巨磁阻(Giant Magnetoresistance)原理

(Giant Magnetoresistance)原理

当电子通过铁磁性物质时,当电子的自旋方向与铁磁性物质排列方向相同时,则电子较容易通过,其所受的磁阻较小(如图一);但若电子的自旋方向与铁磁性物质排列方向不同时,则电子因碰撞故较不易通过,所受的磁阻较大(如图二)。

巨磁阻(Giant Magnetoresistance)原理

电子在超晶格(superlattice)结构中的运动机制讨论如下:在相邻的两铁磁性层之中,其磁矩会产生交互作用。若两铁磁性层的距离恰当,则其磁矩会成「反平行」排列。又我们可知,铁磁性物质的磁矩方向是可以藉由外加磁场来控制,所以当我们沿着样品的平行方向加一磁场,则可以将相邻铁磁性层的磁矩转为「平行」。故由上述可知,在零场的时候,超晶格中的铁磁性层为「反平行」排列,当外加场大到某一数值时,则转为「平行」排列,如图三所示;又由前文可以知道「反平行」的状态对应「高磁阻」,「平行」状态则对应「低磁阻」。

巨磁阻(Giant Magnetoresistance)原理

而当电流通过铁磁性层的时候,因为电子的上、下自旋而会受到不同程度的散射,此意味着两种电子的电阻并不会相同。我们可以藉由此概念来探讨双通道电流模型;如图四所示,电子依自旋可分为两并排通道;当超晶格中的铁磁性层为「反平行」排列时(图四左图),两个并排的通道电子会受到「大、小、大、小…」的散射;但若铁磁性层是「平行」排列时,则一个通道的电子会遇到「大、大、大、大…」,而另一个通道则是遇到「小、小、小、小…」的散射。
巨磁阻(Giant Magnetoresistance)原理

当零场时,铁磁性物质的排列为「反平行」,当通过与电子自旋方向排列方向相反的磁性物质时造成的大磁阻即可类比为电路上的大电阻,以较粗的线条表示之;若通过与电子自旋方向相同的磁性物质时造成的小磁阻则类比为电路上的小电阻,以较细的线表示,如图五所示;由此可知,两个自旋方向都同时受到一个大一个小的阻抗,结合两者可以得到等效阻抗的值。
巨磁阻(Giant Magnetoresistance)原理

当有足够外加场时,磁性物质的排列为「平行」,而同上段叙述,电子自旋方向和磁性物质的磁矩方向相反时为大磁阻,类比为大电阻;电子自旋方向和磁性物质的磁矩方向相同时为小磁阻,类比为小电阻,如图六所示;则可以得知两的自旋方向分别受到小的阻抗和大的阻抗,故亦可以得到此等效阻抗的值。
要拥有巨磁阻的特性,即是要先得知随着磁场的改变,而磁阻有什幺样的变化,总合以上讨论,我们可以得知, 巨磁阻(Giant Magnetoresistance)原理

,即巨磁阻中电阻变化的值与金属层中的自旋向上与自旋向下的电子的自旋差异性成平方正比的关係,故可知两磁性层的物性及中间金属层的厚度是决定巨磁阻中电阻变化大小的主因,当我们想要拥有好的巨磁阻特性时,我们必须控制好两磁性层的物性及中间金属层的厚度,才能拥有良好的巨磁阻。

参考资料:
1.张庆瑞、苏又新(2008),「巨磁阻物理之历史与展望—从2007 年物理诺贝尔奖谈起」,物理双月刊三十卷二期,第110~115页
2.江文中、李尚凡(2008),「2007 诺贝尔物理奖—轻鬆看巨磁阻」,物理双月刊三十卷二期,第116~121页
3.维基百科–巨磁阻效应  http://zh.wikipedia.org/zh-tw/巨磁阻
4.Alert Fert(2008),「The present and the future of spintronics」,Thin Solid Films 517 2-5

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