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)的貢獻(xiàn)。（）巨磁電阻效應(yīng)的貢獻(xiàn)。（） 這是對巨磁電阻發(fā)現(xiàn)及其近這是對巨磁電阻發(fā)現(xiàn)及其近20年來得到了廣泛年來得到了廣泛應(yīng)用的充分肯定。應(yīng)用的充分肯定?！熬薮烹娮琛毙?yīng) 瑞典斯德科爾摩皇家科學(xué)院發(fā)布的頒獎(jiǎng)聲明稱，艾爾伯-費(fèi)爾和皮特-克魯伯格1988年各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了一種全新的物理年各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了一種全新的物理效應(yīng)效應(yīng)-巨磁電阻效應(yīng)，即一個(gè)微弱的磁場變化可以在巨磁電阻巨磁電阻效應(yīng)，即一個(gè)微弱的磁場變化可以在巨磁電阻系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的電阻變化。系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的電阻變化。該系統(tǒng)非常有助于從硬盤中讀取數(shù)據(jù)，因?yàn)闄C(jī)

13、器在讀取數(shù)據(jù)時(shí)必須把用磁記錄的信息轉(zhuǎn)換成電流。隨著這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)公布，一些研究者和工程師開始在制作讀取頭中加以應(yīng)用，1997年首個(gè)應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)的讀取頭研制年首個(gè)應(yīng)用巨磁電阻效應(yīng)的讀取頭研制成功，很快成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，即便今天最新的讀取技術(shù)也均由成功，很快成為標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，即便今天最新的讀取技術(shù)也均由巨磁電阻效應(yīng)發(fā)展而來。巨磁電阻效應(yīng)發(fā)展而來。 眾所周知，硬盤能夠存儲(chǔ)包括音樂在內(nèi)的信息，這些信息被存在微小的磁化區(qū)，信息則通過記錄磁場變化的讀取器取出。硬盤越小，各個(gè)磁化區(qū)的面積也越小，磁化的程度也越弱。因此如果欲在一張硬盤中存儲(chǔ)更多信息，就需要更為靈敏的讀取器。基于巨磁電阻效應(yīng)原理制成的讀取器，可以將細(xì)小的

14、磁基于巨磁電阻效應(yīng)原理制成的讀取器，可以將細(xì)小的磁場變化轉(zhuǎn)換成不同的電阻，使讀取器產(chǎn)生不同的電流，而電場變化轉(zhuǎn)換成不同的電阻，使讀取器產(chǎn)生不同的電流，而電流是讀取器的信號。流是讀取器的信號。“巨磁電阻”效應(yīng) M.Baibich ,J.Broto, A.Fert .等9人: Phys.Rev.Letter 61,2472(1988)Grunberg Phys.Rev.Letter 57,2442(1986)“巨磁電阻”效應(yīng)艾爾伯艾爾伯-費(fèi)爾費(fèi)爾1938年年3月月7日出生于法國的卡爾卡松，已婚日出生于法國的卡爾卡松，已婚并有兩個(gè)孩子。并有兩個(gè)孩子。1962年，費(fèi)爾在巴黎高等師范學(xué)院獲數(shù)學(xué)和年，費(fèi)爾

15、在巴黎高等師范學(xué)院獲數(shù)學(xué)和物理碩士學(xué)位。物理碩士學(xué)位。1970年，費(fèi)爾從巴黎第十一大學(xué)獲物理學(xué)博年，費(fèi)爾從巴黎第十一大學(xué)獲物理學(xué)博士學(xué)位。士學(xué)位。2004年當(dāng)選法國科學(xué)院院士。年當(dāng)選法國科學(xué)院院士。 艾爾伯艾爾伯-費(fèi)爾目前為巴黎第十一大學(xué)物理學(xué)教授。費(fèi)爾從費(fèi)爾目前為巴黎第十一大學(xué)物理學(xué)教授。費(fèi)爾從1970年到年到1995年一直在巴黎第十一大學(xué)固體物理實(shí)驗(yàn)室工作。年一直在巴黎第十一大學(xué)固體物理實(shí)驗(yàn)室工作。后任研究小組組長。后任研究小組組長。1995年至今則擔(dān)任國家科學(xué)研究中心年至今則擔(dān)任國家科學(xué)研究中心-Thales 集團(tuán)聯(lián)合物理小組科學(xué)主管。集團(tuán)聯(lián)合物理小組科學(xué)主管。1988年，費(fèi)爾發(fā)現(xiàn)巨磁年

16、，費(fèi)爾發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)，同時(shí)他對自旋電子學(xué)作出過許多貢獻(xiàn)。電阻效應(yīng)，同時(shí)他對自旋電子學(xué)作出過許多貢獻(xiàn)。費(fèi)爾在獲得諾貝爾獎(jiǎng)之前已經(jīng)取得多種獎(jiǎng)項(xiàng)，包括費(fèi)爾在獲得諾貝爾獎(jiǎng)之前已經(jīng)取得多種獎(jiǎng)項(xiàng)，包括1994年獲美國物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的新材料國際獎(jiǎng)，年獲美國物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的新材料國際獎(jiǎng)，1997年獲歐洲物理年獲歐洲物理協(xié)會(huì)頒發(fā)的歐洲物理學(xué)大獎(jiǎng)，以及協(xié)會(huì)頒發(fā)的歐洲物理學(xué)大獎(jiǎng)，以及2003年獲法國國家科學(xué)研年獲法國國家科學(xué)研究中心金獎(jiǎng)。究中心金獎(jiǎng)。(關(guān)新關(guān)新)“巨磁電阻”效應(yīng)德國科學(xué)家皮特德國科學(xué)家皮特-克魯伯格克魯伯格1939年年5月月18日出生。從日出生。從1959年年到到1963年，克魯伯格在法蘭克福約翰年，

17、克魯伯格在法蘭克福約翰-沃爾夫?qū)譅柗驅(qū)?歌德大學(xué)學(xué)習(xí)歌德大學(xué)學(xué)習(xí)物理，物理，1962年獲得中級文憑，年獲得中級文憑，1969年在達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)獲年在達(dá)姆施塔特技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位。得博士學(xué)位。1988年，克魯伯格在尤利西研究中心研究并發(fā)現(xiàn)巨磁電阻年，克魯伯格在尤利西研究中心研究并發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)；效應(yīng)；1992年被任命為科隆大學(xué)兼任教授；年被任命為科隆大學(xué)兼任教授；2004年在研究中心年在研究中心工作工作32年后退休，但仍在繼續(xù)工作。年后退休，但仍在繼續(xù)工作。克魯伯格在學(xué)術(shù)方面獲獎(jiǎng)?lì)H豐，包括克魯伯格在學(xué)術(shù)方面獲獎(jiǎng)?lì)H豐，包括1994年獲美國物理學(xué)年獲美國物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的新材料國際獎(jiǎng)會(huì)頒發(fā)的新

18、材料國際獎(jiǎng)(與艾爾伯與艾爾伯-費(fèi)爾、帕克林共同獲得費(fèi)爾、帕克林共同獲得)；1998年獲由德國總統(tǒng)頒發(fā)的德國未來獎(jiǎng)；年獲由德國總統(tǒng)頒發(fā)的德國未來獎(jiǎng)；2007年獲沃爾夫基金年獲沃爾夫基金獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)獎(jiǎng)物理獎(jiǎng)(與艾爾伯與艾爾伯-費(fèi)爾共同獲得費(fèi)爾共同獲得)。(關(guān)新關(guān)新)“巨磁電阻”效應(yīng)科普：小硬盤中的大發(fā)現(xiàn)科普：小硬盤中的大發(fā)現(xiàn)“巨磁電阻巨磁電阻”效應(yīng)效應(yīng) 新華網(wǎng)北京10月9日電(記者潘治)體積越來越小，容量越來越大在如今這個(gè)信息時(shí)代，存儲(chǔ)信息的硬盤自然而然被人們寄予了這樣的期待。得益于得益于“巨磁電阻巨磁電阻”效應(yīng)這一重大發(fā)現(xiàn)效應(yīng)這一重大發(fā)現(xiàn)，最近20多年來，我們開始能夠在筆記本電腦、音樂播放器等所安裝

19、的越來越小的硬盤中存儲(chǔ)海量信息。 瑞典皇家科學(xué)院說：“今年的物理學(xué)獎(jiǎng)授予用于讀取硬盤數(shù)今年的物理學(xué)獎(jiǎng)授予用于讀取硬盤數(shù)據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越據(jù)的技術(shù)，得益于這項(xiàng)技術(shù)，硬盤在近年來迅速變得越來越小。小?！?通常說的硬盤也被稱為磁盤，這是因?yàn)樵谟脖P中是利用磁介質(zhì)來存儲(chǔ)信息的。一般而言，在密封的硬盤內(nèi)腔中有若干個(gè)磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉(zhuǎn)軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個(gè)磁道，每個(gè)磁道又進(jìn)而被劃分為若干個(gè)扇區(qū)。磁盤片的每個(gè)磁盤面都相應(yīng)有一個(gè)數(shù)據(jù)讀出頭。 簡單地說，當(dāng)數(shù)據(jù)讀出頭“掃描”過磁盤面的各個(gè)區(qū)域時(shí)，各個(gè)區(qū)域中記錄的不同磁信號就被轉(zhuǎn)換成電信號，電信號的變化進(jìn)而被表達(dá)為“0”和“1”，成為所有信息的原始“譯碼”?！熬薮烹娮琛毙?yīng)伴隨著信息數(shù)字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時(shí)提高硬盤容量的技術(shù)。1988年，費(fèi)爾和格林貝格爾各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了“巨磁電阻”效應(yīng)，也就是說，非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大電阻變化的特殊效應(yīng)。 這一發(fā)現(xiàn)解決了制造大容量小硬盤最棘手的問題：當(dāng)