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巨磁阻(Giant Magnetoresistance , GMR )

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巨磁阻(Giant Magnetoresistance , GMR )
國立彰化師範大學物理所陳建淼研究生/國立彰化師範大學物理學系洪連輝教授責任編輯

A 巨磁阻介紹
在2007年諾貝爾物理學獎頒發給法國的Albert Fert及德國的Peter Grünberg以表彰他們在巨磁阻效應上的發現,因而對磁性紀錄技術產生了重大影響。巨磁阻效應於1988 年,Baibich 等人使用分子束磊晶(MBE)成長鐵鉻多層膜,研究在溫度 4.2 K 的環境下,電阻隨著磁場的變化關係。

當外加磁場逐漸增加時,鄰近兩層Fe之磁化方向會逐漸由反平行態轉變為平行態,因此電阻也隨之下降;由於該電阻下降的值非常明顯,實驗觀察發現到接近50%的磁阻變化率,可由圖一看出,綠色區域為Fe、灰色區域為Cr,箭頭為磁矩方向。由於其值遠大於異向磁阻的變化率,故稱巨磁阻。.

利用磁電阻的變化來造成電流的升降,可以定義邏輯訊號的0與1,進而發展各式各樣的磁記錄系統。這個現象用來讀取磁性記錄裝置特別有用,當記錄資料所需的磁區隨著技術的發達而越來越小而能夠在單位面積下容納更多的資料,相對的讀寫頭也要隨之縮小才能增加讀取效率。但是縮小的磁區同時也表示磁場的訊號會減弱,這時便顯出巨磁阻物質的重要性。因為巨磁阻物質可以將磁性方法記錄的訊號,以不同的電流大小輸出。儘管磁場很小,但是還是可以產生足夠的電流變化。因此可以大幅提高資料儲存的密度,最明顯的例子為現在電腦裡的硬碟,十年前的硬碟可能只能儲存40 MB的容量,現今甚至可達200 GB、400 GB、甚至1 TB,這是以往所無法想像的,一切都要歸功於巨磁阻的發現,巨磁阻科技讓電腦業者得以研發讀取電腦硬碟資料的高靈敏度讀取頭,硬碟體積也從而縮小,廠商近年來因此能夠競相推出尺寸小了許多的筆記型電腦、個人影音播放器等數位科技商品。

巨磁阻效應不僅僅帶動了商業上的進步,也使科技更邁前一大步,許多專家學者由於巨磁阻的發現,開始深入研究是否其他種類的結構能夠像巨磁阻效應,自旋電子學也因此興起。目前則發現穿隧式磁阻的磁阻變化比巨磁矩的磁矩變化範圍更廣,因此穿隧式磁阻漸漸地取代巨磁阻,可以從硬碟讀取頭發現到,硬碟讀取頭由早期的進步到巨磁阻式讀取頭再進步成穿隧式磁阻讀取頭。 附註: 硬碟讀取頭是以掃描方式解讀存取在硬碟磁區上的資料。硬碟越小,每個磁區的面積也越小、磁力越微弱,必須利用更靈敏的讀取頭,才能讀取更密集儲存在硬碟上的資料。

B 巨磁阻原理模型 巨磁電阻的發生原因主要是因為傳導電子在鐵磁性材料中發生自旋相依散射(spin dependent scattering)。也就是說傳導電子在行進中因為自旋方向的不同會受到不同程度的散射,進而造成電阻的差異。傳導電子除了本身的電荷外,還有一個很重要的量子現象—–自旋,而之前在電路中沒有發現是因為,電子在電路上其傳輸路徑是平均自由路徑的好幾萬倍,自旋現象在這路徑中也不斷翻中,造成傳導電子的平均自旋方向抵銷而無法量測到。

而巨磁電阻的結構為鐵磁性/非鐵磁性/鐵磁性的多層膜,其厚度都是以奈米等級,所以自旋所帶來的影響就不能忽略,把傳輸路徑限制在平均自由路徑的厚度以及加入鐵磁性物質來維持電子的自旋方向,因為電子自旋方向有spin up 與spin down兩種類型,當電子經過鐵磁性物質的時候,本身的自旋方向與鐵磁性物質的磁矩方向產生交互作用,如圖所示,當電子的自旋方向與鐵磁性物質的磁矩方向平行時,電子容易通過,阻力較小;相反地,當電子的自旋方向與鐵磁性物質的磁矩方向反平行時,電子不容易通過,有些會被散射掉,所以阻力大。 經由不同的設計,可使得鐵磁性多層膜的磁矩呈平行態排列,或反平行態排列。

綠色區塊表示鐵磁性物質薄膜,其磁矩方向以被固定,黃色箭頭表spin up、紅色箭頭表spin down;灰色表示金屬薄膜,沒有特定的磁矩方向。藍色路徑表示電子的自旋方向與鐵磁性物質的磁矩相同,容易通過,所以磁阻小;黑色路徑表示電子的自旋方向與鐵磁性物質的磁矩相反,易被散射掉,磁阻大。 一開始流進GMR多層膜的傳導電子,其spin up與spin down的電子各半,可視為兩個分電流,把這種現象聯想成電路中的並聯電路以雙電流模型(two current model)來對應。
與鐵磁性物質磁矩同方向的自旋電子受到阻力小,不易被散射掉,散射機率低,反映出磁阻小,以 r 表示;相反地,與鐵磁性物質磁矩反方向的自旋電子受到阻力大,容易被散射掉,散射機率高,反映出磁阻大,以 R 表示。 圖2-(a)中二鐵磁層的磁矩方向為平行,當自旋向上的電子進入後,自旋方向與第一鐵磁層與第二鐵磁層磁矩方向相同,所受的散射較少,因此可對應二個小電阻r串聯;反之自旋向下的電子進入後,自旋方向與第一鐵磁層和第二鐵磁層磁矩方向均相反,所受的散射較多,因此 可對應二個大電阻R串聯。由這二個小電阻與二個大電阻並聯所得的等效電阻 圖2-(b)中第一鐵磁層的磁矩方向向上,第二鐵磁層的磁矩方向向下。當自旋向上的電子進入後,自旋方向與第一鐵磁層,所受的散射較少。當傳導電子進入第二鐵磁層時,由於其自旋方向與第二鐵磁層相反,因此所受的散射較多,因此可對應由一個小電阻串聯一個大電阻;反之自旋向下的電子進入後,由於其自旋方向與第一鐵磁層相反,因此所受的散射較多。傳導電子進入第二鐵磁層時,由於其自旋方向與第二鐵磁層相同,因此所受的散射較少,因此可對應由一個大電阻串聯一個小電阻。由這一小一大電阻與一大一小電阻並聯後的等效電阻 由上面二等效電阻可得於不同磁矩排列方式MR ratio

參考資料: http://en.wikipedia.org/wiki/Giant_magnetoresistance 金重勳 主編 磁性技術手冊 中華民國磁性技術學會出版 B.D. Cullity , Introduction to magnetic materials 近角聰信 著,張喣 李學養 譯, 磁性物理學, 聯經出版

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