巨磁电阻效应
摘 要：巨磁阻效应（Giant Magnetoresistance，缩写：GMR）是一种量子力学和凝聚态物理学现象，属于磁阻效应的一种，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。2007年诺贝尔物理学奖被授予发现巨磁阻效应（GMR）的彼得·格林贝格和艾尔伯·费尔。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。巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。
一、文献综述
巨磁阻效应在1988年由德国于利希研究中心的彼得·格林贝格和巴黎第十一大学的艾尔伯·费尔分别独立发现的，他们因此共同获得2007年诺贝尔物理学奖。格林贝格的研究小组在最初的工作中只是研究了由铁、铬、铁三层材料组成的结构物质，实验结果显示电阻下降了1.5%。而费尔的研究小组则研究了由铁和铬组成的多层材料，使得电阻下降了50%。格林贝格和于利希研究中心享有巨磁阻技术的一项专利，他最初提交论文的时间要比费尔略早一些（格林贝格于1988年5月31日，费尔于1988年8月24日），而费尔的文章发表得更早（格林贝格于1989年3月，费尔于1988年11月）。费尔准确地描述了巨磁阻现象背后的物理原理，而格林贝格则迅速看到了巨磁阻效应在技术应用上的重要性。
随着金属多层膜和颗粒膜的巨磁电阻(GMR)及稀土氧化物的特大磁电阻(CMR)的发现，以研究、利用和控制自旋极化的电子输运过程为核心的磁电子学得到很大的发展。同时用巨磁电阻材料构成磁电子学器件，在信息存储领域中获得很大的应用，如在1994年计算机硬盘中使用了巨磁电阻（GMR）效应的自旋阀结构的读出磁头，取得了1 Gb/inch2的存储密度。到1996年，存储密度已达5 Gb/inch2，并计划在2000年前后实现存储密度10~20 Gb/inch2。由于GMR磁头在信息存储运用方面的巨大潜力，激发了人们对各种材料的磁电阻效应进行深人广泛研究的热情，使得人们对于磁电阻效应的物理起源有更深的认识，促进了磁电阻效应的广泛应用。所谓磁电阻效应，是指对通电的金属或半导体施加磁场作用时会引起电阻值的变化。其全称是磁致电阻变化效应。
对于普通金属，电子的自旋是简并的，不存在净的磁矩，而费米面附近的态密度对于自旋向上和自旋向下是完全一样的，因而输运过程中电子流是自旋非极化的。但在铁磁金属中，由于交换劈裂，费米面处自旋向上的子带(多数自旋)将全部或绝大部分被电子占据，而自旋向下的子带(少数自旋)仅部分被电子占据，两子带的占据电子数之差正比于它的磁矩。同时费米面处自旋向上和自旋向下3d电子态密度相差很大，所以尽管在费米面处还有少数受交换劈裂影响较小的S电子和p电子，传导电流仍是自旋极化的。由于自旋向上的3d子带(多数自旋)与自旋向下的d3子带(少数自旋)在费米面附近的态密度不相等，它们对不同自旋取向的电子的散射是不一样的，所以自旋向上与自旋向下的电子的平均自由程也不同。
在通有电流的金属或半导体上施加磁场时，其电阻值将发生明显变化，这种现象称为磁致电阻效应，也称磁电阻效应(MR)。目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应可以大致分为：由磁场直接引起的磁性材料的正常磁电阻(OMR，ordinary MR)、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻(AMR，anisotropic MR)、掺杂稀土氧化物中特大磁电阻(CMR，eolossal MR)、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻(GMR，igant MR)以及隧道磁电阻(TMR，utnnel MR)等。在大多数金属中，电阻率的变化值为正，而过渡金属和类金属合金及饱和磁体的电阻率变化值为负。半导体有大的磁电阻各向异性。利用磁电阻效应，可以制成磁敏电阻元件，其常用材料有锑化铟、砷化铟等。磁敏电阻元件主要用来构造位移传感器、转速传感器、位置传感器和速度传感器等。为了提高灵敏度，增大阻值，可把磁敏电阻元件按一定形状（直线或环形）串联起来使用。
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