巨磁阻效应的原理及应用
物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR）。
要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数l、自旋量子数s＝1／2，和总角动量量子数j。主量子数（n=1，2，3，4 …）会视电子与原子核间的距离（即半径座标r）而定。平均距离会随着n增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。角量子数（l=0，1 … n-1）（又称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，l=0的轨道叫s 轨道，l=1的叫p轨道，l=2的叫d轨道，而l=3的则叫f轨道。磁量子数（ml= -l，-不倒翁沙袋
l+1 … 0 … l-1，l）代表特征值，。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不抽纸机
能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的第四个量子数—自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。
“我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s 电子传递，其有效质量近乎于自由电子。然而电阻则取决于电子从 s 带跃迁到 d 带的散射过程，因为跃迁几率与终态的态密度成正比，而局域性的 d 带在费米面上的态密度是很大的。这就是过渡金属电阻率高的原因。这种 s-d 散射率取决于 s 电子与 d 电子自旋的相对取向。
巨磁电阻（GMR）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。GMR是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非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。关于这种效应可以用两自选电流模型来解释：
普通磁电阻 (正, 极小, 各向异性)
巨磁电阻 (负, 巨大 , 各向同性)
1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间耦合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δρ/ρ在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR效应的概念，在学术界引起了
很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、
Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间耦合多层膜。1988年后的3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜如
[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]等结构，此后更掀起了GMR效应的研发热潮。
巨磁电阻效应的发现打开了一扇通向新技术世界的大门——自旋电子学。这是一次好
奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百兆、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百 G 乃至上千 G 。巨磁电阻效应从发现到器件的商
品应用也是一个迅速转化的过程。现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域，还出现
苯丙酮合成了许多GMR 器件，如磁盘驱动器的读写磁头和随机存储器（RAM）等。磁电子新技术的实
用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技术的成功开发。发现GMR效应后，在应用电子随机
自旋度的道路上迈开了第一步。最近10多年来，对自旋输运电子技术的应用开发取得突
飞猛进的进展，收到明显的经济效益和社会效益。现在就将GMR的部分应用列举如下：
构成GMR磁头和传感器的核心元件是自旋阀（SpinValve）元件。它的基本结构是由
脚踏式垃圾桶钉扎磁性层（例如Co）、Cu间隔层和自由磁性层（例如NiFe等易磁化层）组成的多层膜。由于钉扎层的磁矩与自由磁层的磁矩之间的夹角发生变化会导致SV-GMR元件的电阻值改变，进而使读出电流
发生变化。运用SV-GMR元件的磁传感器，检测灵敏度比使用MR元件
的器件高1至数个量级，更容易集成化，封装尺寸更小，可靠性更高。它不仅可以取代以
前的MR传感器，还可以制成传感器阵列，实现智能化，用来表述通行车辆，飞机机翼、
建筑防护装置或管道系统中隐蔽缺陷的特征，跟踪地磁场的异常现象等。还有人提出可以芯片散热片
作为抗体和生物标本检验的传感元件，应用范围较之MR传感器显著扩大。当前，GMR传感器已在液压汽缸位置传感、真假纸币识别、轴承编码、电流检测与控制、旋转位置检测、
车辆通行情况检测等领域得到应用。在军事上，GMR传感器有着更加重要的应用价值。美
国军方正在研制高g军火用捷联式（Strop Down）MEMS传感器，用在制导、导航和控制（GN＆C）或时空位置信息（TSPI）中。
2．巨磁电阻随机存取存储器（MRAM）
这是采用纳米制造技术，把沉积在基片上的SV-GMR薄膜或TMR薄膜制成图形阵列，
形成存储单元，以相对两磁性层的平行磁化状态和反平行磁化状态分别代表信息“1”和“0”；与半导体存
储器一样，是用电检测由磁化状态变化产生的电阻值之差进行信息读
出的一种新型磁存储器。MRAM潜在的重要优点是非易失性，抗辐射能力强、寿命长。这些是DRAM、SRAM等半导体存储器所不具备的性能。同时，它又兼有后者具有的大容量、高
速存取、低成本、高集成度等特点。因此，MRAM不仅被军事和宇航业界所看重，而且在迅速普及的数码照相、移动电话及多媒体信息处理等广阔的民用市场中得到应用。正因为如此，美、日、欧等发达国家和地区及高新技术产业界都十分重视这项新技术，正投巨资加
快产品的商业化
3．至于在无刷直流电机的应用
大家知道，有刷直流电机是用接触碳刷或金属片做整流子供电，使转子旋转。这种接
触式整流子因摩擦给电机带来非常不好的影响，比如使用寿命短、噪音大、有火花、产生
干扰电磁波等。如果用GMR传感器代替电机的摩擦整流子，那么就可以避免因电刷摩擦而
带来的影响，而且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此，它的稳定性和
可靠性都非
常高。另外，这种无刷电机转矩-重量比较大，速度转矩特性的线性度比较好。
4．GMR医用及生物磁场传感器
人体之中存在着各种形式的机械运动，它们是机体完成必要的生理功能的前提和保证，因此检测这些生物机械运动，无论对基础医学还是对临床医学来讲，都具有十分重要的意义。以前，由于必须利用体积大和功率高、价格贵的超导量子磁强计而限制了在医学中的
发展。高灵敏度及集成化的GMR磁敏传感器的出现为这些机械运动和病变部位的非接触式
的探测提供了方便，并推动其发展。下面介绍几种特殊在此方面的应用。首先各种各样的
细胞、蛋白质、抗体、病原体、病毒、DNA可以用纳米级的磁性小颗粒来标记，也就是首
先是这些被探测的对象磁性化，进而在用高灵敏度的GMR磁场传感器来探测它们的具体位置。这种也可用于医学及临床分析、DNA分析、环境污染监测等领域。高灵敏度的GMR传
感器也可用在脑电图、心电图等的高精度的仪器设备上，来诊断类似于脑肿瘤病变的问题。利用GMR
磁场传感器可以检测眼球运动、眼睑运动的方法，这有助于定量评价和研究困倦、视力疲劳现象，和诊断某些眼科疾病。
其它还有很多，不一一列举。
5. GMR在各种逻辑元件和全金属计算机中的应用
利用GMR材料可研制出磁性二极管、三极管和各种逻辑元件。目前正在把磁性GMR多雷击次数
层膜和半导体材料集成在一起，主要是利用电子的自旋注入（SPIN—INJECTION）来开发
新的磁性器件。全金属的计算机将成为可能。
人类利用电子的荷电性在半导体芯片上创造了今天的信息时代，自旋极化输运给人类
带来的也许又是一片广阔的天地。磁电子学给予人类以梦想和希望，同时也给予我们更多、更大的挑战。事实上人类对于自旋极化输运的了解还处于一个非常肤浅的阶段，对新出现
的新现象、新效应的理解基本上还是一种“拼凑式”的、半经典的唯象理论。作为磁学和
微电子学的交叉学科，磁电子学将无论在基础研究还是在应用开发上都将是凝聚态物理学
工作者和电子工程技术人员大显身手的新领域。GMR效应是磁电子学的主要内容之一，是
一项方兴未艾的事业，其发展必定带来人类技术文明的进一步发展。由GMR效应作成的实用器件对电子信息的贡献是不言而喻的。
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