[科普中国]-磁电阻效应

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)。

概述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。1

磁电阻对于普通金属，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。

理论和实验证明，铁磁金属或合金的输运过程可分解为自旋向上和自旋向下两个几乎相互独立的电子导电通道，相互并联，这就是自旋相关散射的二流体模型。这种铁磁金属导电的理论，是Mott提出来的，直接从实验来验证是由Gurney在1993年通过设计新的自旋阀，得到不同的被探测层具有不同的输运性质，反映出这些被探测层对自旋向上和向下的电子具有不同的电导，同时直接测量出自旋向上和向下的电子的平均自由程相差很大。2

磁电阻效应分类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。3

常磁阻（OMR)对所有非磁性金属而言，由于在磁场中受到洛伦兹力的影响，传导电子在行进中会偏折，使得路径变成沿曲线前进，如此将使电子行进路径长度增加，使电子碰撞机率增大，进而增加材料的电阻。磁阻效应最初于1856年由威廉·汤姆森，即后来的开尔文爵士发现，但是在一般材料中，电阻的变化通常小于5%，这样的效应后来被称为“常磁阻(OMR)”。

巨磁阻(GMR)所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。3

超巨磁阻(CMR)超巨磁阻效应（也称庞磁阻效应）存在于具有钙钛矿的陶瓷氧化物中。其磁阻变化随着外加磁场变化而有数个数量级的变化。其产生的机制与巨磁阻效应(GMR)不同，而且往往大上许多，所以被称为“超巨磁阻”。 如同巨磁阻效应(GMR)，超巨磁阻材料亦被认为可应用于高容量磁性储存装置的读写头。不过，由于其相变温度较低，不像巨磁阻材料可在室温下展现其特性，因此离实际应用尚需一些努力。

异向磁阻(AMR)有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关，称为异向性磁阻效应。此原因是与材料中s轨域电子与d轨域电子散射的各向异性有关。由于异向磁阻的特性，可用来精确测量磁场。

穿隧磁阻效应(TMR)穿隧磁阻效应是指在铁磁绝缘体薄膜(约1纳米)的铁磁材料中，其穿隧电阻大小随两边铁磁材料相对方向变化的效应。此效应首先于1975年由Michel Julliere在铁磁材料(Fe)与绝缘体材料(Ge)发现；室温穿隧磁阻效应则于1995年，由Terunobu Miyazaki与Moodera分别发现。此效应更是磁性随机存取内存(magnetic random access memory，MRAM)与硬盘中的磁性读写头(read sensors)的科学基础。

应用在大多数金属中，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。4

本词条内容贡献者为:

宋春霖 - 副教授 - 江南大学