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磁阻效应

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磁阻效應(Magnetoresistance, MR)是指材料之電阻隨著外加磁場的變化而改變的效應,其物理量的定義,是在有無磁場下的電阻差除上原先電阻,用以代表電阻變化率。有多種可以稱為磁阻的效應:一些發生在大量非磁性金屬和半導體中,例如幾何磁阻,Shubnikov de Haas振盪或金屬中常見的正磁阻[1] 。其他的效應發生在磁性金屬中,例如鐵磁體中的負磁阻[2]或各向異性磁阻(AMR)。

發現[编辑]

磁阻效應最初於1856年由威廉·汤姆森,即後來的开尔文爵士發現[3],但是在一般材料中,電阻的變化通常小於5%,這樣的效應後來被稱為「常磁阻」(ordinary magnetoresistance, OMR)。他嘗試了片,發現當電流與磁力方向相同時,電阻增加,當電流與磁力成90°時,電阻降低。然後他用做了同樣的實驗,發現它以同樣的方式受到影響,但效果更大。這種效應被稱為各向異性磁阻(AMR)。

關於磁阻發現的動畫圖
Corbino圓盤。隨著磁場關閉,由於電池連接在(無限)電導率邊緣之間,徑向電流在導電環中流動。 當沿著軸線的磁場接通時,洛倫茲力驅動電流的圓形分量,內外邊緣之間的電阻上升。這種由於磁場引起的電阻的增加被稱為“磁阻”。

在2007年,阿爾貝·費爾(Albert Fert)和彼得·格林貝格(Peter Grünberg)共同獲得諾貝爾獎,因为發現巨磁阻效應[4]

幾何磁阻[编辑]

可以在Corbino圓盤上研究由於磁場對電流的直接作用引起的磁阻的一個例子(見圖)。它由一個具有完美導電輪輞的導電環組成。當沒有磁場時,電池驅動輪緣之間的徑向電流。當施加平行於環形軸的磁場時,由於洛倫茲力,電流的圓形分量也流動。 Giuliani提供了圓盤的討論[5]。這個問題的最初興趣始於玻爾茲曼,並於1811年由Corbino獨立審查[5]

在一個簡單的模型中,假設對洛倫茲力的響應與電場相同,載流子速度v由下式給出:

其中μ是載流子遷移率。求解出速度,我們發現:

其中由於B場(對於垂直於該場的運動)的移動性的有效降低是顯而易見的。電流(與速度的徑向分量成比例)隨著磁場的增加而減小,因此器件的電阻將增加。 這種磁阻場景敏感地依賴於器件幾何形狀和電流線,並且不依賴於磁性材料

各種磁阻效應[编辑]

常磁阻(Ordinary Magnetoresistance, OMR)
對所有非磁性金屬而言,由於在磁場中受到洛伦兹力的影響,傳導電子在行進中會偏折,使得路徑變成沿曲線前進,如此將使電子行進路徑長度增加,使電子碰撞機率增大,進而增加材料的電阻。
巨磁阻(Giant Magnetoresistance, GMR)
巨磁阻效應存在於鐵磁性(如:Fe, Co, Ni)/非鐵磁性(如:Cr, Cu, Ag, Au)的多層膜系統,由於非磁性層的磁交換作用會改變磁性層的傳導電子行為,使得電子產生程度不同的磁散射而造成較大的電阻,其電阻變化較常磁阻大上許多,故被稱為「巨磁阻」。1988年由法國物理学家阿爾貝·費爾與德國物理学家彼得·格林貝格分別發現的巨磁阻效應,也被視為是自旋電子學的濫觴。
超巨磁阻(Colossal Magnetoresistance, CMR)
超巨磁阻效應存在於具有鈣鈦礦(Perovskite)ABO3的陶瓷氧化物中。其磁阻變化隨著外加磁場變化而有數個數量級的變化。其產生的機制與巨磁阻效應(GMR)不同,而且往往大上許多,所以被稱為「超巨磁阻」。
異向磁阻(Anisotropic magnetoresistance, AMR)
有些材料中磁阻的變化,與磁場和電流間夾角有關,稱為異向性磁阻效應。此原因是與材料中s軌域電子與d軌域電子散射的各向異性有關。
穿隧磁阻效應(Tunnel Magnetoresistance, TMR)
穿隧磁阻效應是指在鐵磁-絕緣體薄膜(約1奈米)-鐵磁材料中,其穿隧電阻大小隨兩邊鐵磁材料相對方向變化的效應。此效應首先於1975年由Michel Julliere在鐵磁材料(Fe)與絕緣體材料(Ge)發現;室溫穿隧磁阻效應則於1995年,由Terunobu Miyazaki與Moodera分別發現。此效應更是磁阻式隨機存取記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory, MRAM)與硬碟中的磁性讀寫頭(read sensors)的科學基礎。

参阅[编辑]

参考资料[编辑]

  1. ^ A.B. Pippard: Magnetoresistance in Metals, Cambridge University Press (1989)
  2. ^ Coleman, R.V.; Isin, A., Magnetoresistance in Iron Single Crystals, Journal of Applied Physics, 1966, 37: 1028, Bibcode:1966JAP....37.1028C, doi:10.1063/1.1708320 
  3. ^ Thomson, W., On the Electro-Dynamic Qualities of Metals:—Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron (PDF), Proc. Royal Soc. London, 18 June 1857, 8: 546–550, doi:10.1098/rspl.1856.0144 
  4. ^ The Nobel Prize in Physics 2007, Nobel Media AB, 9 Oct 2007 [25 Jun 2014] 
  5. ^ 5.0 5.1 G Giuliani,. A general law for electromagnetic induction. EPS. 2008, 81 (6): 60002. Bibcode:2008EL.....8160002G. arXiv:1502.00502. doi:10.1209/0295-5075/81/60002.