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巨磁電阻材料

簡介

巨磁電阻材料是指電阻隨外加磁場強度的改變而發生顯著變化的材料,電阻的變化率一般達百分之幾,也有達百分之幾十的,最高可達百分之,這種磁電阻變化在納米薄膜材料中比較顯著。巨磁電阻薄膜材料的廣泛研究始於1988年Baibich等人的一個驚人的發現,即在由Fe、Cr交替沉積形成的多層膜中發現了超過50%的磁電阻變化率,遠遠超過了多層膜中層磁致電阻的總和,這種現象稱為巨磁電阻效應(GMR)。

巨磁電阻材料的製備方法

單晶樣品的製備 1　標準固態合成法 採用高溫固相反應, 將化合物、單質等原材料按一定比例混合、研磨, 封於含一定氣氛或真空的石英管中, 在不同的溫度段連續加熱數天, 通過冷卻長出單晶。可採用區熔法和助熔劑法予以製備, 區熔法容易製得高純質量的單晶, 而助熔劑法則受體系本身限制較多。 2　化學氣相沉積法( CVD) 通過CVD 方法加入一定的輸運劑亦可製備單晶。例如製備Fe1- xCuxCr2S4 , 在密封石英管中用HCl 作載氣, 原材料以粉末狀加入, 熱端和冷端的溫度分別為800℃和725℃, 1 周內可長出1mm 大小的單晶。

多晶樣品的製備 1　高溫固相反應 多晶樣品通常採取高溫固相反應製備, 例如製備鈣鈦礦和燒綠石結構的複合氧化物時, 將相應的金屬氧化物或碳酸鹽按一定比例混合後, 壓成塊或條狀, 於1000℃左右在空氣中預燒一定時間後, 研磨, 重新壓塊, 再在1300℃左右煅燒, 退火冷卻至室溫。尖晶石結構的硫化物多晶樣品, 例如Fe1- xCuxCr2S4 , 可將單質金屬和硫的粉末按一定量比例混合, 封於真空石英管中, 從450℃開始, 按50℃的梯度升溫至850℃, 加熱一周, 振盪、研磨, 直到硫蒸氣和金屬粉末消失, 所得粉末重新壓成塊, 封於石英管中, 在950℃加熱3d, 退火得到多晶。

2　溶液化學合成法 通過軟化學手段, 預先合成前驅物, 再高溫灼燒, 得到多晶粉末, 例如採用配位化學的合成方法或水熱法予以製備。與直接高溫固相反應相比, 這種方法可對前驅物可能的結構和組成進行設計, 因此可實現對GMR 材料的相、結構和成分的調節, 從而降低後繼固相反應的溫度。

薄膜的製備 1　物理方法 巨磁電阻薄膜材料的製備常採用物理方法, 首先通過高溫固相反應製備所需多晶材料, 然後製成靶材, 再用直接濺射、脈衝激光沉積( PLD) 等方法製成膜, 也可採用真空共蒸發沉積、分子束外延生長法製備薄膜。磁電阻效應很大程度取決於所採用的基質以及薄膜製備細節, 包括薄膜沉積時的基質溫度、退火時間、退火溫度以及沉積膜厚度等。該類方法所得膜一般較緻密, 厚度可控, 比較純, 其固有的弱點是受靶材及其性質的影響較大, 同時對設備的要求較高。

2　化學方法 利用化學手段製備GMR 薄膜比較可行的方法有: 溶膠-凝膠法( Sol-Gel ) 和金屬有機化合物分解法( MOD) 。前者一般採用高分子Sol-Gel 法, 通過旋轉塗膜技術製備薄膜; 後者則利用揮發性金屬有機化合物作前驅物, 分解沉積後得到薄膜。 化學方法製備的薄膜在微觀結構上雖不如物理方法所得到的膜緻密, 但可以在分子尺度上對薄膜的結構進行設計, 在大範圍內對組成進行調變, 得到不同形態的複合氧化物膜或納米薄膜, 並進一步探索組成、結構和性能的關係。因而化學方法已逐漸成為研究和開發巨磁電阻材料的重要手段, 同時也給化學工作者提供了契機。

應用

眾所周知，計算機硬盤是通過磁介質來存儲信息的。一塊密封的計算機硬盤內部包含若干個磁盤片，磁盤片的每一面都被以轉軸為軸心、以一定的磁密度為間隔劃分成多個磁道，每個磁道又被劃分為若干個扇區。 磁盤片上的磁塗層是由數量眾多的、體積極為細小的磁顆粒組成，若干個磁顆粒組成一個記錄單元來記錄1比特（bit）信息，即0或1。磁盤片的每個磁盤面都相應有一個磁頭。當磁頭「掃描」過磁盤面的各個區域時，各個區域中記錄的不同磁信號就被轉換成電信號，電信號的變化進而被表達為「0」和「1」，成為所有信息的原始譯碼。 伴隨着信息數字化的大潮，人們開始尋求不斷縮小硬盤體積同時提高硬盤容量的技術。1988年，費爾和格林貝格爾各自獨立發現了「巨磁電阻」效應，也就是說，非常弱小的磁性變化就能導致巨大電阻變化的特殊效應。 這一發現解決了製造大容量小硬盤最棘手的問題：當硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，這些區域所記錄的磁信號也就越來越弱。藉助「巨磁電阻」效應，人們才得以製造出更加靈敏的數據讀出頭，使越來越弱的磁信號依然能夠被清晰讀出，並且轉換成清晰的電流變化。 最早的磁頭是採用錳鐵磁體製成的，該類磁頭是通過電磁感應的方式讀寫數據。然而，隨着信息技術發展對存儲容量的要求不斷提高，這類磁頭難以滿足實際需求。因為使用這種磁頭，磁致電阻的變化僅為1%～2%之間，讀取數據要求一定的強度的磁場，且磁道密度不能太大，因此使用傳統磁頭的硬盤最大容量只能達到每平方英寸20兆位。硬盤體積不斷變小，容量卻不斷變大時，勢必要求磁盤上每一個被劃分出來的獨立區域越來越小，這些區域所記錄的磁信號也就越來越弱。 1997年，全球首個基於巨磁阻效應的讀出磁頭問世。正是藉助了巨磁阻效應，人們才能夠製造出如此靈敏的磁頭，能夠清晰讀出較弱的磁信號，並且轉換成清晰的電流變化。新式磁頭的出現引發了硬盤的「大容量、小型化」革命。如今，筆記本電腦、音樂播放器等各類數碼電子產品中所裝備的硬盤，基本上都應用了巨磁阻效應，這一技術已然成為新的標準。