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1、巨磁电阻材料的性质和应用研究现状,目录,一、磁电阻及巨磁电阻简介二、GRM材料的要求及种类三、巨磁电阻的应用四、展望,一、磁电阻及巨磁电阻简介,许多导体材料的电阻是受外加磁场影响的,这种磁 场改 变引起 导体电阻率变化的现象被称为磁电阻 (Magnetoresistance,MR)效 应 。表征磁电阻效应大小的物理量为磁阻比(MR比),其定义如下:其中,H磁场下的电阻率;0零磁场下的电阻率。磁 电 阻 效 应 的 产 生有不 同 的物 理机 制 ,按 不 同的物 理 机 制 可作 如 下 分类 :正 常磁 电阻效应 、各 向异 性 磁 电 阻效 应 、巨磁 电阻效应 、庞磁电阻效应等 。,1)
2、正 常磁 电 阻 (Ordinary Magnetoresistance,OMR)效应 。普遍存在于所有金属 中,它的产生机制是传导电子受到磁场的洛仑兹力的作用而产生螺旋运动 ,从而使材料的电阻升高 。实际中大部分材 料的 OMR都比较小没有实用价值。2)各 向 异 性 磁 电 阻(Anisotropic Magnetoresistance,AMR)效应 。存在于铁磁金属及其合金材料 中 ,电阻率随电流和磁化强度的相对取向而不 同。铁磁金属 的AMR在室温下能够达到 23,由于一些磁性材料 的磁矩能够用特别小的磁场来翻转,因此有比较高的灵 敏度。AMR效应差不多有了特别多的应用 ,比如 90年
3、代初期 计算机读 出磁头以及各 种高灵敏度的磁场传感。,费尔1938年3月出生于法国南部小城卡尔卡索纳,1970年在南巴黎大学获博士学位,1976年开始担任南巴黎大学教授。自1995年以来,费尔还一直担任法国国家科研中心与法国泰雷兹集团组建的联合物理实验室科学主管。费尔于2004年当选法国科学院院士。,格林贝格尔1939年出生于比尔森,1969年在达姆施塔特技术大学获博士学位,1972年开始担任德国尤利希研究中心教授。2004年退休。他的知识产权保护意识比较强。格林贝格尔为此还申请了专利。,“您的计算机硬盘存储能力有多大, 他们的贡献就有多大”,世界上第一台计算机,1T硬盘,二、GRM材料的要
4、求及种类,为了满足应用的要求, 对GMR材料的主要要求是: 1、高的室温GMR效应, 即由外加磁场引起的室温电阻变化率高; 2、低的工作磁场, 即在较低的外加磁场强度下得到高的MR; 3、高的稳定性, 即环境条件( 温度、湿度、振动等) 变化时, MR的变化要尽量小。就目前研究热点的几类GMR材料, 能够说是各有特点。 已发现具有GMR效应的材料主要有多层膜、自旋阀、纳米颗粒膜、磁性隧道结、非连续多层膜、氧化物陶瓷、熔淬薄带等。,多层膜,各种铁磁层(Fe、Ni、Co及其合金)和非磁层(包括3d、4d、以及5d非磁金属)交替生长而构成的磁性多层膜,大多都具有GRM效应,其中尤以多晶(Co/Cu)
5、多层膜的磁电阻效应最为突出。室温、1T磁场下GMR值为70%,远大于多晶(Fe/Cr)。 目前最常用的制备金属多层膜的方法主要由溅射、蒸发和分子束外延、,多层膜GMR数值远较AMR大,为负值,基本为各向同性。其测试方法有两种:CIP(Current-in-plane),即电流沿膜面;CPP(Current flowing perpen dicular to the plane),电流与膜面垂直。通常采纳CIP方式。因为电子的运动是混乱的,可穿越若干层,并经受层内及界面自旋相关的散射,总电阻为电子经过各层的各个等效电阻的总和。在CPP模式下,由于电子是垂直于膜面穿过多层膜,要经受更多的与自旋相关
6、的杂质和缺陷的散射;另外,非磁金属层的分流效应也被排除,因此垂直模式下能够得到更大的磁电阻效应。,多层膜,巨磁电阻效应基本原理,图1 Fe/Cr多层膜的实验曲线(a)磁化曲线,(b)室温下的巨磁电阻,(c)低温下的巨磁电阻,图2 铁磁层耦合示意图,巨磁电阻效应基本原理,图3 多层膜系统等效电阻示意图 (a)反铁磁耦合,(b)铁磁耦合,根 据 Mott的双流体模型(将传导电子分为自旋向上与向下两类导电载流子的物理图象),若导电 电子自旋方向与局域磁 矩反平行 ,则受到特别 强的散射 ,电阻较大 ;而当导电电子自旋方向与局域磁矩平行时 ,则受到的散射就弱的多 ,电阻较小。,图4 过渡金属态密度函数
7、N(E)示意图,为什么不同自旋取向散射率会不同,从态密度理论出发能够如此来理解:3d过渡元素金属中,由于量子力学的交换作用,d能带将分裂为两个不同自旋取向的次能带,为了简单明了起见,图中设3d 能带低于费米能级,全被电子所占据,而3d 带却部分被填充,而磁性金属的饱和磁化强度取决于这两个次能带磁矩之差。显然对自旋向上的传导电子只能在s带被散射,散射较弱,而对自旋向下的电子除s带外,3d带亦可被散射,散射强,平均自由路径短,因此从态密度理论出发,在上述情况下,当传导电子自旋平行于局域磁化矢量时,具有低电阻特性,反平行时为高电阻态。,多层膜,多层膜的GMR效应的影响因素,Fe/Cr多层膜巨磁电阻效
8、应,周期数影响多层膜的GMR随总周期数的增加而增大,当总膜厚达到与平均自由程相当时,GMR值逐渐趋饱和,不再随周期数而增大。随着周期数增加,界面粗糙度增大,界面自旋相关散射作用增强;表面散射作用减弱,界面散射作用权重增强。但也有结果表明,界面粗糙度增大只会导致GMR减小。当然,膜厚增加会影响到多层膜中晶体的生长情况,不同膜厚产生晶界的变化也将影响到GMR的值。缓冲层与覆盖层为了制备良好的多层结构,常在衬底上沉积510nm的缓冲层,如Fe、Zn、Ru等,如此可改善多层织构,降低层厚起伏和界面粗糙度,有利于获得平整的界面。为防止氧化,要在表面沉积覆盖层。然而这两种附加层会对多层膜的电阻其短路作用和
9、分流作用。,温度依赖性MR比值随温度上升而减小。因为温度上升时引入了更多的散射,如声子、磁振子散射,使电阻率上升,MR比值下降。另外,高温附加散射不同于低温下杂质及缺陷散射,改变了不对称散射因子。再者,磁振子散射导致自旋混合效应,从而减弱了巨磁电阻效应。界面结构包括界面结构取向、界面粗造度、能使磁性层间发生耦合作用的针孔效应、界面区不同成分的原子相互渗透的程度等。例如,在Ni/Cu和NiFe/Cu自旋阀结构中,界面原子磁矩因界面原子互扩散而减少并变得杂乱无章,从而导致GMR的显著降低。,自旋阀GMR材料,在通常的磁性多层膜中存在较强的层间交换耦合,阻碍了相邻磁层中磁矩相对取向发生变化 ,GMR
10、效应必须在特别高的饱和外磁场(10至20kOe)才能达到 ,因此如此的多层膜体系的磁电阻的灵敏度特别小。 1991年 ,IBM公 司的BDieny提 出铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层结 构 ,并首先在NiFe/Cu/NiFe/FeMn多层膜 中发现了低饱和场GMR效应。这种结构的多层膜利用电子的自旋特性,像阀一样限制电子的移动,故命名为自旋阀(spin valve)。,自旋阀通常可分为两种基本方式 :一种被非磁层分开的两软磁层之一用反铁磁层(如 MnFe或 NiO)通过交换作用钉扎,如 MnFe/FeNi/Cu/FeNi自旋阀多层膜结构 ;另一种是具有不同矫顽 力的两铁磁层(通常 一软 一硬
11、)用非磁层分开 。,自旋阀GMR材料,第一类自旋阀示意图,第二类自旋阀示意图,采纳第一种方式的GMR自旋阀基本结构如下图所示。该类自旋阀多层膜结构原理上能够分为四层:反铁磁钉扎层,铁磁被钉扎层,非磁性分隔层和铁磁自由层。其中,自由层和被钉扎层采纳软铁磁材料(也可采取自由层为软铁磁材料 ,被钉扎层使用硬铁磁材料的结构),它们之间的非磁性金属隔离层 ,只对自由层和被钉扎层进行磁隔离,而不进行电隔离,改变其厚度能够控制在其两面磁性薄膜之间的耦合强度,外磁场能够较方便地改变自出层的磁矩而较难改变被钉扎层的磁矩。,第一类自旋阀示意图,实例分析:,FeMn(7nm),NiFe(6nm)/Cu(2、2nm)
12、/NiFe(4、5)/FeMn(7nm)自旋阀示意图,在磁场强度等于NiFe(6nm)层的反向矫顽力的外场作用下, NiFe(6nm)层中的磁化矢量首先翻转,这时,在两个NiFe层中的磁化矢量成反平行排列,这就形成了电子自旋相关散射的高电阻态。假如磁场在反方向上接着增加,当磁场强度达到某一临界值时, NiFe(4nm)层也转向磁场方向,这就形成了电子自旋相关的低电阻态。,自旋阀的磁化曲线(a)和磁电阻曲线(b),采纳第二种方式的GMR自旋阀基本结构如下图所示。能够用硬铁磁层(如PtCo)代替钉扎层和被钉扎层,因为二者的矫顽力不同,在适当磁场下亦可使相邻铁磁层的磁化方向从接近平行变化到平行饱和状
13、态,从而也得到巨磁电阻。相对第一种方式其优点是结构简单,且可选择抗腐蚀和热稳定性好的硬磁材料,克服了自旋阀的不耐腐蚀和稳定性差的缺点。它的缺点是硬磁层与自由层之间存在耦合,自由层的矫顽力增大,因此降低了自旋阀的灵敏度。,第二类自旋阀示意图,自旋阀的优点与缺点,优点:磁电阻变化率R/R对外磁场的响应呈线性关系,频率特性好;低饱和场,工作磁场小;与AMR相比,电阻随磁场变化迅速,因而操作磁通小,灵敏度高;利用层间转动磁化过程能有效地抑制Barkhausen噪声,信噪比高。缺点:自旋阀多层膜的磁电阻变化量并不大,同时现在面临的最大问题是它的抗腐蚀和热稳定性都不太好。,纳米颗粒结构的GMR效应,金属颗
14、粒膜是指铁磁性金属(如Co、Fe等)以颗粒的形式分散地镶嵌于非互熔的非磁性金属(如Ag、Cu等)的母体中所构成的复合材料。 实验室中常采纳磁控溅射、离子束溅射等方法,颗粒的尺寸大小能够通过控制退火温度或者衬底温度来实现,其尺寸范围可在几个纳米到几十个纳米之间任意变化。 颗粒膜是以微颗粒的形式弥散于薄膜中,不同于合金、化合物,属于非均匀相组成体系。,颗粒膜示意图,当外加于颗粒膜的磁场为零时,颗粒膜的磁化强度为零,各铁磁颗粒的磁化方向混乱排列,传导电子受到最大的散射作用,样品处于大电阻状态,当外磁场增加时,颗粒膜存在一定的磁化强度,各铁磁颗粒的磁化方向趋于外磁场方向,传导电子所受散射小,样品电阻降
15、低。,(a)无外加磁场,(b)外加饱和磁场,颗粒膜中磁化状态,影响GMR效应的因素,当磁性颗粒体积百分数低时,颗粒数目少,散射中心少,此外颗粒间距大,如间距大于电子在介质中的平均自由程时,将降低巨磁电阻效应,因此随着铁磁浓度增加,总的趋势是增大巨磁电阻效应的。然而在颗粒浓度增大的同时,颗粒尺寸亦将变大,当颗粒尺寸超过电子在颗粒内平均自由程时,又将减低巨磁电阻效应。此外,随着颗粒浓度增加,颗粒间相互作用增强,在一定浓度时在颗粒膜中能够形成磁畴结构,GMR效应消失,因此在一定铁磁颗粒浓度时将呈现GMR效应极大值。,Co-Ag, Fe-Ag等颗粒膜的巨磁电阻效应与组成的关系,隧道磁电阻(TMR)效应
16、,TMR效应的定性解释是: 在隧道结中, 磁场克服两铁磁层的矫顽力就可使它们的磁化方向转到磁场方向而趋于一致, 这时隧道电阻为最小值; 如将磁场减少至负, 矫顽力小的铁磁层的磁化方向首先反转, 两铁磁层的磁场方向相反, 隧道电阻为极大值。,隧道结中铁磁层磁化平行与反平行时电子隧穿情况示意图,隧道结的优点,TMR效应具有特别高的磁场灵敏度隧道结中两铁磁层间不存在层间耦合,隧道结的饱和磁场特别低,只需要一个特别小磁场就能够实现两铁磁层从平行到反平行的转变。隧道结的电阻可调且范围宽与多层膜巨磁电阻相比,隧道结具有特别高的电阻,其电阻能够通过调整绝缘层厚度在特别宽的范围内改变,有利于和外电路实现匹配。
17、进入时间短隧道巨磁电阻需要的是小电流、低电压信号。,三、巨磁电阻的应用,1、SV-GMR(spin valve)磁头和传感器2、巨磁电阻随机存取存储器3、其他方面的应用,SV-GMR磁头和传感器,磁头:硬盘中对盘片进行读写工作的工具用线圈缠绕在磁芯上制成的磁头通过感应旋转的盘片上磁场的变化来读取数据;通过改变盘片上的磁场来写入数据磁头悬浮在高速转动的盘片上方,而不与盘片直截了当接触,35,磁记录原理(写入),36,磁记录原理(读出),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
18、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楚读出,同时转换成清楚的电流变化,硬盘的发展,1956 IBM 的科学家Reynold Johnson推出的第一个硬盘配备了50个直径约61厘米的铝合金盘片,由于磁头灵敏度不理想,存储容量十分有限,只能存储4、4兆数据,硬盘之父,硬盘的发展,1994 IBM 的科学家Stuart Parkin首次在HDD 中使用了GMR 效应的自旋阀(spin valve 简称GMR SV) 结构的读出磁头,取得了每平方英寸10 亿位(1Gb/inch2 ) 的HDD面密度世界纪录,体积变小，容量变大,Stuart Parkin,硬盘的发展,1997年,I
19、BM生产出第一个应用“巨磁电阻”技术的硬盘。并特别快引发了硬盘的“大容量、小型化”革命2000年希捷硬盘,巨磁电阻硬盘,硬盘的发展,2001年,美国苹果公司推出第一代硬盘式音乐播放器,轰动全球今天,苹果公司的新一代iPod播放器容量高达160(8GB和16GB ),不管是用来听音乐依然看电影,存储空间都不是问题,大家都说好！,硬盘的发展,目前市场上销售的最大容量硬盘是4TB,巨磁电阻位移传感器,GMR传感器具有灵敏度高、可靠性好、测量范围宽、抗恶劣环境、体积小等优点位移传感器即线性传感器,利用巨磁电阻的高灵敏性而测量位移的变化它的基本结构是由钉扎磁性层(例如Co)、Cu间隔层和自由磁性层(例如
20、Ni、Fe等易磁化层)组成的多层膜。由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR元件的电阻值改变,进而使读出电流发生变化,位移传感器,分辨率可达1m级,巨磁电阻转速传感器,车轮转速传感器,当铁齿轮转动时, 靠近铁齿轮的永磁体的磁边缘场的分布会发生变化。在图示位置放一个GMR薄膜传感器, 当铁齿轮旋转时, 它对磁通的变化方向产生感应。这种GMR薄膜传感器已被用来检测汽车的速度,巨磁电阻生物传感器,生物传感器图示,生物传感器的应用,巨磁电阻生物传感器,把磁性颗粒表面包一层合适的抗体, 这种抗体只与特定的被分析物(如病毒, 细菌等) 结合, 则这些磁性颗粒可被用作生物示踪。把
21、由磁性颗粒组成的检测溶液分散到装有GMR传感组件的集成电路芯片上, GMR传感组件本身也包上同样的抗体。溶液中的被分析物就会与传感器结合, 并带上磁标记。磁标记的磁边缘场对GMR组件产生作用并改变其电阻。通过检测这些GMR组件的电性能, 就能够直截了当进行检测溶液中的被分析物的浓度等方面的分析,巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用,目前广泛采纳的半导体动态存储器(DRAM)和静态存储器(SRAM)机器断电时,所存数据会全部丢失,且抗辐射性能差利用GMR效应制作的MRAM是采纳纳米制造技术,把沉积在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列,形成存储单元,以相对两磁性层的平行磁化状
22、态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0”,随机存储器,巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用,和现有的半导体RAM相比,最大的优点是非易失、抗辐射、长寿命、结构简单和低成本,基本上能够不限次数的重写。由于使用了GMR材料,每位尺寸的减少并不影响读取信号的灵敏度,可实现最大的存储密度。,巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用,写入时改变TMR元件的电阻,改变磁化方向写入“0”时产生与下层同向的磁场。上层磁化方向与下层平行,电阻就会减小写入“1”时正好相反,产生与下层反向平行的磁场,从而使上下两层的磁化方向形成反平行,此时电阻则增大 读取时,则在TMR元件中传导电流,通过电流大小确
23、定信号假如是“0”,由于电阻小,电流就大;假如是“1”,由于电阻大,电流就小,MRAM基本架构示意图,巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用,图中下方左侧是一个晶体管,当它导通时,电流可流过存储单元 MTJ(磁性隧道结),通过与参考值进行比较,判断存储单元阻值的高低,从而读出所存储的数据当晶体管关断时,电流可流过编程线 1 和编程线 2(图中 Write line 1 和 Write Line 2),在它们所产生的编程磁场的共同作用下,使自由层的磁场方向发生改变,从而完成编程的操作,MRAM结构,晶体管,巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用,Honeywell公司是第一家利用GM
24、R材料做存储器芯片的公司1995年,IBM公司的Tang等人提出了自旋阀型GMR存储单元设计方案,它采纳NiFe/Cu/NiFe/FeMn自旋阀巨磁电阻多层膜作为存储单元条,其开关速度在亚纳秒(10-10s)数量级。2003年,Motorola公司公布了4 Mb的MRAM样品,其尺寸仅有0、55m2。,巨磁电阻效应在随机存储器(MRAM)中的应用,BIOS芯片,蜂窝电话,传真机,固态录像机,航天,巨磁电阻材料及其在汽车传感技术中的应用,随着电子技术的飞速发展,汽车日趋电子化、智能化和轻型化。而实现汽车运动控制的关键之一是高可靠度、高性能、低成本的传感器。,巨磁电阻材料及其在汽车传感技术中的应用
25、,目前国内在汽车内应用较广的传感器是霍尔器件。 优点:结构简单、价格低廉 缺点:测量精度较低,且对温度的变化比较敏感 关于需要高精度测量的场合,不能满足需要由于其材料特性 和结构特点,限制了其分辨率的接着提高和在较高温度场合 的应用。在这种背景下,汽车业界急需一种能解决以上矛盾且成本低廉、容易实现产业化的传感器。,金属磁编码器,编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备目前,由于汽车对分辨率要求不断提高,国际上采纳巨磁电阻材料,使得车用传感技术正向着金属巨磁电阻磁编码传感器方向发展。日本日测机舍株式会社和日本伺服公司日前的金属磁电阻
26、编码器年销售额均已超过1亿日元。美国至少有5家公司在研制生产金属磁电阻编码器,金属磁编码器,GMR隔离耦合器,耦合器:功率分配的元件GMR效应另外一个重要的用途就是实现数字信号的耦合。NVE公司的IL系列芯片的就能够实现单通、双通道、4通道、CMOS兼容和漏极开路等多种形式的数字耦合,还有专门针对RS一485和RS一422网络的隔离芯片。,GRM隔离耦合器,GMR隔离耦合器,GMR效应的耦合器件优点:,与普通的数字信号耦合器相比器件尺寸小:2个通道能够封装为MSOP一8较高的传输速率:150Mbps传播延迟:最大15ns延迟偏差:器件对器件4ns,通道对通道2ns温度范围:一40 +125无降级隔离度:2500Vrms输入阈值电流:10lIIA功耗:5V时为2、5mA,感谢您的聆听！,
