纳米材料的磁学性能课件.ppt

1、 3.4 3.4纳米材料的磁学性能纳米材料的磁学性能3.4.1磁学性能的尺寸效应3.4.2巨磁电阻效应3.4.3纳米磁性材料3.4.4磁性液体3.4.1 3.4.1 磁学性能的尺寸效应磁学性能的尺寸效应 地球磁场地球磁场地球就是一块巨大的磁铁，它的地球就是一块巨大的磁铁，它的N N极在地理极在地理的南极附近，而的南极附近，而S S极在地理的北极附近。极在地理的北极附近。 磁性材料是古老而年轻的功能材料磁性材料是古老而年轻的功能材料司南司南用天然磁石琢磨而成，重心位于底部正中，底盘光用天然磁石琢磨而成，重心位于底部正中，底盘光滑，四周刻有二十四向，使用时把长勺放在底盘上，用手滑，四周刻有二十四向

2、，使用时把长勺放在底盘上，用手轻拨，停下后长柄就指向南方轻拨，停下后长柄就指向南方沈括（沈括（1034109410341094）梦溪笔谈梦溪笔谈“以磁石磨针锋，则能指南，以磁石磨针锋，则能指南，然常微偏东，不全南也然常微偏东，不全南也”吉尔伯特吉尔伯特磁体磁体（16001600）地球本身就是一块巨大的磁石，磁）地球本身就是一块巨大的磁石，磁子午子午线线汇交于地球两个相反的端点即汇交于地球两个相反的端点即磁极磁极上上假说一：地球内部有一个巨大的磁铁矿（铁、镍等）假说一：地球内部有一个巨大的磁铁矿（铁、镍等） 无法解释：铁磁物质在温度升高到无法解释：铁磁物质在温度升高到760760以后，就会丧以后

3、，就会丧失失磁性磁性假说二：地球的环形电流产生地球的磁场，地球的自假说二：地球的环形电流产生地球的磁场，地球的自转转- -铁铁镍镍（熔融状态熔融状态）转动）转动- -内部电子定向转动内部电子定向转动- -环形电流环形电流- -磁场磁场 无法解释：地球无法解释：地球磁场磁场在历史上的几次倒转在历史上的几次倒转保护地球免受来自太空的宇宙射线的侵入保护地球免受来自太空的宇宙射线的侵入宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早的重要应用之一最早的重要应用之一-磁性液体磁性液体飞船和宇航飞船和宇航员头盔内部员头盔内部的压力的压力舱外的压力舱外的压力宇宙的温度宇宙的温度大气压力大

4、气压力接近真空接近真空很低很低最好的橡胶最好的橡胶密封寿命密封寿命-几小时几小时磁性液体理论上寿命是无限的磁性液体理论上寿命是无限的许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子例如：蜜蜂、海豚、鸽子、例如：蜜蜂、海豚、鸽子、石鳖、磁性细菌等石鳖、磁性细菌等物质的磁性从何而来？物质的磁性从何而来？电荷的运电荷的运动动来源于构成物质的原子来源于构成物质的原子-原子核和围绕原子核运动的电子原子核和围绕原子核运动的电子电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中，具有电子的自转方向总共有上下两种。在一些数物质中，具有向上自转和向下自转的向上自转和向下自转的电子数目一样多电子数目

5、一样多，它们产生的磁极会，它们产生的磁极会互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外互相抵消，整个原子，以至于整个物体对外没有磁性没有磁性。少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同少数物质（例如铁、钴、镍），它们的原子内部电子在不同自转方向上的自转方向上的数量不一样数量不一样，这样，在自转相反的电子磁矩，这样，在自转相反的电子磁矩互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩互相抵消以后，还剩余一部分电子的磁矩没有被抵消没有被抵消，这样，这样，整个原子，整个原子具有总的磁矩具有总的磁矩。 同时，由于一种被称为同时，由于一种被称为“交换作用交换作用”的机理，这些原子的机理，这些原子磁矩之间被磁矩之

6、间被整齐地排列起来整齐地排列起来，整个物体也就，整个物体也就有了磁性有了磁性。 磁学性能的尺寸效应磁学性能的尺寸效应 矫顽力矫顽力 超顺磁性超顺磁性 饱和磁化强度、居里温度与磁化率饱和磁化强度、居里温度与磁化率 磁学性能的尺寸效应磁学性能的尺寸效应晶粒尺寸晶粒尺寸进入纳米进入纳米范围范围磁性材料的磁学磁性材料的磁学性能具有明显尺性能具有明显尺寸效应寸效应使使得得纳米材料具有许多粗晶或微米纳米材料具有许多粗晶或微米晶材料所不具备的磁学特性。晶材料所不具备的磁学特性。例如：例如：纳米丝纳米丝 由于长度和由于长度和直径比直径比（ (L/d) ）很大，很大，具有很强的形状各向异性具有很强的形状各向异性

7、。 当其直径小于某一临界值时，当其直径小于某一临界值时，在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性。在零磁场下具有沿丝轴方向磁化的特性。 有限长度的原子链在低温条件下具有磁性。有限长度的原子链在低温条件下具有磁性。这是迄今为止发现的这是迄今为止发现的最小磁体最小磁体。 美国研究人员发现美国研究人员发现纳米金刚石纳米金刚石具有磁性具有磁性. .矫顽力、饱和磁化强度、居里温度矫顽力、饱和磁化强度、居里温度等等磁学参数都与晶粒尺寸相关。磁学参数都与晶粒尺寸相关。磁性粒子通常总是以磁性粒子通常总是以偶极子偶极子（南（南北两极）的形式成对出现，把一北两极）的形式成对出现，把一根磁棒截成两段，可以得到两根根磁棒截

8、成两段，可以得到两根新磁棒，它们都有新磁棒，它们都有南极南极和和北极北极。事实上，不管你怎样切割，新得事实上，不管你怎样切割，新得到的每一段小磁铁总有两个到的每一段小磁铁总有两个磁极磁极。磁和电有很多相似之处。例如，磁和电有很多相似之处。例如，同种同种电荷电荷互相推斥，异种电荷互互相推斥，异种电荷互相吸引；同名相吸引；同名磁极磁极也互相推斥，也互相推斥，异名磁极也互相吸引。正、负电异名磁极也互相吸引。正、负电荷能够荷能够单独存在单独存在，单个，单个磁极磁极能不能不能单独存在呢？能单独存在呢？磁单极存在吗？磁单极存在吗？什么是矫顽力？什么是矫顽力？ 也称为也称为矫顽性矫顽性或或保磁力保磁力，是是

9、磁性磁性材料的特性之一，是指材料的特性之一，是指在磁性材料已经磁化到在磁性材料已经磁化到磁饱和磁饱和后，要使其后，要使其磁化强度磁化强度减到零所减到零所需要的需要的磁场强度磁场强度。 矫顽力代表磁性材料抵抗矫顽力代表磁性材料抵抗退退磁磁的能力。的能力。在磁学性能中，矫顽力的大小受在磁学性能中，矫顽力的大小受晶粒尺寸变化的影响最为强烈。晶粒尺寸变化的影响最为强烈。对于大致球形的晶粒对于大致球形的晶粒晶粒尺晶粒尺寸的减小寸的减小矫顽力矫顽力增加增加HcHc达到达到一最大值一最大值晶粒的晶粒的进一步进一步减小减小矫顽力反矫顽力反而下降而下降晶粒尺晶粒尺寸相当于寸相当于单畴的尺单畴的尺寸寸对于不同的合

10、金系统对于不同的合金系统，其尺寸范围在几十，其尺寸范围在几十至几百纳米。至几百纳米。当晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力当晶粒尺寸大于单畴尺寸时，矫顽力H HC C与平均晶粒尺与平均晶粒尺寸寸D D的关系为：的关系为：DCHc 式中式中C C是与材料有关的常数。纳米材料的晶粒尺寸是与材料有关的常数。纳米材料的晶粒尺寸大于单畴尺寸时矫顽力亦随晶粒的减小而增加，符合大于单畴尺寸时矫顽力亦随晶粒的减小而增加，符合上式。上式。 6DCHc 当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后，矫顽力随晶粒的减小急剧降低。此时矫顽力与矫顽力随晶粒的减小急剧降低。此时矫顽力与晶粒尺寸的关系为

11、：晶粒尺寸的关系为：式中式中C C”为与材料有关的常数。该公式关系与为与材料有关的常数。该公式关系与实测数据符合很好。实测数据符合很好。 例如：例如：6 Fe基合金矫顽力基合金矫顽力HC与晶粒尺寸与晶粒尺寸D的关系的关系左图补充了左图补充了FeFe和和Fe-CoFe-Co合金微合金微粒在粒在1 11000 nm1000 nm范围内矫顽力范围内矫顽力H HC C与微粒平均尺寸与微粒平均尺寸D D之间的关系，之间的关系，图中同时给出了图中同时给出了剩磁比剩磁比 与与D D的关系。的关系。 Fe和和Fe-Co微粒磁性的尺寸效应微粒磁性的尺寸效应（a）Fe （b）Fe-CosRMM微粒的矫顽力微粒的矫

12、顽力H HC C与直径与直径D D的关系的关系( (尺寸效应尺寸效应) ) 当当 DDDDcritcrit时，粒子为时，粒子为多畴多畴，其反磁化为畴壁位移过程，其反磁化为畴壁位移过程，H HC C相对较小；相对较小； 当当DDDDcritcrit 时，粒子为时，粒子为单畴单畴； 当当d dcritcrit DDDDcritcrit 时，出现非均匀转动，时，出现非均匀转动， H HC C 随随D D的减小而增大；的减小而增大； 当当d dthth DdDdcritcrit 时，出现均匀转动区，时，出现均匀转动区， H HC C 达极大值；达极大值；当当DdD T Tc c时，由于原子的剧烈热运动

13、，原子磁矩的时，由于原子的剧烈热运动，原子磁矩的排列是混乱无序的。排列是混乱无序的。T T T Tc c时，原子磁矩时，原子磁矩排列整齐排列整齐，产生，产生自发磁化自发磁化。 T T T Tc c顺磁性，磁体的磁顺磁性，磁体的磁场场很容易很容易随周围磁随周围磁场的改变而改变。场的改变而改变。居里温度居里温度是指材料可以在是指材料可以在铁磁体铁磁体和和顺磁体顺磁体之间之间改变的温度。改变的温度。纳米材料通常具有较低的居里温度纳米材料通常具有较低的居里温度例如：例如：70nmNi70nmNi的居里温度比粗晶的居里温度比粗晶NiNi的低的低4040。反例：反例：直径在直径在2 225nm25nm时时

14、MnFeO4MnFeO4微粒的居里温度升高。微粒的居里温度升高。纳米材料中存在的庞大的纳米材料中存在的庞大的表面或界面表面或界面是引起是引起 下降的下降的主要原因。主要原因。随着自发极化区域尺度的减小，表随着自发极化区域尺度的减小，表/ /界面所界面所占的占的体积分数增加，活性增大体积分数增加，活性增大，材料抵抗外场的能力下，材料抵抗外场的能力下降，表现在居里温度的降低。降，表现在居里温度的降低。 的下降对于纳米磁性材料的应用是的下降对于纳米磁性材料的应用是不利不利的。的。cTcT图图. 钆纳米晶体中居里温度改变值随平均晶粒尺寸的变化钆纳米晶体中居里温度改变值随平均晶粒尺寸的变化 图中纵坐标为

15、图中纵坐标为居里温度下降值居里温度下降值（T TC C纳米晶体纳米晶体- T- TC C粗粗晶），由图可见随晶），由图可见随钆纳米晶体平均晶钆纳米晶体平均晶粒尺寸的减小，居粒尺寸的减小，居里温度呈线性下降里温度呈线性下降趋势趋势。D. Michels et al. Journal of Magnetism and Magnetic Materials.2002,250,203.什么是什么是磁化率磁化率？在宏观上，物体在磁场中被磁化的强度在宏观上，物体在磁场中被磁化的强度MM与磁场与磁场强度强度H H有关，有关，M=M= H H， 为为磁化率磁化率，是一个无量纲常数，是一个无量纲常数。顺磁性物质

16、顺磁性物质铁磁性物质铁磁性物质与尺寸无关与尺寸无关每个微粒所含的电子数可为奇或偶。每个微粒所含的电子数可为奇或偶。一价一价简单简单金属金属微粒微粒，一半粒子的电子数为奇，另一半，一半粒子的电子数为奇，另一半为偶；为偶；两价金属粒子的两价金属粒子的传导传导电子数为偶。电子数为偶。纳米微粒纳米微粒的的磁化率磁化率它所含的它所含的总总电子数的电子数的奇偶性奇偶性温温度度密密切切相相关关与与电子数为奇或偶数的粒子的磁性有不同的电子数为奇或偶数的粒子的磁性有不同的温度特点温度特点和和尺寸规律尺寸规律电子数为电子数为奇数奇数的粒子，的粒子，磁化率服从居里磁化率服从居里- -外斯定律：外斯定律： = =C

17、C/( /(T T- -T Tc) c)磁化率与温度成反比磁化率与温度成反比量子尺寸效应使磁化率遵从量子尺寸效应使磁化率遵从 d d-3 -3规律。规律。电子数为电子数为偶数偶数的系统的系统 kBT磁化率与温度成正比磁化率与温度成正比量子尺寸效应使磁化率遵从量子尺寸效应使磁化率遵从 d d2 2规律。规律。xMgFe2O4颗粒的磁化率与温度和粒径的关系颗粒的磁化率与温度和粒径的关系每一粒径的颗粒均有一每一粒径的颗粒均有一对应最大值对应最大值 值的温度，值的温度，称称“冻结或截至冻结或截至”温度温度 ，高于高于 ， 值开始下降。值开始下降。 对应于对应于热激活能热激活能的门槛值。的门槛值。温度高

18、于温度高于 时，纳米颗粒时，纳米颗粒的的晶体各向异性晶体各向异性被被热激活热激活能能克服，显示出超顺磁特性。克服，显示出超顺磁特性。xBTxBTBT3.4.2 3.4.2 巨磁电阻效应巨磁电阻效应巨磁电阻效应巨磁电阻效应 多层膜的多层膜的GMR效应效应 自旋阀的自旋阀的GMR效应效应 纳米颗粒膜的纳米颗粒膜的GMR效应效应 隧道型隧道型TMR效应效应 超巨磁阻（超巨磁阻（CMR）效应）效应 巨磁阻效应的应用巨磁阻效应的应用 巨磁电阻效应巨磁电阻效应 )0()0()()0(HRRMR外加外加磁场磁场引起引起材料电材料电阻率的阻率的变化变化磁电阻或磁电阻或磁阻效应（磁阻效应（MRMR）普通材料的磁

19、阻效应很小。普通材料的磁阻效应很小。如：如：工业上有使用价值的坡莫尔合金的各向异性工业上有使用价值的坡莫尔合金的各向异性磁阻（磁阻（AMRAMR）效应最大值也末突破）效应最大值也末突破2.52.5。19881988年，年，BaibichBaibich等人在由等人在由FeFe、CrCr交替沉积而形成交替沉积而形成的纳米多层膜中发现了超过的纳米多层膜中发现了超过5050的的MRMR，且为各向，且为各向同性，负效应，这种现象被称为同性，负效应，这种现象被称为巨磁电阻巨磁电阻（GiantGiant MagnetoresistanceMagnetoresistance，GMRGMR）效应）效应。1992

20、1992年，年，BerkowitzBerkowitz等人在等人在Cu-CoCu-Co等颗粒膜中也观察到等颗粒膜中也观察到GMRGMR效应。效应。19931993年，年，HelmoltHelmolt等人在类钙钛矿结构的稀土等人在类钙钛矿结构的稀土MnMn氧化物中观察到氧化物中观察到 R R/ /R R可达可达10103 310106 6的超巨磁阻效应，又称的超巨磁阻效应，又称庞磁阻效庞磁阻效（CMRCMR）。）。对对GMRGMR的研究工作，在不长的时间内取得了令人瞩目的研究的研究工作，在不长的时间内取得了令人瞩目的研究成果，成果，19951995年美国物理学会已将年美国物理学会已将GMRGMR效

21、应列为当年凝聚态物理效应列为当年凝聚态物理中中五个研究热点的首位五个研究热点的首位。 2007年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖巨磁电阻。巨磁电阻。 “巨磁电阻巨磁电阻”效应，也就是指在一个巨磁效应，也就是指在一个巨磁电阻系统中，电阻系统中，非常弱小的磁性变化非常弱小的磁性变化就能就能导致巨大的电阻变化导致巨大的电阻变化的特殊效应。而我们知的特殊效应。而我们知道，如果想要制造容量越来越大、体积越来越小的硬盘，必须解决如何将弱小的磁道，如果想要制造容量越来越大、体积越来越小的硬盘，必须解决如何将弱小的磁信号变化放大为清晰的电信号的棘手问题。借助信号变化放大为清晰的电信号的棘手问题。借助“巨磁电阻巨磁电

22、阻”效应，人们能够制造效应，人们能够制造出更加灵敏的数据读出头，将出更加灵敏的数据读出头，将越来越弱的磁信号读出来后因为电阻的巨大变化而转越来越弱的磁信号读出来后因为电阻的巨大变化而转换成为明显的电流变化换成为明显的电流变化，使得大容量的小硬盘成为可能。，使得大容量的小硬盘成为可能。 2007年诺贝尔物理奖得主年诺贝尔物理奖得主的获奖成果，离我们是如此之近。在我们背包中的笔记本电脑里，在我们口袋中的的获奖成果，离我们是如此之近。在我们背包中的笔记本电脑里，在我们口袋中的音乐播放器里，我们都能分享到这一伟大成果所带来的福祉。音乐播放器里，我们都能分享到这一伟大成果所带来的福祉。 法国法国 Alb

23、ert Fert 德国德国 Peter Grnberg 目前，已发现具有目前，已发现具有GMRGMR效应的材料主要有效应的材料主要有多层膜、自旋阀多层膜、自旋阀、颗粒膜颗粒膜、非连续多层膜非连续多层膜、氧化物超巨磁电阻薄膜氧化物超巨磁电阻薄膜等五大类。等五大类。GMR, CMR, TMRGMR, CMR, TMR效应将在小型化和微型化高密度磁记录读出头效应将在小型化和微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和传感器中获得应用。、随机存储器和传感器中获得应用。 多层膜的多层膜的GMRGMR效应效应 3d3d过渡族金属过渡族金属铁磁性元素或铁磁性元素或其合金其合金CuCu、CrCr、AgAg、AuAu

24、等等导体导体构成的金构成的金属超晶格属超晶格多层膜多层膜满足三个条件满足三个条件具有具有GMRGMR效应效应1 1）铁磁性导体铁磁性导体/ /非铁磁性导体非铁磁性导体超晶格中，铁磁性导超晶格中，铁磁性导体层之间构成自发磁化矢量的体层之间构成自发磁化矢量的反平行结构反平行结构（零磁场零磁场），），相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场作用下发生改变相邻磁层磁矩的相对取向能够在外磁场作用下发生改变。铁磁性层铁磁性层铁磁性层铁磁性层非磁性隔离层非磁性隔离层非磁性隔离层非磁性隔离层铁磁性层铁磁性层铁磁性层铁磁性层非磁性隔离层非磁性隔离层非磁性隔离层非磁性隔离层铁磁性层铁磁性层铁磁性层铁磁性层 GMR多层膜

25、的结构多层膜的结构（a）零磁场时）零磁场时 （b）超过饱和磁场时）超过饱和磁场时2 2）金属超晶格的周期（每一重复的厚度，即）金属超晶格的周期（每一重复的厚度，即调制调制波长波长）应比载流电子的）应比载流电子的平均自由程短平均自由程短。例如：例如：CuCu中电子的平均自由程大致在中电子的平均自由程大致在34nm34nm左右。左右。实际上，实际上，Fe/CrFe/Cr及及Cu/CoCu/Co等非磁性导体层等非磁性导体层/ /磁性导磁性导体的单元厚度一般都在几纳米以下。体的单元厚度一般都在几纳米以下。3 3）自旋取向不同的两种电子（向上和向下），）自旋取向不同的两种电子（向上和向下），在磁性原子上

26、的在磁性原子上的散射差别必须很大散射差别必须很大。Fe/Cr多层膜的多层膜的GMR（4.2K）效应）效应Baibich M N, Broto J M, Fert A. PRL. 1988. 61, 2473. Fe/Cr Fe/Cr金属超晶格巨磁阻金属超晶格巨磁阻效应如图所示。图中纵轴效应如图所示。图中纵轴是外加磁场为零时的电阻是外加磁场为零时的电阻R(HR(H0) 0)为基准归一化的相为基准归一化的相对阻值，对阻值，横轴为外加磁场横轴为外加磁场。FeFe膜厚膜厚3nm3nm，CrCr膜厚膜厚0.9nm0.9nm，积层周期为，积层周期为6060，构，构成超晶格。通过外加磁场成超晶格。通过外加磁

27、场，其电，其电阻值降低达大约阻值降低达大约5050。 GMRGMR效应对于效应对于非磁性导体隔离层的厚度非磁性导体隔离层的厚度十分敏感。在任十分敏感。在任意单位下，相对于隔离层厚度，最大意单位下，相对于隔离层厚度，最大MRMR比呈现出振动特性。比呈现出振动特性。随非磁导体隔离层厚度的增加，电阻变化趋缓随非磁导体隔离层厚度的增加，电阻变化趋缓。对于。对于Co/CuCo/Cu系系统来说，统来说，P1P1、P2P2、P3P3三个峰的位置分别在三个峰的位置分别在1nm1nm、2nm2nm、3nm3nm附附近，显示出较好的周期性。近，显示出较好的周期性。非磁性导体隔离层对非磁性导体隔离层对GMR的影响的

28、影响用用Mott关于铁磁性金属电导的理论（关于铁磁性金属电导的理论（二流体模型二流体模型）来解释。）来解释。在铁磁金属中，导电的在铁磁金属中，导电的s s电子要受到磁性原子磁矩的电子要受到磁性原子磁矩的散射散射作用作用，散射的几率散射的几率取决于：导电的取决于：导电的s s电子自旋方向电子自旋方向与固体中磁性原与固体中磁性原子子磁矩方向的相对取向磁矩方向的相对取向。自旋方向与磁矩方向自旋方向与磁矩方向一致一致的电子受到的散射作用的电子受到的散射作用很弱很弱，自旋方向与磁矩方向自旋方向与磁矩方向相反相反的电子则受到的电子则受到强烈强烈的散射作用，而的散射作用，而传导电子受到散射作用的强弱直接影响

29、到材料电阻的大小。传导电子受到散射作用的强弱直接影响到材料电阻的大小。 GMRGMR的原理的原理A A）没有外加磁场时，相邻磁层存在）没有外加磁场时，相邻磁层存在反平行磁矩反平行磁矩两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其两种自旋状态的传导电子都在穿过磁矩取向与其自旋方向相同的一个磁层自旋方向相同的一个磁层后，遇到另一个后，遇到另一个磁矩取向与其磁矩取向与其自旋方向相反的磁层自旋方向相反的磁层，并在那里受到，并在那里受到强烈的散射强烈的散射作用，作用，也就是说，没有哪种自旋状态的电子也就是说，没有哪种自旋状态的电子可以穿越两个或两个可以穿越两个或两个以上的磁层以上的磁层。在宏观上，多层膜处于

30、在宏观上，多层膜处于高电阻状态。高电阻状态。B B）外加磁场足够大，）外加磁场足够大，反平行排列反平行排列的各层磁矩都的各层磁矩都沿外场方向排列一致沿外场方向排列一致。传导电子中，自旋方向与磁矩传导电子中，自旋方向与磁矩取向相同取向相同的那一半电子可以很容易的那一半电子可以很容易地穿过许多磁层而只受到地穿过许多磁层而只受到很弱的散射很弱的散射，而另一半自旋方向与磁矩而另一半自旋方向与磁矩取向相反取向相反的电子则在每一磁层都受到的电子则在每一磁层都受到强烈的散射强烈的散射作用。作用。有一半传导电子存在一低电阻通道。有一半传导电子存在一低电阻通道。在宏观上，多层膜处于在宏观上，多层膜处于低电阻状态

31、低电阻状态，这样就产生了这样就产生了GMR现象现象。 上述模型的描述是上述模型的描述是非常粗略非常粗略的，而且只考虑了电子在磁层的，而且只考虑了电子在磁层内部的散射，即所谓的内部的散射，即所谓的体散射体散射。 实际上，在磁层与非磁层界面处的实际上，在磁层与非磁层界面处的自旋相关散射自旋相关散射有时更为有时更为重要，尤其是在一些重要，尤其是在一些GMRGMR较大的多膜层系统中，较大的多膜层系统中，界面散射作界面散射作用占主导地位用占主导地位。虽然多膜层具有很高的。虽然多膜层具有很高的GMRGMR，但由于强反铁，但由于强反铁磁耦合使饱和磁场高（磁耦合使饱和磁场高（1T1T），其磁场传感灵敏度），其

32、磁场传感灵敏度S=S= R/(RHR/(RHS S) ) 低于低于0.010.01/Oe/Oe，远小于玻莫尔合金的灵敏度，远小于玻莫尔合金的灵敏度0.30.3/Oe/Oe。 巨磁阻磁头的核心部分是四层膜：巨磁阻磁头的核心部分是四层膜：自由膜、非磁性膜、引线膜和反铁磁自由膜、非磁性膜、引线膜和反铁磁膜膜。巨磁阻磁头示意图巨磁阻磁头示意图自由膜自由膜的作用是对盘片上的磁记录信息作响应，在没有外加的作用是对盘片上的磁记录信息作响应，在没有外加磁场的情况下，它的磁化方向与磁场的情况下，它的磁化方向与引线膜引线膜垂直垂直，此时无论何种自旋方，此时无论何种自旋方向的电子都很难穿过自由膜和引线膜，向的电子都

33、很难穿过自由膜和引线膜，相当于电阻值高相当于电阻值高。 当盘片上的磁记录位的磁场方向和当盘片上的磁记录位的磁场方向和自由膜自由膜的磁化方向相反时，的磁化方向相反时，自由膜自由膜的磁化方向发生偏转，与的磁化方向发生偏转，与引线膜引线膜平行平行，此时自旋方向平行于，此时自旋方向平行于它们的电子就很容易穿过这两层，它们的电子就很容易穿过这两层，相当于电阻值低相当于电阻值低。读取数据时，电流持续流经各膜，通过检测读取数据时，电流持续流经各膜，通过检测电阻的变化电阻的变化就可就可以得到反映磁记录位的以得到反映磁记录位的磁场方向磁场方向和和磁通强度磁通强度的函数。这种利用电子的函数。这种利用电子的自旋特性

34、、像阀门一样限制电子移动的结构就被称为的自旋特性、像阀门一样限制电子移动的结构就被称为自旋阀结构自旋阀结构，也是当今主流的磁头结构。，也是当今主流的磁头结构。IBM公司制造的巨磁阻磁头示意图公司制造的巨磁阻磁头示意图纳米颗粒膜的纳米颗粒膜的GMRGMR效应效应 纳米颗粒膜纳米颗粒膜是指纳米量级的铁是指纳米量级的铁磁性相与非铁磁性导体相非均匀析磁性相与非铁磁性导体相非均匀析出构成的合金膜。在铁磁颗粒的尺出构成的合金膜。在铁磁颗粒的尺寸及其间距小于电子平均自由程的寸及其间距小于电子平均自由程的条件下，颗粒膜就有可能呈现条件下，颗粒膜就有可能呈现GMRGMR效应。效应。 除颗粒尺寸外，巨磁电阻效应还

35、与除颗粒尺寸外，巨磁电阻效应还与颗粒形态颗粒形态相关，对合金进行相关，对合金进行退火处理可以促使进一步相分离，从而影响巨磁电阻效应。退火处理可以促使进一步相分离，从而影响巨磁电阻效应。 纳米颗粒合金中的纳米颗粒合金中的GMRGMR效应最早是在溅射效应最早是在溅射Cu-CoCu-Co合金单层膜合金单层膜（膜厚数百纳米）中发现的，它表现出比较大的负效应，（膜厚数百纳米）中发现的，它表现出比较大的负效应，室温下，在室温下，在160kA/m160kA/m的磁场下，的磁场下，MRMR比最大达比最大达7 7。Cu-CoCu-Co合金单层膜系统中的母相为合金单层膜系统中的母相为CuCu，在母相中弥散分布着在

36、母相中弥散分布着CoCo纳米颗粒相，后者具有磁矩。纳米颗粒相，后者具有磁矩。当传导电子在当传导电子在CuCu母相中流过时，母相中流过时，出现出现GMRGMR效应效应。 纳米颗粒膜中的巨磁阻效应纳米颗粒膜中的巨磁阻效应 是如何产生的呢？是如何产生的呢？主要源于：主要源于：电子在磁性颗粒电子在磁性颗粒表面表面或或界面界面的散射。的散射。它与颗粒直径成反比，或者说与颗粒的比表面积它与颗粒直径成反比，或者说与颗粒的比表面积成正比关系。成正比关系。颗粒粒径越小、表面积越大，界面所起的散射作颗粒粒径越小、表面积越大，界面所起的散射作用越大。用越大。CoCo2020AgAg8080纳米颗粒膜的纳米颗粒膜的G

37、MRGMR效应与效应与CoCo颗粒半径颗粒半径的关系的关系1 1）GMRGMR效应与颗粒半径成线性关系效应与颗粒半径成线性关系2 2）颗粒半径越小，）颗粒半径越小，GMRGMR效应越显著效应越显著 Co Cox xAgAg1-x1-x颗粒膜的颗粒膜的GMRGMR效应与效应与CoCo含量（含量（x x）之间的关系）之间的关系 Co Co含量（含量（x x）=22%=22%时时GMRGMR效应最显著效应最显著隧道结磁电阻（隧道结磁电阻（TMRTMR）效应）效应 在金属膜之间夹有数纳米厚的在金属膜之间夹有数纳米厚的绝缘层绝缘层，构成三明治结构。在两金属之间加低电构成三明治结构。在两金属之间加低电压，

38、电子不是越过势垒，而是在能垒中压，电子不是越过势垒，而是在能垒中穿过，这便是穿过，这便是隧道贯穿现象隧道贯穿现象。绝缘层为非铁磁性时，电子贯穿前后自绝缘层为非铁磁性时，电子贯穿前后自旋方向不改变。旋方向不改变。如果三明治结构为如果三明治结构为铁磁性铁磁性A A/ /非铁磁性绝缘层非铁磁性绝缘层/ /铁磁性铁磁性B B，传导电子在贯穿三明治结构时，传导电子在贯穿三明治结构时，会怎样？会怎样？电子不受绝缘层的影响，电子不受绝缘层的影响，但要受到铁磁性但要受到铁磁性A A层、铁层、铁磁性磁性B B层层自发磁化自发磁化MsMs的影响。的影响。自旋方向不同的电子穿过隧道的几率不同，所产生自旋方向不同的电

39、子穿过隧道的几率不同，所产生的巨磁电阻效应称为的巨磁电阻效应称为隧道磁电阻（隧道磁电阻（TMRTMR）效应）效应。 关于隧道效应的研究一直在进行中，自发现关于隧道效应的研究一直在进行中，自发现金属超晶格金属超晶格GMRGMR之后，它再一次引起人们的注目之后，它再一次引起人们的注目。有人采用。有人采用Fe/AlFe/Al2 2O O3 3/Fe/Fe磁性三明治结构研究隧道磁性三明治结构研究隧道型型GMRGMR效应，室温的效应，室温的GMRGMR达到达到1818。由于这种器。由于这种器件膜层较厚，制作容易，对于实用器件，意义很件膜层较厚，制作容易，对于实用器件，意义很大。其缺点是该结构的大。其缺点

40、是该结构的电阻较大电阻较大。 材料材料磁阻效应磁阻效应（）（）饱和磁化强饱和磁化强度（度（Oe）磁场敏感度磁场敏感度（/Oe）注释注释多层膜多层膜1010010020000.1有磁滞现象有磁滞现象自旋阀自旋阀5105501.0热稳定性差热稳定性差颗粒膜颗粒膜62080080000.01有磁滞现象有磁滞现象隧道结隧道结10255252.0高电阻高电阻AMR25200.4低磁场低磁场GMRGMR性能的比较性能的比较超巨磁阻（超巨磁阻（CMR）效应）效应 19931993年，年，HelmoltHelmolt等人在等人在LaLa2/32/3BaBa1/31/3MnOMnO3 3薄膜中观察薄膜中观察到到

41、巨磁电阻效应巨磁电阻效应。 由于它比金属材料中的磁阻效应大由于它比金属材料中的磁阻效应大几个数量级几个数量级，且产生的机制不同，因而将其称为，且产生的机制不同，因而将其称为CMRCMR效应效应， 国内也有人称其为宏磁电阻、庞磁电阻、超大磁国内也有人称其为宏磁电阻、庞磁电阻、超大磁电阻、极大磁电阻等。电阻、极大磁电阻等。 CMR CMR效应产生的机理至今仍不十分清楚。效应产生的机理至今仍不十分清楚。 巨磁阻效应的应用巨磁阻效应的应用 在巨磁阻效应发现后的不长时间内，不断开发出一在巨磁阻效应发现后的不长时间内，不断开发出一系列崭新的磁电子学器件。系列崭新的磁电子学器件。 使计算机使计算机外存储器外

42、存储器的容量获得了突破性进展，的容量获得了突破性进展， 并使家用电器、自动化技术和汽车工业中应用的并使家用电器、自动化技术和汽车工业中应用的传感器传感器得以更新。得以更新。 例如，例如，IBMIBM公司从公司从19941994年起利年起利用用GMRGMR效应制做出了硬盘驱动器效应制做出了硬盘驱动器（HDDHDD）读出磁头，使）读出磁头，使HDDHDD的面的面密度达到密度达到每平方英寸每平方英寸1010亿位（亿位（1Gbt/in1Gbt/in2 2）， 至至19961996年已达到年已达到5Gbt/in25Gbt/in2，将，将磁盘记录密度一下提高了磁盘记录密度一下提高了1717倍倍，其，其市场

43、产值再市场产值再19981998年已达到年已达到340340亿美亿美元。元。 在此基础上在此基础上19951995年又发现了室年又发现了室温下工作的隧道结（温下工作的隧道结（TMRTMR）材料）材料，其存储性能指标又有数量级的提，其存储性能指标又有数量级的提高，对网络技术的影响将进一步增高，对网络技术的影响将进一步增大。大。3.4.3 3.4.3 纳米磁性材料纳米磁性材料纳米磁性材料纳米磁性材料 纳米软磁材料纳米软磁材料 纳米复合永磁材料纳米复合永磁材料 巨磁化强度材料巨磁化强度材料 纳米磁性材料纳米磁性材料 软磁材料：软磁材料：又称为高磁导率又称为高磁导率材料材料, ,具有高的具有高的磁导率

44、磁导率，其基，其基本功能是迅速响应外磁场的本功能是迅速响应外磁场的变化，变化，低损耗低损耗地获得高的地获得高的磁磁通密度通密度或或高磁化强度。高磁化强度。磁导率？磁导率？磁介质中磁介质中磁感应强度磁感应强度B B与与磁场强度磁场强度H H之比之比通俗讲：磁化和去磁化都很容易通俗讲：磁化和去磁化都很容易软磁材料典型的磁滞迴曲线软磁材料典型的磁滞迴曲线为了：迅速响应外磁场的变化，要求为了：迅速响应外磁场的变化，要求低的矫顽力低的矫顽力。为了：实现低损耗，要求具有为了：实现低损耗，要求具有高的电阻率高的电阻率。小的矫顽力，小的矫顽力，一般不大于一般不大于1000A/m1000A/m高的饱和高的饱和磁

45、化强度磁化强度计算和实践都表明计算和实践都表明，磁化率正比于饱和磁化，磁化率正比于饱和磁化强度的平方，反比于磁性晶体的各向异性常强度的平方，反比于磁性晶体的各向异性常数数K K1 1，或磁致伸缩常数，或磁致伸缩常数 s s 。因此，软磁材料还应具有因此，软磁材料还应具有高的高的 MsMs 低的低的 K1K1常用的软磁材料：电工软铁、硅钢、坡莫尔合金、磁性非晶等常用的软磁材料：电工软铁、硅钢、坡莫尔合金、磁性非晶等。被广泛用于：制造发动机、发电机、变压器。被广泛用于：制造发动机、发电机、变压器。在磁性材料中所占的在磁性材料中所占的比例最大。比例最大。2020 世纪世纪 6060 年代末，美国年代

46、末，美国研究出用研究出用快速凝固技术快速凝固技术制制造造非晶合金软磁材料非晶合金软磁材料；引发了引发了近年来近年来纳米晶软磁材料纳米晶软磁材料和和纳米薄膜软磁材料纳米薄膜软磁材料的研究热潮，将会使高频领域的电磁器件发生的研究热潮，将会使高频领域的电磁器件发生革命革命性的变化。性的变化。8080 年代后期，日本研究出在年代后期，日本研究出在非晶合金基础上利用非晶合金基础上利用再退火晶再退火晶化技术化技术制造制造微晶合金软磁材料微晶合金软磁材料。软磁材料应用的软磁材料应用的两大重要进展两大重要进展 80 80年代，非晶合金软磁材料的品种已经基本定型年代，非晶合金软磁材料的品种已经基本定型主要类型有

47、三种：主要类型有三种：（ 1 1 ）铁基非晶合金，主要成分为）铁基非晶合金，主要成分为铁硅硼铁硅硼。饱和磁通饱和磁通密度高密度高，工频和中频下，工频和中频下损耗低损耗低，价格便宜。主要用于，价格便宜。主要用于工频和中频电磁器件。工频和中频电磁器件。（ 2 2 ）钴基非晶合金，主要成分为）钴基非晶合金，主要成分为钴铁硅硼钴铁硅硼。磁导率磁导率高，饱和磁通密度低，损耗低高，饱和磁通密度低，损耗低，价格贵价格贵。主要用于中。主要用于中高频电磁器件。高频电磁器件。（ 3 3 ）铁镍基非晶合金，主要成分为）铁镍基非晶合金，主要成分为铁镍硅硼铁镍硅硼。初始。初始磁导率高磁导率高，低频下，低频下损耗低损耗低

48、。主要用于检测电磁器件和。主要用于检测电磁器件和漏电开关用互感器等。漏电开关用互感器等。为了克服为了克服钴基非晶合金钴基非晶合金饱和磁通密度低，价格贵的缺饱和磁通密度低，价格贵的缺点。点。19881988 年日本开发出微晶合金，商品名叫年日本开发出微晶合金，商品名叫 FinementFinement。它是在它是在铁基非晶合金铁基非晶合金中加微量的中加微量的铜铜和和铌铌，再经过适当，再经过适当的热处理，使其部分晶化，而得到晶粒大小为微米至的热处理，使其部分晶化，而得到晶粒大小为微米至纳米范围的微晶合金。纳米范围的微晶合金。晶粒大小为纳米范围的又称为纳米晶合金。晶粒大小为纳米范围的又称为纳米晶合金

49、。图几种纳米软磁材料的图几种纳米软磁材料的 e-Bs 关系关系铁基非晶合金，铁基非晶合金，饱和磁化强度较高饱和磁化强度较高钴基非晶合金，磁化率较高钴基非晶合金，磁化率较高，但是饱和磁化强度低，但是饱和磁化强度低目标！目标！max软磁材料的性能软磁材料的性能 各种软磁材料都有自己的优缺点，即使将各种软磁材料都有自己的优缺点，即使将来人们可以通过原子和分子结构来设计和制造来人们可以通过原子和分子结构来设计和制造软磁材料，理想的软磁材料也只是追求的目标软磁材料，理想的软磁材料也只是追求的目标。因为：因为：工作磁通密度不可能无限制的高，允许工作磁通密度不可能无限制的高，允许的的工作频率工作频率不可能无

50、限制的高，不可能无限制的高，损耗损耗不可能为不可能为零，零，成本成本也不可能为零。也不可能为零。永磁材料：永磁材料：亦称硬磁材料或亦称硬磁材料或高矫顽力材料高矫顽力材料，用于存贮静，用于存贮静磁能，其性能用最大磁能，其性能用最大磁能积磁能积来表示。来表示。磁能积？磁能积？退磁曲线退磁曲线上任何一点的上任何一点的B B和和H H的乘积。的乘积。意义意义：是：是磁能积越大磁能积越大，产生同样效果，产生同样效果时所需磁材料越少。时所需磁材料越少。为了：获得最大磁能积，为了：获得最大磁能积，永磁材料必须具有永磁材料必须具有高的高的剩磁剩磁 高的矫高的矫顽力顽力 420sM但是但是磁能积的最大理论值：磁