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巨磁电阻材料

简介

巨磁电阻材料是指电阻随外加磁场强度的改变而发生显著变化的材料,电阻的变化率一般达百分之几,也有达百分之几十的,最高可达百分之,这种磁电阻变化在纳米薄膜材料中比较显著。巨磁电阻薄膜材料的广泛研究始于1988年Baibich等人的一个惊人的发现,即在由Fe、Cr交替沉积形成的多层膜中发现了超过50%的磁电阻变化率,远远超过了多层膜中层磁致电阻的总和,这种现象称为巨磁电阻效应(GMR)。

巨磁电阻材料的制备方法

单晶样品的制备 1　标准固态合成法 采用高温固相反应, 将化合物、单质等原材料按一定比例混合、研磨, 封于含一定气氛或真空的石英管中, 在不同的温度段连续加热数天, 通过冷却长出单晶。可采用区熔法和助熔剂法予以制备, 区熔法容易制得高纯质量的单晶, 而助熔剂法则受体系本身限制较多。 2　化学气相沉积法( CVD) 通过CVD 方法加入一定的输运剂亦可制备单晶。例如制备Fe1- xCuxCr2S4 , 在密封石英管中用HCl 作载气, 原材料以粉末状加入, 热端和冷端的温度分别为800℃和725℃, 1 周内可长出1mm 大小的单晶。

多晶样品的制备 1　高温固相反应 多晶样品通常采取高温固相反应制备, 例如制备钙钛矿和烧绿石结构的复合氧化物时, 将相应的金属氧化物或碳酸盐按一定比例混合后, 压成块或条状, 于1000℃左右在空气中预烧一定时间后, 研磨, 重新压块, 再在1300℃左右煅烧, 退火冷却至室温。尖晶石结构的硫化物多晶样品, 例如Fe1- xCuxCr2S4 , 可将单质金属和硫的粉末按一定量比例混合, 封于真空石英管中, 从450℃开始, 按50℃的梯度升温至850℃, 加热一周, 振荡、研磨, 直到硫蒸气和金属粉末消失, 所得粉末重新压成块, 封于石英管中, 在950℃加热3d, 退火得到多晶。

2　溶液化学合成法 通过软化学手段, 预先合成前驱物, 再高温灼烧, 得到多晶粉末, 例如采用配位化学的合成方法或水热法予以制备。与直接高温固相反应相比, 这种方法可对前驱物可能的结构和组成进行设计, 因此可实现对GMR 材料的相、结构和成分的调节, 从而降低后继固相反应的温度。

薄膜的制备 1　物理方法 巨磁电阻薄膜材料的制备常采用物理方法, 首先通过高温固相反应制备所需多晶材料, 然后制成靶材, 再用直接溅射、脉冲激光沉积( PLD) 等方法制成膜, 也可采用真空共蒸发沉积、分子束外延生长法制备薄膜。磁电阻效应很大程度取决于所采用的基质以及薄膜制备细节, 包括薄膜沉积时的基质温度、退火时间、退火温度以及沉积膜厚度等。该类方法所得膜一般较致密, 厚度可控, 比较纯, 其固有的弱点是受靶材及其性质的影响较大, 同时对设备的要求较高。

2　化学方法 利用化学手段制备GMR 薄膜比较可行的方法有: 溶胶-凝胶法( Sol-Gel ) 和金属有机化合物分解法( MOD) 。前者一般采用高分子Sol-Gel 法, 通过旋转涂膜技术制备薄膜; 后者则利用挥发性金属有机化合物作前驱物, 分解沉积后得到薄膜。 化学方法制备的薄膜在微观结构上虽不如物理方法所得到的膜致密, 但可以在分子尺度上对薄膜的结构进行设计, 在大范围内对组成进行调变, 得到不同形态的复合氧化物膜或纳米薄膜, 并进一步探索组成、结构和性能的关系。因而化学方法已逐渐成为研究和开发巨磁电阻材料的重要手段, 同时也给化学工作者提供了契机。

应用

众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区。 磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特（bit）信息，即0或1。磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。当磁头“扫描”过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有信息的原始译码。 伴随着信息数字化的大潮，人们开始寻求不断缩小硬盘体积同时提高硬盘容量的技术。1988年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了“巨磁电阻”效应，也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应。 这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题：当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。借助“巨磁电阻”效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。 最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。然而，随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。因为使用这种磁头，磁致电阻的变化仅为1%～2%之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆位。硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。 1997年，全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世。正是借助了巨磁阻效应，人们才能够制造出如此灵敏的磁头，能够清晰读出较弱的磁信号，并且转换成清晰的电流变化。新式磁头的出现引发了硬盘的“大容量、小型化”革命。如今，笔记本电脑、音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘，基本上都应用了巨磁阻效应，这一技术已然成为新的标准。