基本介紹
- 中文名：GMR自旋閥
- 外文名：GMR spin valve
- 別名：自旋閥型GMR材料
- 簡稱：SVGMR
- 屬性：GMR材料的一種
- 套用：測量方向、位移、角度等感測器
簡介,結構,理論研究,套用,
簡介
1986年，P.Grünberg等人在Fe/Cr多層膜中發現鐵磁層之間可以出現反鐵磁耦合狀態 ，即相鄰Fe層中的磁化矢量成反平行排列。與此相聯繫，1988年，Baibich等人 報導了驚人的發現：低溫下，(01)Fe/(01)Cr磁性超晶格在一定磁場下其電阻變化率達50%，且電阻變化率為負，磁電阻值基本上是各向同性的。隨之，在大量其他金屬製成的磁性多層膜系統，磁性納米管及磁顆粒系統中也發現了這種巨大的磁電阻效應，稱為巨磁電阻效應（GMR）。
此後，巨磁電阻效應及其材料的基礎研究和套用研究迅速成為人們關注的熱點。但早期研究的磁性多層膜材料只有在低溫和高磁場下才產生顯著的電阻變化，制約了該類巨磁電阻材料的套用。自1989年起，Binasch，S.P.Parkin等人相繼在室溫下的磁性多層膜中觀察到GMR現象，突破了溫度對GMR現象的限制。1991年IBM公司的B.Dieny提出自旋閥多層膜結構，並首先在其中發現了低飽和場GMR效應，從而打破了磁場條件對GMR材料套用的束縛。1994年，IBM公司成功將自旋閥結構的讀出磁頭套用到硬碟驅動器，並在4年後投入市場。目前，自旋閥結構的讀出磁頭已成為磁頭的主流。此後自旋閥型GMR隨機存儲器及磁感測器等採用自旋閥結構的電子產品相繼問世，對電子工業及材料工業產生廣泛而深遠的影響。
結構
研究發現，在磁性多層膜中出現GMR效應必須滿足兩個關鍵條件：①相鄰磁層中磁矩的相對取向通過某種方式發生變化；②各單層厚度必須小於多層膜中電子的平均自由程若干倍。
在通常的磁性多層膜中存在較強的層間交換耦合，阻礙了相鄰磁層中磁矩相對取向發生變化，GMR效應必須在很高的飽和外磁場(10至20kOe)才能達到，所以這樣的多層膜體系的磁電阻的靈敏度非常小。若採用不存在(或具有很小)交換耦合的相鄰鐵磁層，在較小的磁場下相鄰鐵磁層的磁矩就能從平行排列到反平行排列或從反平行排列到平行排列，同樣可獲得巨磁電阻效應。1991年，IBM公司的B.Dieny提 出鐵磁層/隔離層/鐵磁層/反鐵磁層結構，並首先在Ni Fe/Cu/Ni Fe/Fe Mn多層膜中發現了低飽和場GMR效應。這種結構的多層膜利用電子的自旋特性，像閥門一樣限制電子的移動，故命名為自旋閥(spin valve)。
自旋閥通常可分為兩種基本方式：一種是被非磁層分開的兩軟磁層之一用反鐵磁層(如MnFe或NiO)通過交換作用釘扎，如MnFe/FeNi/Cu/FeNi自旋閥多層膜結構；另一種是具有不同矯頑力的兩鐵磁層(通常一軟一硬)用非磁層分開。
採用第一種方式的GMR自旋閥基本結構如圖1(a)所示。該類自旋閥多層膜結構原理上可以分為四層：反鐵磁釘扎層，鐵磁被釘扎層，非磁性分隔層和鐵磁自由層。其中，自由層和被釘扎層採用軟鐵磁材料(也可採取自由層為軟鐵磁材料，被釘扎層使用硬鐵磁材料的結構)，它們之間的非磁性金屬隔離層，只對自由層和被釘扎層進行磁隔離，而不進行電隔離，改變其厚度可以控制在其兩面磁性薄膜之間的耦合強度，外磁場可以較方便地改變自由層的磁矩而較難改變被釘扎層的磁矩。由於鐵磁和反鐵磁材料在交換耦合作用下形成一個偏轉場，該偏轉場會將被釘扎層的磁化方向固定，在一定的磁場範圍內不隨外磁場轉動。鐵磁自由層在較小磁場的作用下，其磁矩能夠比較自由地反轉，實現在較小磁場作用下自由層和被釘扎層間磁矩相對取向的變化，使自旋閥磁電阻的靈敏度很高。
圖1
在此納米多層膜基本結構中， 鐵磁被釘扎層，非磁性分隔層和鐵磁自由層的厚度均只有幾個納米，遠小於電子的平均自由程。實際的 GMR自旋閥納米多層膜可達10層以上，總厚度不超過20nm-30nm，採用多種金屬及合金材料。
理論研究
同其他GMR磁性多層膜一樣，自旋閥多層膜中的巨磁電阻效應與磁場的方向無關，它僅依賴於相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向，而外磁場的作用不過是改變相鄰鐵磁層的磁矩的相對取向。這一切說明電子的輸運與電子的自旋散射有關。由於在與自旋相關的s-d散射中，當電子的自旋與鐵磁金屬的自旋向上的3d子帶平行時，其平均自由程長，相應的電阻率低；而當電子的自旋與鐵磁金屬的自旋向下的3d子帶平行時，其平均自由程短，相應的電阻率高。因此，當相鄰鐵磁層的磁矩反鐵磁耦合時，在一個鐵磁層中受散射較弱的電子進入另一鐵磁層中必定遭受較強的散射。故從整體上說，所有電子都遭受較強的散射；而當相鄰鐵磁層的磁矩在磁場的作用下趨於平行時，自旋向上的電子在所有鐵磁層中均受到較弱的散射，相當於自旋向上的電子構成了短路狀態。這就是基於Mott的二流體模型對GMR效應的簡單解釋 ，如圖2所示。該模型中，將傳導電流中自旋向上和自旋向下的電子所成的電子流人為分離開來，並且假設自旋不同的電子流在散射過程中其自旋不翻轉。
圖2
目前關於巨磁電阻效應起因的理論模型都以Mott的二流體模型為基礎，其中較簡化而且圖像清楚的是等效電阻網路模型，但該模型分析的散射方式是體散射，只考慮了電子在材料內部而不是在界面上的散射，它的建立是非常粗略的。研究發現，除了自旋散射，巨磁電阻效應還同電子平均自由路徑與膜厚度之比有關。由此Camley和Barnas於1989年和1990年引入界面自旋相關散射係數和自旋相關體散射係數，利用Bolzman方程首先對磁性金屬多層膜的巨磁電阻效應進行了定量計算，但他們的這種處理方法並沒有把界面粗糙程度的散射和體散射歸於同等地位。所設計的樣品中，磁電阻的理論值與實驗值相符得很好，說明了其中的界面散射比體散射占優勢。後來Johnson和Camley更進一步改進了界面自旋相關散射，計算的巨磁電阻值與實驗值相當一致。Levy以及Vedyayev等人也基於量子輸運理論對多層膜GMR效應進行了理論處理。所有這些理論研究都認為界面和體內的雜質與缺陷的散射是導致多層膜GMR效應的關鍵。此外，Schep等人在區域自旋密度近似的框架下對電子結構效應作過研究，認為即使沒有雜質散射，通過s-d雜化也可以導致GMR效應。目前，多數實驗表明，多層膜GMR效應主要來源於界面自旋相關的散射，與界面原子排列的粗糙度密切相關 ，合適的界面粗糙度可獲得較大的GMR效應。
套用
在過去的時間裡，已開發出一系列高靈敏度GMR磁電子器件，其套用已發展到計算機磁頭、磁隨機存貯器、巨磁電阻感測器等許多領域 。
在金屬多層膜巨磁電阻效應發現僅六年之後，1994年IBM公司宣布成功研製出讀出磁頭為自旋閥結構的硬碟驅動器，將磁碟系統的記錄密度一下子提高了17倍，達10Gb/in ，並於1998年正式投放市場。在短短几年的時間裡，實現了GMR磁頭技術從實驗室到市場的高速轉變，促使計算機電子工業出現重大突破。隨後通過對自旋閥材料的進一步研究與改進，到2006年，硬碟面記錄密度已提高到421Gb/in 。
GMR自旋閥納米多層膜也可用於製作巨磁電阻磁隨機存儲器(GMR RAM)。1995年IBM公司的Tang等人提出自旋閥型GMR存儲單元，其開關速度在亞納秒數量級，成為可與半導體隨機存儲器相競爭的新型記憶體儲器。
