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磁性多层膜巨磁电阻效应理论

巨磁电阻(GMR)材料的电阻可对外磁场产生巨幅响应，在信息存储等领域具有十分重要的应用前景。自20世纪80年代在(Fe/Cr)N多层膜中发现起,GMR研究便倍受关注，连续膜、颗粒膜等高GMR磁性多层膜结构材料及GM R磁场传感器等器件不断涌现。同时巨磁电阻效应理论的研究也取得了长足发展，唯像理论、半经典理论和量子理论均相继构建，使多层膜结构材料G M R的众多问题得以分析，为G M R多层膜材料设计提供了理论基础。本文概要介绍以上理论。

1 唯像基本理论

多层膜结构材料G M R唯像基本理论是后续高级理论的物理基础，在GM R研究中居于十分重要的地位。该理论基于二流体模型提出，认为多层膜磁层内电子分为自旋向上和自旋向下两类，相邻磁层内磁矩反平行排列。磁矩对反方向自旋电子的散射作用强于同方向自旋电子，无外场作用时多层膜内电子不能连续穿越两个磁层，体系呈高电阻；外场作用下，体系内磁矩趋向外场方向，导致体系内自旋方向与外场方向相同的电子可以穿越整个体系，引起体系电阻剧烈下降。该理论要求相邻磁层成反铁磁耦合、单一磁层厚度必须远小于传导电子的平均自由程，同时磁性原子对不同自旋方向电子的散射率必须相差很大。

2 Boltzmann输运方程理论

唯像理论正确指出了外场作用改变体系电子散射行为是G M R起源的基本机制，但只考虑了磁层内部体

散射的作用。Camley 等通过对(Fe/Cr)N多层膜的Boltzmann输运方程的计算发现增加体系层数及电子平均自由程同膜厚度比值可增强G M R效应强度，表明界面散射在GMR中起到重要作用，其机制为界面导致的层间自旋作用势差异。增加界面粗糙度既可提高层内电流模式(CI P)GMR的强度还能提高(CuFe)1-xCrx体系反巨磁电阻效应(IGMR)出现的可能性。

Johnson等发现多层膜内起散射作用的界面不应是突变的，而应是具有一定厚度的混合界面，且混合层内量子界面效应在G M R效应中可能存在重要作用。在该结构模型中,C I P模式G M R的必要条件之一与

GMR唯像理论结论一致，要求电子平均自

由程大于膜层厚度；垂直电流(CP P)模式

GMR在膜层厚度接近电子平均自由程时以

指数律下降。

3 量子理论

Boltzmann输运方程理论要求电子在整

个体系内具有均匀散射率，该假设与多层

膜的实际情况并不相符，此时对体系进行

量子理论处理是必须的。

G M R量子理论可分为K u b o线性响应

方程和Landau-Buttiker散射机制两类。前

者最早由Levy等提出，他们引入自旋依赖

散射势概念，在动量空间计算了随机分布

散射体对电子的自旋依赖散射行为，表明

当电子平均自由程大于膜层厚度时,C I P

模式GM R的电阻器模型有效，进一步确认

了外磁场改变电子平均自由程是G M R起

源的基本思想。此后，实空间Kud o方法的

分析显示多层膜周期性在G M R产生中并灭菌检测

非必须;C I P和C P P模式G M R在尺寸效应

上存在差异;C IP模式由于电子散射振幅

的重整化，对称模式自旋散射的增加导致

非单调G M R，而C P P模式却是单调的，且

可简化为在所有尺度上均有效的系列电

阻器模型。

Dong采用相同方法考虑体散射、界面

散射和表面散射的共同作用，成功重现了

多层膜GM R振荡现象，指出次能带和自旋

隧道对材料导电性皆有贡献，且Bolzmann

输运方程理论同量子理论存在必然联系,

得到了实空间Kudo理论的支持。

GMR的Landau-Buttiker散射机制认为

导电性同体系导电通道数量成正比，而导

电通道数量可由外场调节,C P P模式G M R

源于导电通道数量变化，而CIP模式源于界

面缺陷对电子的散射。接触势，体散射和界

面散射对GM R皆有贡献，后者又可分为镜

面散射和漫散射两种机制，低漫散射率对

应高GMR,GMR极限值可由Julliere方程给

出。

Landau-Buttiker电子散射机制还可将

Boltzmann半经典理论同Kudo量子理论联

系起来。基于此,Rychkov提出的GMR连续

随机矩阵理论成功描述了自旋阀的自旋积

佳能c6000累和自旋磁矩行为，认为自旋积累同自旋

电流梯度成正比，当高极化磁层内自旋电

流大于低极化磁层内自旋电流时，自旋磁

矩运动形式为波。

4 结语

多层膜巨磁电阻效应的众多特征已能

在理论上得到一定程度说明，但仍有许多

GMR行为，如界面磁无序和自旋轨道散射

在GM R中所起作用，尚未从以上理论中得

到解释。磁隧道结构的提出给G M R理论研

究又提出了新挑战，多层膜巨磁电阻效应

理论的研究工作仍有待深入进行。

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磁性多层膜巨磁电阻效应理论

董燕文亚南梁齐

(合肥工业大学电子科学与应用物理学院安徽合肥 230009)

摘要：简要概述了磁性多层膜结构巨磁电阻效应的现有主要理论。对唯像理论、B ol tz ma nn输运方程理论和量子理论的相关工作进行了

总结评述。

关键词：磁性多层膜材料巨磁电阻效应理论

中图分类号:O48文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)09(b)-0092-02

对地类进行预判，内业作业完后没有内业作业的检查。

2.2内外业一体化法

内外业一体化法是现在国内比较先进一种技术方法。内外业一体化法是指内业部分的时间占整个地籍测量的大部分时间。其主要的作业方法是：先对数字正射影像图进行校正，数据源的收集，同时对数字正射影像图进行全部内业解读，进行内业检查再输出工作底图，然后进行外业调查的一种作业方法。其流程如图2。

内外业一体化方法主要是作用于内业解读方面，同时辅助于外业调查的的方法充分预判，除了对行政界线和行政村名的矢量化，还包括对各地类和地类范围的预判以及自然村名，图斑预编号，和线状地物的确定等，在进行了内业充分预判后的同时，还对预判结果进行了内业的专业检查。

从人员的技术要求来看，内外业一体化法明显要比全野外法的人员技术要求更高，不但要求技术人员

对外业调查要点的掌握，同时对内业数据处理软件也要精通；而全野外法作业人员在和内业作业人员进行交接数据时，容易造成数据丢失，数据质量上得不到保证，作业速度上也远远比不上内外业一体化法。可以看出全野外法主要是适用于数字正射影像比较模糊，根据影像特征无法完全判读，对地类地物判读比较困难时可采用全野外法，这样可减少不必要的内业作业时间。

2.3补测地物方法

传播与文化产业(1)简易补测法：简易补测法是地物补测的主要的常用方法，它主要是利用几何原理，采用简单测量工具对新增地物进行补测。主要有距离交会法、直角坐标法、截线法等，适用于补测地物较小或较规整，而且四周有较多的与影像对应的实地明显地物点作为控制的地区。

(2)仪器补测法：仪器补测法是指利用测量仪器对新增地物进行补测的方法。由于外业调查范围比较广，作业环境比较差,

而且费用比较高，所以该方法主要用于简

易补测无法完成的情况。仪器补测的方法

有平板仪法，全站仪法和GPS补测法。这三

种方法主要都是采用补测地物附近特征比

较明显的地物或控制点作为已知点，测量

已知地物到补测地物的坐标增量，再插入

到工作底图上。

简易补测法和仪器补测法各有各的特

点，两者要互相结合，在不同地点采用合适

的地物补测的方法。

3 全野外与内外业一体化综合法

地籍测量技术方法主要是全野外法和

内外业一体化法，这两种方法的区别不仅

反映在内外业工作量的多少的不同，而且

还反映在对作业成果的检查上，从作业效

6061t6

率上来说，内外业一体化法要优于全野外

法，全野外法是体现在室外作业的工作量

较大，而内外业一体化法主要是内业作业

时间较多。全野外法采用的是先内业少预

判(即只在工作底图上作业权属界线与权

属名称)，对于地类的确定、线状地物和自

然村名全采用实地调查的方法，而内外业

一体化法先充分内业预判(对地类，线状地

物和自然村名和权属界线等都矢量化，线

状地物宽度须外业采集)，外业作业还可以

对内业情况进行检查和修改，大大的减少

了外业的工作量。全野外法的缺点是外业

作业工作量太大，外业中除了对线状地物

宽度采集和自然村名等反映在调查底图上

外，还要对地类范围等的确定；而内外业一

体化法只要在室外对室内作业内容的修改

少量采集就可。这大大减少了外业的工作

量，同时增加了对内业和外业数据的检查。

从上面可以看出，对于内外业一体化的作

业方法有三点优点：一是内业的充分预判,

减少了外业的工作量；二是内业作业对地

类判别，在外业还可以对其范围，地类，位

置等的正确性做一次检查；三是对于外业

调绘情况的反映在内业矢量数据上更为方

便，并能对预判数据再做一次检查和修改。

地籍测量常采用的是全野外法和内外

业一体化法综合法。具体流程图如图3。在

复杂丘陵、山区，易充分利用并结合两种方

法，即对于影像比较模糊，影像地物阴影比

较多、影像现势性差的区域，采用全野外

法，而对于地势比较平坦，影像清晰的一些

区域，采用内外业一体化法，同时采用固定

作业人员的方法，即内外业为同一作业员,

减少在作业员交接时产生的数据的丢失。

通过野外数据采集及处理的实践，笔

者总结出以下经验:

(1)内业预判，容易出现内业作业标准

不统一，矢量化精度达不到要求，地类范围

不明确或者错误的情况发生。对于矢量化

数据线型及颜不一致的情况，处理的方

法是统一内业作业标准，加强内业质量检

查；对于地类范围不明确或者错误的情况,

有明显错误的，室内立即修改。但对于内业

把握不准的，外业调查后再作修改。

(2)以正射影像图作为调查基础底图,

解译比较明显、容易判断的线状地物、林

地、居民地以及较大的河流、湖泊，无法判

断的地方作好标注，进行全野外调查以及

对解译的地类图斑进行全野外核实和补

充，与权属调查同时进行，依据影像调绘在

工作底图上。将地物属性标注在调查底图

或记录在《地籍测量记录手簿》上，确保每

一地块的地类、界线、权属等现状信息详

细、准确、可靠。

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(上接92页)

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