[科普中国]-磁电阻材料

磁电阻材料是具有显著磁电阻效应(即磁性材料在受到外加磁场作用时引起的电阻变化)的特种磁性材料。已获得应用的主要有镍铁系和镍钴系磁性合金，其特点是不论磁场与电流的方向平行还是垂直都会产生磁电阻效应(前者称纵场效应，后者称横场效应)，且低温磁电阻率(磁场引起的电阻变化与未加磁场时的电阻之比)高于室温。利用磁电阻效应做成的换能器和传感器装置简单，对速度和频率不敏感。磁电阻材料可用于制作磁记录读出磁头、磁泡读出器(检则器)和磁膜存储器的读出器等。

磁电阻效应磁电阻(magnetoresistance，MR)效应是指铁磁性材料在受到外磁场作用时引起电阻变化的现象。已被研究的磁性材料的磁电阻效应可以大致分为：正常磁电阻、各向异性磁电阻、巨磁电阻及庞磁电阻等。

正常磁电阻(ordinary magnetoresistance，OMR)效应普遍存在于所有磁性和非磁性材料中。由于磁场对电子的洛伦兹力，载流子运动发生偏转或产生回旋运动，使电子的散射几率增加，电阻率增大。OMR在低场下数值一般很小，但在某些非磁性材料如金属Bi膜中可观察到较大的OMR效应。

在铁磁金属及其合金中，MR效应与磁化有关，是由铁磁性磁畴在外场作用下各向异性运动造成的。由于电流和磁化方向的相对方向不同而导致的MR效应，称为各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance，AMR)效应。室温下，坡莫合金的AMR可达2.5%。由于AMR具有小的饱和场、相对较大的磁电阻值和高的磁场灵敏度，可应用于读出磁头及各类传感器中。1

磁电阻效应与正常磁电阻效应的区别尽管OMR和AMR效应有一定的应用，室温下数值毕竟很小。而磁电阻器件的输出信号与MR值成正比关系，因此MR数值比AMR大一个数量级以上的巨磁电阻(giantmagnetoresistance，GMR)效应的发现才真正推动了该领域的发展。巨磁电阻效应是在磁性/非磁性多层膜交叠结构中的一种量子力学效应，当不同铁磁层的磁矩之间相互平行时，载流子自旋相关的散射截面小，材料表现低阻态；当不同铁磁层磁矩相互反平行时，载流子自旋相关散射截面大，表现高阻态。

钙钛矿锰氧化物，在特定的掺杂条件和一定的温度范围内，它的磁电阻远大于磁性多层膜的GMR，要高3～4个数量级，故称为庞磁电阻效应。理论上认为CMR钙钛矿锰氧化物的磁电阻来源于锰离子导电电子自旋和局域电子自旋问的强烈耦合作用。1

庞磁电阻材料庞磁电阻材料主要是指钙钛矿锰氧化物在特定的掺杂条件和一定的温度范围内，系统的磁电阻远大于磁性多层膜的巨磁电阻，高3～4个数量级。钙钛矿锰氧化物的庞磁电阻效应与磁性多层膜巨磁电阻材料相比有很大区别，主要特点如下：

(1)庞磁电阻效应发生在钙钛矿锰氧化物材料的载流子掺杂的特定浓度区域。

(2)庞磁电阻效应为系统的本征属性，无论是单晶、薄膜或陶瓷晶体。

(3)通常在Te附近，可以得到非常大的负磁电阻效应，一般情况下，最大的磁电阻值随系统的Te增加而降低。因此，锰氧化物系统的室温磁电阻不很高。

(4)磁电阻大多呈现各向同性，与电流和磁场的相对取向无关。

(5)与多层膜巨磁电阻效应相比，锰氧化物庞磁电阻材料的驱动磁场很大。但锰氧化物的庞磁电阻效应可以弥补该方面的不足。1

磁电阻材料的应用磁电阻材料的主要应用包括巨磁电阻传感器、巨磁电阻硬盘读出磁头、巨磁电阻随机存储器、磁场传感器、场效应器件以及自旋极化粒子注入器件等。2

本词条内容贡献者为:

侯传涛 - 副教授 - 青岛大学