[科普中国]-GMR自旋阀

巨磁电阻（GMR）效应是指当我们在材料上加载一直流电流，则材料的电阻将随着外加磁场出现相当大的变化。具有非常高的磁场分辨率、超快的磁场响应速度、近直线的磁场响应曲线以及磁滞小等诸多优点，是一种具有高应用价值且性能优异的新型磁敏材料。它的磁场分辨率高达1～10μOe，即大约为地磁场（0.5高斯）的十万分之一，其磁场响应速度也远高于1MHz，是生产中具有超快反应速度、高灵敏度磁传感器的理想材料。

GMR自旋阀，即自旋阀型GMR材料，简称SVGMR，是多种GMR材料的一种，它的重要特性是在一定的外加磁场范围内，其电阻随磁场的方向敏感；基于这种特性，可以开发出多种测量方向、位移、角度等传感器。

简介1986年，P.Grünberg等人在Fe/Cr多层膜中发现铁磁层之间可以出现反铁磁耦合状态 ，即相邻Fe层中的磁化矢量成反平行排列。与此相联系，1988年，Baibich等人 报道了惊人的发现：低温下，(01)Fe/(01)Cr磁性超晶格在一定磁场下其电阻变化率达50%，且电阻变化率为负，磁电阻值基本上是各向同性的。随之，在大量其他金属制成的磁性多层膜系统，磁性纳米管及磁颗粒系统中也发现了这种巨大的磁电阻效应，称为巨磁电阻效应（GMR）。

此后，巨磁电阻效应及其材料的基础研究和应用研究迅速成为人们关注的热点。但早期研究的磁性多层膜材料只有在低温和高磁场下才产生显著的电阻变化，制约了该类巨磁电阻材料的应用。自1989年起，Binasch，S.P.Parkin等人相继在室温下的磁性多层膜中观察到GMR现象，突破了温度对GMR现象的限制。1991年IBM公司的B.Dieny提出自旋阀多层膜结构，并首先在其中发现了低饱和场GMR效应，从而打破了磁场条件对GMR材料应用的束缚。1994年，IBM公司成功将自旋阀结构的读出磁头应用到硬盘驱动器，并在4年后投入市场。目前，自旋阀结构的读出磁头已成为磁头的主流。此后自旋阀型GMR随机存储器及磁传感器等采用自旋阀结构的电子产品相继问世，对电子工业及材料工业产生广泛而深远的影响。

结构研究发现，在磁性多层膜中出现GMR效应必须满足两个关键条件：①相邻磁层中磁矩的相对取向通过某种方式发生变化；②各单层厚度必须小于多层膜中电子的平均自由程若干倍。

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效应必须在很高的饱和外磁场(10至20kOe)才能达到，所以这样的多层膜体系的磁电阻的灵敏度非常小。若采用不存在(或具有很小)交换耦合的相邻铁磁层，在较小的磁场下相邻铁磁层的磁矩就能从平行排列到反平行排列或从反平行排列到平行排列，同样可获得巨磁电阻效应。1991年，IBM公司的B.Dieny提 出铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层结构，并首先在Ni Fe/Cu/Ni Fe/Fe Mn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，像阀门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：一种是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)用非磁层分开。

采用第一种方式的GMR自旋阀基本结构如图1(a)所示。该类自旋阀多层膜结构原理上可以分为四层：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用软铁磁材料(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，改变其厚度可以控制在其两面磁性薄膜之间的耦合强度，外磁场可以较方便地改变自由层的磁矩而较难改变被钉扎层的磁矩。由于铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，该偏转场会将被钉扎层的磁化方向固定，在一定的磁场范围内不随外磁场转动。铁磁自由层在较小磁场的作用下，其磁矩能够比较自由地反转，实现在较小磁场作用下自由层和被钉扎层间磁矩相对取向的变化，使自旋阀磁电阻的灵敏度很高。

在此纳米多层膜基本结构中， 铁磁被钉扎层，非磁性分隔层和铁磁自由层的厚度均只有几个纳米，远小于电子的平均自由程。实际的 GMR自旋阀纳米多层膜可达10层以上，总厚度不超过20nm-30nm，采用多种金属及合金材料。

自旋阀中巨磁电阻成因的理论研究同其他GMR磁性多层膜一样，自旋阀多层膜中的巨磁电阻效应与磁场的方向无关，它仅依赖于相邻铁磁层的磁矩的相对取向，而外磁场的作用不过是改变相邻铁磁层的磁矩的相对取向。这一切说明电子的输运与电子的自旋散射有关。由于在与自旋相关的s-d散射中，当电子的自旋与铁磁金属的自旋向上的3d子带平行时，其平均自由程长，相应的电阻率低；而当电子的自旋与铁磁金属的自旋向下的3d子带平行时，其平均自由程短，相应的电阻率高。因此，当相邻铁磁层的磁矩反铁磁耦合时，在一个铁磁层中受散射较弱的电子进入另一铁磁层中必定遭受较强的散射。故从整体上说，所有电子都遭受较强的散射；而当相邻铁磁层的磁矩在磁场的作用下趋于平行时，自旋向上的电子在所有铁磁层中均受到较弱的散射，相当于自旋向上的电子构成了短路状态。这就是基于Mott的二流体模型对GMR效应的简单解释 ，如图2所示。该模型中，将传导电流中自旋向上和自旋向下的电子所成的电子流人为分离开来，并且假设自旋不同的电子流在散射过程中其自旋不翻转。

目前关于巨磁电阻效应起因的理论模型都以Mott的二流体模型为基础，其中较简化而且图像清楚的是等效电阻网络模型，但该模型分析的散射方式是体散射，只考虑了电子在材料内部而不是在界面上的散射，它的建立是非常粗略的。研究发现，除了自旋散射，巨磁电阻效应还同电子平均自由路径与膜厚度之比有关。由此Camley和Barnas于1989年和1990年引入界面自旋相关散射系数和自旋相关体散射系数，利用Bolzman方程首先对磁性金属多层膜的巨磁电阻效应进行了定量计算，但他们的这种处理方法并没有把界面粗糙程度的散射和体散射归于同等地位。所设计的样品中，磁电阻的理论值与实验值相符得很好，说明了其中的界面散射比体散射占优势。后来Johnson和Camley更进一步改进了界面自旋相关散射，计算的巨磁电阻值与实验值相当一致。Levy以及Vedyayev等人也基于量子输运理论对多层膜GMR效应进行了理论处理。所有这些理论研究都认为界面和体内的杂质与缺陷的散射是导致多层膜GMR效应的关键。此外，Schep等人在区域自旋密度近似的框架下对电子结构效应作过研究，认为即使没有杂质散射，通过s-d杂化也可以导致GMR效应。目前，多数实验表明，多层膜GMR效应主要来源于界面自旋相关的散射，与界面原子排列的粗糙度密切相关 ，合适的界面粗糙度可获得较大的GMR效应。

应用在过去的时间里，已开发出一系列高灵敏度GMR磁电子器件，其应用已发展到计算机磁头、磁随机存贮器、巨磁电阻传感器等许多领域 。

在金属多层膜巨磁电阻效应发现仅六年之后，1994年IBM公司宣布成功研制出读出磁头为自旋阀结构的硬盘驱动器，将磁盘系统的记录密度一下子提高了17倍，达10Gb/in ，并于1998年正式投放市场。在短短几年的时间里，实现了GMR磁头技术从实验室到市场的高速转变，促使计算机电子工业出现重大突破。随后通过对自旋阀材料的进一步研究与改进，到2006年，硬盘面记录密度已提高到421Gb/in 。

GMR自旋阀纳米多层膜也可用于制作巨磁电阻磁随机存储器(GMR RAM)。1995年IBM公司的Tang等人提出自旋阀型GMR存储单元，其开关速度在亚纳秒数量级，成为可与半导体随机存储器相竞争的新型内存储器1。

本词条内容贡献者为:

张磊 - 副教授 - 西南大学