Магнитосопротивление

Магнитосопротивление - это тенденция материала (часто ферромагнетика) изменять значение своего электрического сопротивления во внешнем магнитном поле . Есть множество эффектов, которые можно назвать магнитосопротивлением. Некоторые из них встречаются в объемных немагнитных металлах и полупроводниках, такие как геометрическое магнитосопротивление, осцилляции Шубникова – де Гааза или обычное положительное магнитосопротивление в металлах. [1] В магнитных металлах наблюдаются и другие эффекты, такие как отрицательное магнитосопротивление в ферромагнетиках [2] или анизотропное магнитосопротивление (AMR). Наконец, в многокомпонентных или многослойных системах (например, магнитных туннельных переходах) гигантское магнитосопротивление (ГМС),Можно наблюдать туннельное магнитосопротивление (TMR), колоссальное магнитосопротивление (CMR) и необычайное магнитосопротивление (EMR).

Первый магниторезистивный эффект был открыт в 1856 году Уильямом Томсоном , более известным как лорд Кельвин, но он не смог снизить электрическое сопротивление чего-либо более чем на 5%. Сегодня известны системы, включающие полуметаллы [3] и концентрические кольцевые структуры ЭМИ . В них магнитное поле может регулировать сопротивление на порядки. Поскольку различные механизмы могут изменять сопротивление, полезно отдельно рассматривать ситуации, когда оно напрямую зависит от магнитного поля (например, геометрическое магнитосопротивление и многополосное магнитосопротивление), и те, где это происходит косвенно, через намагничивание (например, AMR и TMR ).

Уильям Томсон (лорд Кельвин) впервые обнаружил обычное магнитосопротивление в 1856 году. [4] Он экспериментировал с кусками железа и обнаружил, что сопротивление увеличивается, когда ток идет в том же направлении, что и магнитная сила, и уменьшается, когда ток составляет 90 ° к магнитная сила. Затем он проделал тот же эксперимент с никелем и обнаружил, что на него влияет то же самое, но величина эффекта была больше. Этот эффект называется анизотропным магнитосопротивлением (АМС).

"> File:Animation about the magnetoresistance discovery Graphs.ogvВоспроизвести медиа
Анимация про графики, связанные с открытием гигантского магнитосопротивления .
Диск Корбино. Когда магнитное поле выключено, в проводящем кольцевом пространстве течет радиальный ток из-за батареи, подключенной между (бесконечными) ободами проводимости. Когда включается магнитное поле вдоль оси (точка B указывает прямо из экрана), сила Лоренца приводит в движение круговую составляющую тока, и сопротивление между внутренним и внешним ободами возрастает. Это увеличение сопротивления из-за магнитного поля называется магнитосопротивлением .

В 2007 году Альберт Ферт и Петер Грюнберг были совместно удостоены Нобелевской премии за открытие гигантского магнитосопротивления . [5]

Пример магнитосопротивления за счет прямого воздействия магнитного поля на электрический ток можно изучить на диске Корбино (см. Рисунок). Он состоит из проводящего кольца с идеально проводящими краями. Без магнитного поля аккумулятор запускает радиальный ток между ободами. При приложении магнитного поля, перпендикулярного плоскости кольцевого пространства (внутрь или наружу страницы), также течет круговая составляющая тока из-за силы Лоренца . Первоначальный интерес к этой проблеме возник у Больцмана в 1886 году и независимо был повторно исследован Корбино в 1911 году [6].

В простой модели, предполагая, что реакция на силу Лоренца такая же, как для электрического поля, скорость носителя v определяется как:

где μ - подвижность носителей. Решая для скорости, находим:

где очевидно эффективное снижение подвижности из-за B- поля (для движения, перпендикулярного этому полю). Электрический ток (пропорциональный радиальной составляющей скорости) будет уменьшаться с увеличением магнитного поля и, следовательно, сопротивление устройства будет увеличиваться. Критически важно, что этот сценарий магниторезистивности сильно зависит от геометрии устройства и линий тока и не зависит от магнитных материалов.

В полупроводнике с одним типом носителя магнитосопротивление пропорционально (1 + ( μB ) 2 ), где μ - подвижность полупроводника (единицы м 2 · В −1 · с −1 или T  −1 ), а B - величина магнитное поле (единицы тесла ). Антимонид индия , пример полупроводника с высокой подвижностью, может иметь подвижность электронов выше 4 м 2 · В -1 · с -1 при 300 К. Таким образом, в поле 0,25 Тл, например, увеличение магнитосопротивления будет составлять 100%.

Здесь показано сопротивление тонкой пленки пермаллоя как функция угла приложенного внешнего поля.

Эксперименты Томсона [4] являются примером AMR [7] свойства материала, в котором наблюдается зависимость электрического сопротивления от угла между направлением электрического тока и направлением намагничивания . Эффект возникает из-за одновременного действия намагниченности и спин-орбитального взаимодействия, и его детальный механизм зависит от материала. Это может быть, например, из-за большей вероятности sd-рассеяния электронов в направлении намагничивания (которое контролируется приложенным магнитным полем). В результате (в большинстве материалов) электрическое сопротивление имеет максимальное значение, когда направление тока параллельно приложенному магнитному полю. AMR новых материалов изучается, и в некоторых ферромагнитных соединениях урана наблюдаются величины до 50%. [8]

В поликристаллических ферромагнетиках AMR может зависеть только от угла между намагниченностью и направлением тока и (до тех пор, пока удельное сопротивление материала можно описать тензором второго ранга), оно должно следовать [9]

где - (продольное) удельное сопротивление пленки и удельные сопротивления для а также , соответственно. С продольным сопротивлением связано также поперечное сопротивление, названное (несколько сбивчиво [1] ) плоским эффектом Холла. В монокристаллах удельное сопротивление зависит также от индивидуально.

Для компенсации нелинейных характеристик и невозможности определения полярности магнитного поля для датчиков используется следующая структура. Он состоит из полосок алюминия или золота, помещенных на тонкую пленку пермаллоя (ферромагнитный материал, проявляющий эффект AMR), наклоненных под углом 45 °. Эта структура заставляет ток течь не по «легким осям» тонкой пленки, а под углом 45 °. Зависимость сопротивления теперь имеет постоянное смещение, линейное относительно нулевой точки. Из-за своего внешнего вида этот тип датчика получил название « парикмахерская ».

Эффект AMR используется в широком спектре датчиков для измерения магнитного поля Земли (электронный компас ), для измерения электрического тока (путем измерения магнитного поля, создаваемого вокруг проводника), для обнаружения движения и для определения линейного положения и угла. Крупнейшими производителями датчиков AMR являются Honeywell , NXP Semiconductors , STMicroelectronics и Sensitec GmbH .

В качестве теоретических аспектов И.А. Кэмпбелл, А. Ферт и О. Джоул (CFJ) [10] вывели выражение для отношения AMR для сплавов на основе Ni, используя двухтоковую модель с процессами ss- и sd-рассеяния, где s - электрон проводимости и d - 3d-состояния со спин-орбитальным взаимодействием. Коэффициент AMR выражается как

с участием а также , где , , а также - константа спин-орбитального взаимодействия (так называемая ), обменное поле и удельное сопротивление для спина , соответственно. Кроме того, недавно Сатоши Кокадо и др. [11] [12] получили общее выражение отношения AMR для 3d ферромагнетиков из переходных металлов, расширив теорию CFJ на более общую. Общее выражение применимо и к полуметаллам.

  • 1. (Обычный) эффект Холла меняет знак при инверсии магнитного поля, и это орбитальный эффект (не связанный со спином) из-за силы Лоренца. Поперечный AMR (планарный эффект Холла [13] ) не меняет знака и вызван спин-орбитальным взаимодействием .

  1. ^ AB Pippard: Магнитосопротивление в металлах , Cambridge University Press (1989)
  2. ^ Коулман, Р. В.; Исин А. (1966), "Магнитосопротивление в монокристаллах железа", Журнал прикладной физики , 37 (3): 1028–1029, Bibcode : 1966JAP .... 37.1028C , doi : 10.1063 / 1.1708320
  3. ^ «Непреодолимое магнитосопротивление» .
  4. ^ а б Томсон, В. (18 июня 1857 г.), «Об электродинамических качествах металлов: - Влияние намагничивания на электропроводность никеля и железа», Proc. Royal Soc. Лондон. , 8 : 546-550, DOI : 10.1098 / rspl.1856.0144
  5. ^ Нобелевская премия по физике 2007 г. , Nobel Media AB, 9 октября 2007 г. , получено 25 июня 2014 г.
  6. ^ Дж. Джулиани (2008). «Общий закон электромагнитной индукции». EPL . 81 (6): 60002. arXiv : 1502.00502 . Bibcode : 2008EL ..... 8160002G . DOI : 10.1209 / 0295-5075 / 81/60002 . S2CID  14917438 .
  7. ^ McGuire, T .; Поттер, Р. (1975). «Анизотропное магнитосопротивление в ферромагнитных 3d-сплавах» (PDF) . IEEE Transactions on Magnetics . 11 (4): 1018–1038. Bibcode : 1975ITM .... 11.1018M . DOI : 10,1109 / TMAG.1975.1058782 .
  8. ^ Вишневский, П. (2007). «Гигантское анизотропное магнитосопротивление и магнитотермоэдс в кубических пниктидах урана 3: 4». Письма по прикладной физике . 90 (19): 192106. Bibcode : 2007ApPhL..90s2106W . DOI : 10.1063 / 1.2737904 .
  9. ^ De Ranieri, E .; Рашфорт, AW; Výborný, K .; Rana, U .; Ahmed, E .; Кэмпион, RP; Foxon, CT; Галлахер, Б.Л .; Ирвин, AC; Wunderlich, J .; Юнгвирт, Т. (10 июня 2008 г.), «Литографически и электрически контролируемые эффекты деформации на анизотропное магнитосопротивление в (Ga, Mn) As», New J. Phys. , 10 (6): 065003, arXiv : 0802.3344 , Bibcode : 2008NJPh ... 10f5003D , doi : 10.1088 / 1367-2630 / 10/6/065003 , S2CID  119291699
  10. ^ Кэмпбелл, ИА; Fert, A .; Jaoul, О. (1970). «Анизотропия самопроизвольного сопротивления в сплавах на основе никеля». J. Phys. C . 3 (1S): S95 – S101. Bibcode : 1970JPhC .... 3S..95C . DOI : 10.1088 / 0022-3719 / 3 / 1S / 310 .
  11. ^ Кокадо, Сатоши; Цунода, Масакиё; Харигая, Кикуо; Сакума, Акимаса (2012). «Эффекты анизотропного магнитосопротивления в Fe, Co, Ni, Fe4N и полуметаллическом ферромагнетике: систематический анализ». J. Phys. Soc. Jpn . 81 (2): 024705-1–024705-17. arXiv : 1111.4864 . Bibcode : 2012JPSJ ... 81b4705K . DOI : 10,1143 / JPSJ.81.024705 . S2CID  100002412 .
  12. ^ Кокадо, Сатоши; Цунода, Масакиё (2013). «Эффект анизотропного магнитосопротивления: общее выражение отношения AMR и интуитивное объяснение знака отношения AMR». Перспективные исследования материалов . 750–752: 978–982. arXiv : 1305.3517 . Bibcode : 2013arXiv1305.3517K . DOI : 10,4028 / www.scientific.net / AMR.750-752.978 . S2CID  35733115 .
  13. ^ Тан, HX; Каваками, РК; Awschalom, DD; Роукс, М.Л. (март 2003 г.), "Гигантский планарный эффект Холла в эпитаксиальных (Ga, Mn) устройствах" (PDF) , Phys. Rev. Lett. , 90 (10): 107201, arXiv : cond-mat / 0210118 , Bibcode : 2003PhRvL..90j7201T , doi : 10.1103 / PhysRevLett.90.107201 , PMID  12689027 , S2CID  1485882