巨磁電阻材料的性質和應用研究現(xiàn)狀演示文稿

巨磁電阻材料的性質和應用研究現(xiàn)狀演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有58頁\編輯于星期二優(yōu)選巨磁電阻材料的性質和應用研究現(xiàn)狀Ppt現(xiàn)在是2頁\一共有58頁\編輯于星期二目錄一、磁電阻及巨磁電阻簡介二、GRM材料的要求及種類三、巨磁電阻的應用四、展望現(xiàn)在是3頁\一共有58頁\編輯于星期二一、磁電阻及巨磁電阻簡介許多導體材料的電阻是受外加磁場影響的，這種磁場改變引起導體電阻率變化的現(xiàn)象被稱為磁電阻(Magnetoresistance，MR)效應。表征磁電阻效應大小的物理量為磁阻比(MR比),其定義如下：其中，ρH－磁場下的電阻率；ρ0－零磁場下的電阻率。磁電阻效應的產生有不同的物理機制，按不同的物理機制可作如下分類：正常磁電阻效應、各向異性磁電阻效應、巨磁電阻效應、龐磁電阻效應等?，F(xiàn)在是4頁\一共有58頁\編輯于星期二1）正常磁電阻(OrdinaryMagnetoresistance，OMR)效應。普遍存在于所有金屬中，它的產生機制是傳導電子受到磁場的洛侖茲力的作用而產生螺旋運動，從而使材料的電阻升高。實際中大部分材料的OMR都比較小沒有實用價值。2）各向異性磁電阻（AnisotropicMagnetoresistance，AMR）效應。存在于鐵磁金屬及其合金材料中，電阻率隨電流和磁化強度的相對取向而不同。鐵磁金屬的AMR在室溫下可以達到2~3％，由于一些磁性材料的磁矩可以用很小的磁場來翻轉，所以有比較高的靈敏度。AMR效應已經有了很多的應用，比如90年代初期計算機讀出磁頭以及各種高靈敏度的磁場傳感?，F(xiàn)在是5頁\一共有58頁\編輯于星期二

現(xiàn)在是6頁\一共有58頁\編輯于星期二

現(xiàn)在是7頁\一共有58頁\編輯于星期二費爾1938年3月出生于法國南部小城卡爾卡索納，1970年在南巴黎大學獲博士學位，1976年開始擔任南巴黎大學教授。自1995年以來，費爾還一直擔任法國國家科研中心與法國泰雷茲集團組建的聯(lián)合物理實驗室科學主管。費爾于2004年當選法國科學院院士。格林貝格爾1939年出生于比爾森，1969年在達姆施塔特技術大學獲博士學位，1972年開始擔任德國尤利希研究中心教授。2004年退休。他的知識產權保護意識比較強。格林貝格爾為此還申請了專利?，F(xiàn)在是8頁\一共有58頁\編輯于星期二“你的計算機硬盤存儲能力有多大，

他們的貢獻就有多大”世界上第一臺計算機1T硬盤現(xiàn)在是9頁\一共有58頁\編輯于星期二二、GRM材料的要求及種類為了滿足應用的要求,對GMR材料的主要要求是:1、高的室溫GMR效應,即由外加磁場引起的室溫電阻變化率高;2、低的工作磁場,即在較低的外加磁場強度下得到高的MR;3、高的穩(wěn)定性,即環(huán)境條件(溫度、濕度、振動等)變化時,MR的變化要盡量小。就目前研究熱點的幾類GMR材料,可以說是各有特點。

已發(fā)現(xiàn)具有GMR效應的材料主要有多層膜、自旋閥、納米顆粒膜、磁性隧道結、非連續(xù)多層膜、氧化物陶瓷、熔淬薄帶等?，F(xiàn)在是10頁\一共有58頁\編輯于星期二多層膜各種鐵磁層（Fe、Ni、Co及其合金）和非磁層（包括3d、4d、以及5d非磁金屬）交替生長而構成的磁性多層膜，大多都具有GRM效應，其中尤以多晶（Co/Cu）多層膜的磁電阻效應最為突出。室溫、1T磁場下GMR值為70%，遠大于多晶（Fe/Cr）。目前最常用的制備金屬多層膜的方法主要由濺射、蒸發(fā)和分子束外延.現(xiàn)在是11頁\一共有58頁\編輯于星期二多層膜GMR數(shù)值遠較AMR大，為負值，基本為各向同性。其測試方法有兩種：CIP（Current-in-plane），即電流沿膜面；CPP（Currentflowingperpendiculartotheplane），電流與膜面垂直。通常采用CIP方式。因為電子的運動是混亂的，可穿越若干層，并經受層內及界面自旋相關的散射，總電阻為電子經過各層的各個等效電阻的總和。在CPP模式下，由于電子是垂直于膜面穿過多層膜，要經受更多的與自旋相關的雜質和缺陷的散射；另外，非磁金屬層的分流效應也被排除，因此垂直模式下可以得到更大的磁電阻效應。多層膜現(xiàn)在是12頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻效應基本原理圖1Fe/Cr多層膜的實驗曲線(a)磁化曲線，(b)室溫下的巨磁電阻，(c)低溫下的巨磁電阻圖2鐵磁層耦合示意圖現(xiàn)在是13頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻效應基本原理圖3多層膜系統(tǒng)等效電阻示意圖(a)反鐵磁耦合，(b)鐵磁耦合根據(jù)Mott的雙流體模型（將傳導電子分為自旋向上與向下兩類導電載流子的物理圖象），若導電電子自旋方向與局域磁矩反平行，則受到非常強的散射，電阻較大；而當導電電子自旋方向與局域磁矩平行時，則受到的散射就弱的多，電阻較小?，F(xiàn)在是14頁\一共有58頁\編輯于星期二圖4過渡金屬態(tài)密度函數(shù)N（E）示意圖為什么不同自旋取向散射率會不同，從態(tài)密度理論出發(fā)可以這樣來理解：3d過渡元素金屬中，由于量子力學的交換作用，d能帶將分裂為兩個不同自旋取向的次能帶，為了簡單明了起見，圖中設3d

↑能帶低于費米能級，全被電子所占據(jù)，而3d↓帶卻部分被填充，而磁性金屬的飽和磁化強度取決于這兩個次能帶磁矩之差。顯然對自旋向上的傳導電子只能在s帶被散射，散射較弱，而對自旋向下的電子除s帶外，3d↓帶亦可被散射，散射強，平均自由路徑短，因此從態(tài)密度理論出發(fā)，在上述情況下，當傳導電子自旋平行于局域磁化矢量時，具有低電阻特性，反平行時為高電阻態(tài)?，F(xiàn)在是15頁\一共有58頁\編輯于星期二多層膜多層膜的GMR效應的影響因素

現(xiàn)在是16頁\一共有58頁\編輯于星期二

Fe/Cr多層膜巨磁電阻效應現(xiàn)在是17頁\一共有58頁\編輯于星期二周期數(shù)影響多層膜的GMR隨總周期數(shù)的增加而增大，當總膜厚達到與平均自由程相當時，GMR值逐漸趨飽和，不再隨周期數(shù)而增大。隨著周期數(shù)增加，界面粗糙度增大，界面自旋相關散射作用增強；表面散射作用減弱，界面散射作用權重增強。但也有結果表明，界面粗糙度增大只會導致GMR減小。當然，膜厚增加會影響到多層膜中晶體的生長情況，不同膜厚產生晶界的變化也將影響到GMR的值。緩沖層與覆蓋層為了制備良好的多層結構，常在襯底上沉積5~10nm的緩沖層，如Fe、Zn、Ru等，這樣可改善多層織構，降低層厚起伏和界面粗糙度，有利于獲得平整的界面。為防止氧化，要在表面沉積覆蓋層。然而這兩種附加層會對多層膜的電阻其短路作用和分流作用。現(xiàn)在是18頁\一共有58頁\編輯于星期二溫度依賴性MR比值隨溫度上升而減小。因為溫度上升時引入了更多的散射，如聲子、磁振子散射，使電阻率上升，MR比值下降。另外，高溫附加散射不同于低溫下雜質及缺陷散射，改變了不對稱散射因子。再者，磁振子散射導致自旋混合效應，從而減弱了巨磁電阻效應。界面結構包括界面結構取向、界面粗造度、能使磁性層間發(fā)生耦合作用的針孔效應、界面區(qū)不同成分的原子相互滲透的程度等。例如，在Ni/Cu和NiFe/Cu自旋閥結構中，界面原子磁矩因界面原子互擴散而減少并變得雜亂無章，從而導致GMR的顯著降低?，F(xiàn)在是19頁\一共有58頁\編輯于星期二自旋閥GMR材料在通常的磁性多層膜中存在較強的層間交換耦合，阻礙了相鄰磁層中磁矩相對取向發(fā)生變化，GMR效應必須在很高的飽和外磁場(10至20kOe)才能達到，所以這樣的多層膜體系的磁電阻的靈敏度非常小。1991年，IBM公司的B·Dieny提出鐵磁層/隔離層/鐵磁層/反鐵磁層結構，并首先在NiFe/Cu/NiFe/FeMn多層膜中發(fā)現(xiàn)了低飽和場GMR效應。這種結構的多層膜利用電子的自旋特性，像閥一樣限制電子的移動，故命名為自旋閥(spinvalve)?，F(xiàn)在是20頁\一共有58頁\編輯于星期二自旋閥通常可分為兩種基本方式：一種被非磁層分開的兩軟磁層之一用反鐵磁層(如MnFe或NiO)通過交換作用釘扎，如MnFe/FeNi/Cu/FeNi自旋閥多層膜結構；另一種是具有不同矯頑力的兩鐵磁層(通常一軟一硬)用非磁層分開。自旋閥GMR材料

“釘扎層”“被釘扎層”“自由層”“分隔層”第一類自旋閥示意圖第二類自旋閥示意圖

“硬磁性層”“軟磁性層”“分隔層”

現(xiàn)在是21頁\一共有58頁\編輯于星期二采用第一種方式的GMR自旋閥基本結構如下圖所示。該類自旋閥多層膜結構原理上可以分為四層：反鐵磁釘扎層，鐵磁被釘扎層，非磁性分隔層和鐵磁自由層。其中，自由層和被釘扎層采用軟鐵磁材料(也可采取自由層為軟鐵磁材料，被釘扎層使用硬鐵磁材料的結構)，它們之間的非磁性金屬隔離層，只對自由層和被釘扎層進行磁隔離，而不進行電隔離，改變其厚度可以控制在其兩面磁性薄膜之間的耦合強度，外磁場可以較方便地改變自出層的磁矩而較難改變被釘扎層的磁矩。

“釘扎層”“被釘扎層”“自由層”“分隔層”第一類自旋閥示意圖現(xiàn)在是22頁\一共有58頁\編輯于星期二實例分析：

FeMn（7nm）TaNiFe（4.5）Cu（2.2nm）NiFe（6nm）NiFe（6nm）/Cu（2.2nm）/NiFe（4.5）/FeMn（7nm）自旋閥示意圖現(xiàn)在是23頁\一共有58頁\編輯于星期二在磁場強度等于NiFe（6nm）層的反向矯頑力的外場作用下，NiFe（6nm）層中的磁化矢量首先翻轉，這時，在兩個NiFe層中的磁化矢量成反平行排列，這就形成了電子自旋相關散射的高電阻態(tài)。如果磁場在反方向上繼續(xù)增加，當磁場強度達到某一臨界值時，NiFe（4nm）層也轉向磁場方向，這就形成了電子自旋相關的低電阻態(tài)。自旋閥的磁化曲線（a）和磁電阻曲線（b）現(xiàn)在是24頁\一共有58頁\編輯于星期二采用第二種方式的GMR自旋閥基本結構如下圖所示?？梢杂糜茶F磁層（如PtCo）代替釘扎層和被釘扎層，因為二者的矯頑力不同，在適當磁場下亦可使相鄰鐵磁層的磁化方向從接近平行變化到平行飽和狀態(tài)，從而也得到巨磁電阻。相對第一種方式其優(yōu)點是結構簡單，且可選擇抗腐蝕和熱穩(wěn)定性好的硬磁材料，克服了自旋閥的不耐腐蝕和穩(wěn)定性差的缺點。它的缺點是硬磁層與自由層之間存在耦合，自由層的矯頑力增大，因此降低了自旋閥的靈敏度。第二類自旋閥示意圖

“硬磁性層”“軟磁性層”“分隔層”

現(xiàn)在是25頁\一共有58頁\編輯于星期二自旋閥的優(yōu)點與缺點優(yōu)點：磁電阻變化率?R/R對外磁場的響應呈線性關系，頻率特性好；低飽和場，工作磁場??；與AMR相比，電阻隨磁場變化迅速，因而操作磁通小，靈敏度高；利用層間轉動磁化過程能有效地抑制Barkhausen噪聲，信噪比高。缺點：自旋閥多層膜的磁電阻變化量并不大，同時現(xiàn)在面臨的最大問題是它的抗腐蝕和熱穩(wěn)定性都不太好?，F(xiàn)在是26頁\一共有58頁\編輯于星期二納米顆粒結構的GMR效應金屬顆粒膜是指鐵磁性金屬（如Co、Fe等）以顆粒的形式分散地鑲嵌于非互熔的非磁性金屬（如Ag、Cu等）的母體中所構成的復合材料。實驗室中常采用磁控濺射、離子束濺射等方法，顆粒的尺寸大小可以通過控制退火溫度或者襯底溫度來實現(xiàn)，其尺寸范圍可在幾個納米到幾十個納米之間任意變化。顆粒膜是以微顆粒的形式彌散于薄膜中，不同于合金、化合物，屬于非均勻相組成體系。顆粒膜示意圖現(xiàn)在是27頁\一共有58頁\編輯于星期二當外加于顆粒膜的磁場為零時，顆粒膜的磁化強度為零，各鐵磁顆粒的磁化方向混亂排列，傳導電子受到最大的散射作用，樣品處于大電阻狀態(tài)，當外磁場增加時，顆粒膜存在一定的磁化強度，各鐵磁顆粒的磁化方向趨于外磁場方向，傳導電子所受散射小，樣品電阻降低。（a）無外加磁場（b）外加飽和磁場顆粒膜中磁化狀態(tài)現(xiàn)在是28頁\一共有58頁\編輯于星期二影響GMR效應的因素

現(xiàn)在是29頁\一共有58頁\編輯于星期二當磁性顆粒體積百分數(shù)低時，顆粒數(shù)目少，散射中心少，此外顆粒間距大，如間距大于電子在介質中的平均自由程時，將降低巨磁電阻效應，因此隨著鐵磁濃度增加，總的趨勢是增大巨磁電阻效應的。然而在顆粒濃度增大的同時，顆粒尺寸亦將變大，當顆粒尺寸超過電子在顆粒內平均自由程時，又將減低巨磁電阻效應。此外，隨著顆粒濃度增加，顆粒間相互作用增強，在一定濃度時在顆粒膜中可以形成磁疇結構，GMR效應消失，于是在一定鐵磁顆粒濃度時將呈現(xiàn)GMR效應極大值。Co-Ag,Fe-Ag等顆粒膜的巨磁電阻效應與組成的關系現(xiàn)在是30頁\一共有58頁\編輯于星期二隧道磁電阻（TMR）效應

現(xiàn)在是31頁\一共有58頁\編輯于星期二TMR效應的定性解釋是:在隧道結中,磁場克服兩鐵磁層的矯頑力就可使它們的磁化方向轉到磁場方向而趨于一致,這時隧道電阻為最小值;如將磁場減少至負,矯頑力小的鐵磁層的磁化方向首先反轉,兩鐵磁層的磁場方向相反,隧道電阻為極大值。隧道結中鐵磁層磁化平行與反平行時電子隧穿情況示意圖現(xiàn)在是32頁\一共有58頁\編輯于星期二隧道結的優(yōu)點TMR效應具有很高的磁場靈敏度隧道結中兩鐵磁層間不存在層間耦合，隧道結的飽和磁場很低，只需要一個很小磁場就可以實現(xiàn)兩鐵磁層從平行到反平行的轉變。隧道結的電阻可調且范圍寬與多層膜巨磁電阻相比，隧道結具有很高的電阻，其電阻可以通過調整絕緣層厚度在很寬的范圍內改變，有利于和外電路實現(xiàn)匹配。進入時間短隧道巨磁電阻需要的是小電流、低電壓信號?，F(xiàn)在是33頁\一共有58頁\編輯于星期二三、巨磁電阻的應用1、SV-GMR(spinvalve)磁頭和傳感器2、巨磁電阻隨機存取存儲器3、其他方面的應用現(xiàn)在是34頁\一共有58頁\編輯于星期二SV-GMR磁頭和傳感器磁頭：硬盤中對盤片進行讀寫工作的工具用線圈纏繞在磁芯上制成的磁頭通過感應旋轉的盤片上磁場的變化來讀取數(shù)據(jù)；通過改變盤片上的磁場來寫入數(shù)據(jù)磁頭懸浮在高速轉動的盤片上方，而不與盤片直接接觸現(xiàn)在是35頁\一共有58頁\編輯于星期二36局部磁化單元載磁體寫線圈SNI局部磁化單元寫線圈SN鐵芯磁通磁層寫入“0”寫入“1”I磁記錄原理(寫入)現(xiàn)在是36頁\一共有58頁\編輯于星期二37磁記錄原理（讀出）N讀線圈S讀線圈SN鐵芯磁通磁層運動方向運動方向ssttffee讀出“0”讀出“1”現(xiàn)在是37頁\一共有58頁\編輯于星期二當硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區(qū)域越來越小，這些區(qū)域所記錄的磁信號也就越來越弱。借助“巨磁電阻”效應，人們才得以制造出更加靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，并且轉換成清晰的電流變化現(xiàn)在是38頁\一共有58頁\編輯于星期二硬盤的發(fā)展1956IBM的科學家ReynoldJohnson推出的第一個硬盤配備了50個直徑約61厘米的鋁合金盤片，由于磁頭靈敏度不理想，存儲容量十分有限，只能存儲4.4兆數(shù)據(jù)硬盤之父第一個硬盤50個盤片現(xiàn)在是39頁\一共有58頁\編輯于星期二硬盤的發(fā)展1994IBM的科學家StuartParkin首次在HDD中使用了GMR效應的自旋閥(spinvalve簡稱GMRSV)結構的讀出磁頭,取得了每平方英寸10億位(1Gb/inch2)的HDD面密度世界紀錄體積變小，容量變大StuartParkin現(xiàn)在是40頁\一共有58頁\編輯于星期二硬盤的發(fā)展1997年，IBM生產出第一個應用“巨磁電阻”技術的硬盤。并很快引發(fā)了硬盤的“大容量、小型化”革命2000年希捷硬盤巨磁電阻硬盤現(xiàn)在是41頁\一共有58頁\編輯于星期二硬盤的發(fā)展2001年，美國蘋果公司推出第一代硬盤式音樂播放器，轟動全球今天，蘋果公司的新一代iPod播放器容量高達160(8GB和16GB)，不管是用來聽音樂還是看電影，存儲空間都不是問題大家都說好！現(xiàn)在是42頁\一共有58頁\編輯于星期二硬盤的發(fā)展目前市場上銷售的最大容量硬盤是4TB硬盤密度隨時間的增長硬盤每英寸的面密度現(xiàn)在是43頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻位移傳感器GMR傳感器具有靈敏度高、可靠性好、測量范圍寬、抗惡劣環(huán)境、體積小等優(yōu)點位移傳感器即線性傳感器，利用巨磁電阻的高靈敏性而測量位移的變化它的基本結構是由釘扎磁性層（例如Co）、Cu間隔層和自由磁性層（例如Ni、Fe等易磁化層）組成的多層膜。由于釘扎層的磁矩與自由磁層的磁矩之間的夾角發(fā)生變化會導致SV-GMR元件的電阻值改變，進而使讀出電流發(fā)生變化位移傳感器分辨率可達1μm級現(xiàn)在是44頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻轉速傳感器車輪轉速傳感器當鐵齒輪轉動時,靠近鐵齒輪的永磁體的磁邊緣場的分布會發(fā)生變化。在圖示位置放一個GMR薄膜傳感器,當鐵齒輪旋轉時,它對磁通的變化方向產生感應。這種GMR薄膜傳感器已被用來檢測汽車的速度現(xiàn)在是45頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻生物傳感器生物傳感器圖示生物傳感器的應用現(xiàn)在是46頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻生物傳感器把磁性顆粒表面包一層合適的抗體,這種抗體只與特定的被分析物(如病毒,細菌等)結合,則這些磁性顆粒可被用作生物示蹤。把由磁性顆粒組成的檢測溶液分散到裝有GMR傳感組件的集成電路芯片上,GMR傳感組件本身也包上同樣的抗體。溶液中的被分析物就會與傳感器結合,并帶上磁標記。磁標記的磁邊緣場對GMR組件產生作用并改變其電阻。通過檢測這些GMR組件的電性能,就能夠直接進行檢測溶液中的被分析物的濃度等方面的分析基于磁場生物傳感器原理現(xiàn)在是47頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻效應在隨機存儲器(MRAM)中的應用

目前廣泛采用的半導體動態(tài)存儲器(DRAM)和靜態(tài)存儲器(SRAM)機器斷電時，所存數(shù)據(jù)會全部丟失，且抗輻射性能差利用GMR效應制作的MRAM是采用納米制造技術，把沉積在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成圖形陣列，形成存儲單元，以相對兩磁性層的平行磁化狀態(tài)和反平行磁化狀態(tài)分別代表信息“1”和“0”隨機存儲器現(xiàn)在是48頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻效應在隨機存儲器(MRAM)中的應用

和現(xiàn)有的半導體RAM相比，最大的優(yōu)點是非易失、抗輻射、長壽命、結構簡單和低成本，基本上可以不限次數(shù)的重寫。由于使用了GMR材料，每位尺寸的減少并不影響讀取信號的靈敏度，可實現(xiàn)最大的存儲密度?，F(xiàn)在是49頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻效應在隨機存儲器(MRAM)中的應用

寫入時改變TMR元件的電阻，改變磁化方向寫入“0”時產生與下層同向的磁場。上層磁化方向與下層平行，電阻就會減小寫入“1”時正好相反，產生與下層反向平行的磁場，從而使上下兩層的磁化方向形成反平行，此時電阻則增大讀取時，則在TMR元件中傳導電流，通過電流大小確定信號假如是“0”，由于電阻小，電流就大；假如是“1”，由于電阻大，電流就小MRAM基本架構示意圖現(xiàn)在是50頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻效應在隨機存儲器(MRAM)中的應用

圖中下方左側是一個晶體管，當它導通時，電流可流過存儲單元MTJ(磁性隧道結)，通過與參考值進行比較，判斷存儲單元阻值的高低，從而讀出所存儲的數(shù)據(jù)當晶體管關斷時，電流可流過編程線1和編程線2(圖中Writeline1和WriteLine2)，在它們所產生的編程磁場的共同作用下，使自由層的磁場方向發(fā)生改變，從而完成編程的操作MRAM結構晶體管現(xiàn)在是51頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻效應在隨機存儲器(MRAM)中的應用Honeywell公司是第一家利用GMR材料做存儲器芯片的公司1995年，IBM公司的Tang等人提出了自旋閥型GMR存儲單元設計方案，它采用NiFe/Cu/NiFe/FeMn自旋閥巨磁電阻多層膜作為存儲單元條，其開關速度在亞納秒(10-10s)數(shù)量級。2003年，Motorola公司發(fā)布了4Mb的MRAM樣品，其尺寸僅有0.55μm2?，F(xiàn)在是52頁\一共有58頁\編輯于星期二巨磁電阻效應在隨機存儲器(MRAM)中的應用BIOS芯片蜂窩電話傳真機固態(tài)錄像機