本文主要介绍巨磁电阻效应。首先详细阐述了巨磁电阻效应和层结构，然后介绍了巨磁电阻效应的应用。让我们和边肖一起来看看吧。
什么是巨磁电阻效应？所谓巨磁电阻效应，是指材料在外磁场作用下，电阻率相对于无外磁场时发生显著变化的现象。一般定义为GMR==其中(H)是材料在磁场作用下的电阻率H (0)是指材料在无外磁场作用下的电阻率。由外磁场引起的某些磁性材料电阻的巨大变化(称为巨磁电阻效应)是磁电子学中的一个重要内容。目前在室温下具有巨磁电阻效应的巨磁电阻材料有很多种，如多层巨磁电阻材料、颗粒巨磁电阻材料、氧化物巨磁电阻材料、隧道结巨磁电阻材料等。
巨磁电阻效应及层结构分析所谓磁电阻效应，是导体或半导体在磁场的作用下电阻值发生变化的现象。巨磁电阻效应是由彼得格伦伯格和艾尔伯费尔在1988年独立发现的，他们共同获得了2007年诺贝尔物理学奖。研究发现，在Fe/Cr和Co/Cu等磁性多层膜中，铁磁层被纳米厚度的非磁性材料分隔开。在一定条件下，电阻率下降相当大，比普通磁性金属和合金材料高10倍左右。这种现象被称为“巨磁阻效应”。
巨磁电阻效应可以用量子力学来解释。每个电子都可以自旋，电子的散射率取决于自旋方向和磁性材料的磁化方向。当自旋方向与磁性材料的磁化方向相同时，电子散射率低，更多的电子穿过磁性层，从而表现出低阻抗。另一方面，当自旋方向与磁性材料的磁化方向相反时，电子散射率高，因此穿过磁性层的电子较少，呈现高阻抗。
基于巨磁电阻效应的传感器主要有三种传感材料：参考层、正常层和自由层。如图1所示，参考层具有固定的磁化方向，其磁化方向不会受到外部磁场方向的影响。公共层是非磁性材料的薄膜层，其将两个磁性材料的薄膜分开。自由层的磁场随着外部平行磁场方向的变化而变化。
图1巨磁阻层结构
如图2所示，两边的蓝色层代表磁性材料薄膜层，中间的橙色层代表非磁性材料薄膜层。绿色箭头表示磁性材料的磁化方向，灰色箭头表示电子自旋方向，黑色箭头表示电子散射。左图显示两层磁性材料的磁化方向相同。当一束与磁性材料自旋方向和磁化方向相同的电子束通过时，电子很容易穿过两层磁性材料，从而表现出低阻抗。右图显示两层磁性材料的磁化方向相反。当一束自旋方向与第一层磁性材料自旋方向相同的电子束通过时，电子更容易通过，但更难通过自旋方向与电子相反的第二层磁性材料，从而呈现高阻抗。
图2电子自旋和磁化方向示意图
接下来，本文介绍了NVE公司AA005-02型巨磁阻传感器的磁化状态和电阻状态。
如图3所示，A是导电的非磁性薄膜层。在没有外部磁场的情况下，由于反熔丝，两侧的B层中的磁矩方向处于相反的状态
巨磁电阻效应应用简介巨磁电阻效应自发现以来，一直被用于开发一种小型灵敏的硬盘数据读取头。这大大减少了存储单字节数据所需的磁性材料的大小，从而大大提高了磁盘的存储容量。第一个商业化生产的数据读取探头由IBM于1997年投放市场。到目前为止，巨磁电阻技术已经成为世界上几乎所有电脑、数码相机、MP3播放器的标准技术。
在格伦伯格最初的工作中，他和他的团队只研究了由铁、铬和铁组成的样品，实验结果显示电阻下降了1.5%。另一方面，Fert和他的同事研究了由铁和铬组成的多层材料的样品，这些材料将电阻降低了50%。
阿尔伯特费尔和彼得格林伯格发现的巨磁电阻效应，创造了计算机硬盘存储密度提高50倍的奇迹。以读头为例。1994年，IBM成功研制出具有巨磁电阻效应的读头，使磁盘的记录密度提高了17倍。1995年，据宣布，用于使硬盘表面密度达到每平方英寸3Gb的读出头创下了世界纪录。硬盘容量从4GB增加到600GB或更高。
目前，由自旋阀材料制成的新一代硬盘读出磁头已将存储密度提高到560亿比特/平方英寸，这种类型的磁头已占据90% ~ 95%的磁头市场。随着低阻高信号TMR的获得，存储密度达到了每平方英寸1000亿比特。
2007年9月13日，全球最大的硬盘制造商希捷科技(Seagate Technology)在北京宣布，其第四代DB35系列硬盘目前已达到1TB(1000GB)的容量，足以录制长达200小时的高清电视内容。正是巨磁电阻材料使得存储密度近年来每年增长3 ~ 4倍。因为磁头是由多层不同材料的薄膜组成的，只要巨磁电阻效应还在起作用，未来硬盘的体积会进一步缩小，硬盘的容量也会提高。
除了读取磁头外，巨磁电阻效应还可以应用于测量位移和角度的传感器，可广泛应用于数控机床、汽车导航、非接触开关和旋转编码器等。与光电传感器相比，它具有功耗低、可靠性高、体积小、能在恶劣的工作条件下工作等优点。目前，我国在巨磁电阻的基础研究和器件研制方面也有很好的基础。中科院物理所和北京大学等高校对巨磁电阻多层膜、巨磁电阻颗粒膜和巨磁电阻氧化物进行了深入研究。中国科学院计算技术研究所在磁性薄膜随机存取存储器、薄膜磁头和MIG磁头的研制方面取得了显著成绩。北京科技大学在原子和纳米尺度的低维材料和大磁矩薄膜的微结构表征方面研究水平较高。
如今，移动硬盘、MP3播放器等磁盘驱动设备随处可见。我们每天都可以把这些小巧精致的科技产品揣在口袋里，随时享受它们带给我们的便利和快乐。然而，为了这一刻的到来，伟大的公司和伟大的科学家们付出了难以估量的智慧和心血。随着巨磁电阻效应的发现，硬盘的体积在缩小，但容量却在增加。
