磁電阻效應

隨着金屬多層膜和顆粒膜的巨磁電阻(GMR)及稀土氧化物的特大磁電阻(CMR)的發現，以研究、利用和控制自旋極化的電子輸運過程為核心的磁電子學得到很大的發展。同時用巨磁電阻材料構成磁電子學器件，在信息存儲領域中獲得很大的應用，如在1994年計算機硬盤中使用了巨磁電阻（GMR）效應的自旋閥結構的讀出磁頭，取得了1 Gb/inch²的存儲密度。到1996年，存儲密度已達5 Gb/inch²，並計劃在2000年前後實現存儲密度10~20 Gb/inch²。由於GMR磁頭在信息存儲運用方面的巨大潛力，激發了人們對各種材料的磁電阻效應進行深人廣泛研究的熱情，使得人們對於磁電阻效應的物理起源有更深的認識，促進了磁電阻效應的廣泛應用。所謂磁電阻效應，是指對通電的金屬或半導體施加磁場作用時會引起電阻值的變化。其全稱是磁致電阻變化效應。 ^[1] 

對於普通金屬，電子的自旋是簡併的，不存在淨的磁矩，而費米麪附近的態密度對於自旋向上和自旋向下是完全一樣的，因而輸運過程中電子流是自旋非極化的。但在鐵磁金屬中，由於交換劈裂，費米麪處自旋向上的子帶(多數自旋)將全部或絕大部分被電子佔據，而自旋向下的子帶(少數自旋)僅部分被電子佔據，兩子帶的佔據電子數之差正比於它的磁矩。同時費米麪處自旋向上和自旋向下3d電子態密度相差很大，所以儘管在費米麪處還有少數受交換劈裂影響較小的S電子和p電子，傳導電流仍是自旋極化的。由於自旋向上的3d子帶(多數自旋)與自旋向下的d3子帶(少數自旋)在費米麪附近的態密度不相等，它們對不同自旋取向的電子的散射是不一樣的，所以自旋向上與自旋向下的電子的平均自由程也不同。

理論和實驗證明，鐵磁金屬或合金的輸運過程可分解為自旋向上和自旋向下兩個幾乎相互獨立的電子導電通道，相互並聯，這就是自旋相關散射的二流體模型。這種鐵磁金屬導電的理論，是Mott提出來的，直接從實驗來驗證是由Gurney在1993年通過設計新的自旋閥，得到不同的被探測層具有不同的輸運性質，反映出這些被探測層對自旋向上和向下的電子具有不同的電導，同時直接測量出自旋向上和向下的電子的平均自由程相差很大。 ^[2] 

在通有電流的金屬或半導體上施加磁場時，其電阻值將發生明顯變化，這種現象稱為磁致電阻效應，也稱磁電阻效應(MR)。目前，已被研究的磁性材料的磁電阻效應可以大致分為：由磁場直接引起的磁性材料的正常磁電阻(OMR，ordinary MR)、與技術磁化相聯繫的各向異性磁電阻(AMR，anisotropic MR)、摻雜稀土氧化物中特大磁電阻(CMR，eolossal MR)、磁性多層膜和顆粒膜中特有的巨磁電阻(GMR，igant MR)以及隧道磁電阻(TMR，utnnel MR)等。 ^[3] 

（OMR)

對所有非磁性金屬而言，由於在磁場中受到洛倫茲力的影響，傳導電子在行進中會偏折，使得路徑變成沿曲線前進，如此將使電子行進路徑長度增加，使電子碰撞機率增大，進而增加材料的電阻。磁阻效應最初於1856年由威廉·湯姆森，即後來的開爾文爵士發現，但是在一般材料中，電阻的變化通常小於5%，這樣的效應後來被稱為“常磁阻(OMR)”。

(GMR)

所謂巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作用時存在巨大變化的現象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生於層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。 ^[3] 

(CMR)

超巨磁阻效應（也稱龐磁阻效應）存在於具有鈣鈦礦的陶瓷氧化物中。其磁阻變化隨着外加磁場變化而有數個數量級的變化。其產生的機制與巨磁阻效應(GMR)不同，而且往往大上許多，所以被稱為“超巨磁阻”。 如同巨磁阻效應(GMR)，超巨磁阻材料亦被認為可應用於高容量磁性儲存裝置的讀寫頭。不過，由於其相變温度較低，不像巨磁阻材料可在室温下展現其特性，因此離實際應用尚需一些努力。

(AMR)

有些材料中磁阻的變化，與磁場和電流間夾角有關，稱為異向性磁阻效應。此原因是與材料中s軌域電子與d軌域電子散射的各向異性有關。由於異向磁阻的特性，可用來精確測量磁場。

(TMR)

穿隧磁阻效應是指在鐵磁絕緣體薄膜(約1納米)的鐵磁材料中，其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應。此效應首先於1975年由Michel Julliere在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)發現；室温穿隧磁阻效應則於1995年，由Terunobu Miyazaki與Moodera分別發現。此效應更是磁性隨機存取內存(magnetic random access memory，MRAM)與硬盤中的磁性讀寫頭(read sensors)的科學基礎。

在大多數金屬中，電阻率的變化值為正，而過渡金屬和類金屬合金及飽和磁體的電阻率變化值為負。半導體有大的磁電阻各向異性。利用磁電阻效應，可以製成磁敏電阻元件，其常用材料有銻化銦、砷化銦等。磁敏電阻元件主要用來構造位移傳感器、轉速傳感器、位置傳感器和速度傳感器等。為了提高靈敏度，增大阻值，可把磁敏電阻元件按一定形狀（直線或環形）串聯起來使用。 ^[4]