Магнитосопротивление

Магнитно-индуцированное изменение сопротивления

Магнитосопротивление — это тенденция материала (часто ферромагнитного ) изменять значение своего электрического сопротивления во внешнем магнитном поле . Существует множество эффектов, которые можно назвать магнитосопротивлением. Некоторые из них встречаются в объемных немагнитных металлах и полупроводниках, например, 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) можно наблюдать гигантское магнитосопротивление (ГМС), туннельное магнитосопротивление (ТМС), колоссальное магнитосопротивление (КМС) и необычайное магнитосопротивление (ЭМС).

Первый магниторезистивный эффект был открыт в 1856 году Уильямом Томсоном , более известным как лорд Кельвин, однако он не смог понизить 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 рассмотреть ситуации, когда оно зависит от магнитного поля напрямую (например, геометрическое магнитосопротивление и многозонное магнитосопротивление) и те, где оно зависит косвенно через намагниченность (например, AMR и TMR ).

Открытие

Уильям Томсон (лорд Кельвин) впервые обнаружил обычное магнитосопротивление в 1856 году. ^[4] Он экспериментировал с кусками железа и обнаружил, что сопротивление увеличивается, когда ток направлен в том же направлении, что и магнитная сила, и уменьшается, когда ток направлен под углом 90° к магнитная сила. Затем он проделал тот же эксперимент с никелем и обнаружил, что на него действует то же самое, но величина эффекта была больше. Этот эффект получил название анизотропного магнитосопротивления (АМС).

Анимация о графиках, связанных с открытием гигантского магнитосопротивления .

Диск Корбино. При выключенном магнитном поле в проводящем кольце течет радиальный ток благодаря батарее, включенной между (бесконечными) краями проводимости. Когда магнитное поле вдоль оси включено (B указывает прямо за экран), сила Лоренца вызывает круговую составляющую тока, и сопротивление между внутренним и внешним краями увеличивается. Это увеличение сопротивления под действием магнитного поля называется магнитосопротивлением .

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

Геометрическое магнитосопротивление

Пример магнитосопротивления вследствие прямого действия магнитного поля на электрический ток можно изучить на диске Корбино (см. рисунок). Он состоит из проводящего кольца с идеально проводящими краями. Без магнитного поля батарея пропускает радиальный ток между ободами. Когда прикладывается магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца (либо внутрь страницы, либо из нее), также течет круговая составляющая тока из-за силы Лоренца . Первоначальный интерес к этой проблеме начался с Больцмана в 1886 году и независимо был повторно исследован Корбино в 1911 году. ^[6]

В простой модели, если предположить, что реакция на силу Лоренца такая же, как и на электрическое поле, скорость носителя v определяется выражением:

${\displaystyle \mathbf {v} =\mu \left(\mathbf {E} +\mathbf {v\times B} \right),\ }$

где ц — подвижность носителей. Решая скорость, находим:

${\displaystyle \mathbf {v} ={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} +\mu \mathbf {E\times B} +\mu ^{2}(\mathbf {B\cdot E} )\mathbf {B} \right)={\frac {\mu }{1+(\mu B)^{2}}}\left(\mathbf {E} _{\perp }+\mu \mathbf {E\times B} \right)+\mu \mathbf {E} _{\parallel },\ }$

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. Крайне важно, что этот магниторезистивный сценарий сильно зависит от геометрии устройства и линий тока и не зависит от магнитных материалов.

В полупроводнике с одним типом носителей магнитосопротивление пропорционально (1 + ( µB ) ² ), где µ - подвижность полупроводника (единицы м ² ·В ^-1 · с ^-1 или Т  ^-1 ), а B - 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. Так, например, в поле 0,25 Тл увеличение магнитосопротивления будет 100%.

Анизотропное магнитосопротивление (AMR)

Здесь показано сопротивление тонкой пленки пермаллоя в зависимости от угла приложенного внешнего поля.

Опыты Томсона ^[4] являются примером АМР — ^[7] свойства материала, при котором наблюдается зависимость электрического сопротивления от угла между направлением электрического тока и направлением намагничивания . Эффект возникает в большинстве случаев в результате одновременного действия намагниченности и спин-орбитального взаимодействия (несмотря на исключения, связанные с неколлинеарным магнитным порядком, см. раздел 4(б) в обзоре ^[7] ), и его детальный механизм зависит от материала . Это может быть связано, например, с большей вероятностью sd-рассеяния электронов в направлении намагничивания (которое контролируется приложенным магнитным полем). Конечный эффект (в большинстве материалов) заключается в том, что электрическое сопротивление имеет максимальное значение, когда направление тока параллельно приложенному магнитному полю. ^[8] AMR новых материалов исследуется, и величины до 50% наблюдались в некоторых урановых (но в остальном вполне обычных) ферромагнитных соединениях. ^[9] Совсем недавно были идентифицированы материалы с экстремальным AMR ^[10] , приводимые в действие нетрадиционными механизмами, такими как переход металл-изолятор, вызванный вращением магнитных моментов (в то время как для некоторых направлений магнитных моментов система является полуметаллической, для других направлений открывается пробел).

В поликристаллических ферромагнетиках АМР может зависеть только от угла между намагниченностью и направлением тока и (поскольку удельное сопротивление материала может быть описано тензором второго ранга) должно следовать ^[11] ${\displaystyle \varphi =\psi -\theta }$

${\displaystyle \rho (\varphi )=\rho _{\perp }+(\rho _{\parallel }-\rho _{\perp })\cos ^{2}\varphi }$

где – (продольное) удельное сопротивление пленки и – сопротивления для и соответственно. С продольным сопротивлением связано также поперечное сопротивление, названное (несколько сбивчиво [1]) плоским эффектом Холла. В монокристаллах удельное сопротивление зависит также индивидуально. ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \rho _{\parallel ,\perp }}$ ${\displaystyle \varphi =0}$ ${\displaystyle 90^{\circ }}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle \psi ,\theta }$

Для компенсации нелинейных характеристик и невозможности определения полярности магнитного поля в датчиках используется следующая конструкция. Он состоит из полосок алюминия или золота, помещенных на тонкую пленку пермаллоя (ферромагнитного материала, проявляющего эффект АМР), наклоненную под углом 45°. Такая структура заставляет ток течь не по «легким осям» тонкой пленки, а под углом 45°. Зависимость сопротивления теперь имеет постоянное смещение, линейное вокруг нулевой точки. Из-за своего внешнего вида этот тип датчика называется « парикмахерским столбом ».

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 дорожного движения, а также для измерения 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. Джауль (CFJ) ^[12] получили выражение отношения AMR для сплавов на основе Ni, используя двухтоковую модель с процессами ss и sd рассеяния, где s — электрон проводимости и d is 3d состояния со спин-орбитальным взаимодействием. Коэффициент AMR выражается как

${\displaystyle {\frac {\Delta \rho }{\rho }}={\frac {\rho _{\parallel }-\rho _{\perp }}{\rho _{\perp }}}=\gamma (\alpha -1),}$

с и , где , , и – константа спин-орбитальной связи (так называемая ), обменное поле и удельное сопротивление для спина соответственно. Кроме того, недавно Сатоши Кокадо и др. ^{[13] [14]} получили общее выражение отношения AMR для 3d ферромагнетиков переходных металлов путем расширения теории CFJ до более общей. Общее выражение можно применить и к полуметаллам. ${\displaystyle \gamma =(3/4)(A/H)^{2}}$ ${\displaystyle \alpha =\rho _{\downarrow }/\rho _{\uparrow }}$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle H}$ ${\displaystyle \rho _{\sigma }}$ ${\displaystyle \zeta }$ ${\displaystyle \sigma }$

Смотрите также

• Гигантское магнитосопротивление
• Туннельное магнитосопротивление
• Колоссальное магнитосопротивление
• Чрезвычайное магнитосопротивление
• Магниторезистивная оперативная память

Сноски

• 1. (Обычный) эффект Холла меняет знак при изменении магнитного поля и представляет собой орбитальный эффект (не связанный со спином), обусловленный силой Лоренца. Трансверсальный АМР (планарный эффект Холла ^[15] ) не меняет знак и обусловлен спин-орбитальным взаимодействием .

Рекомендации

1. Пиппард, AB (1989). Магнитосопротивление металлов. Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-32660-5.
2. Коулман, Р.В.; Исин, ​​А. (1966), «Магнитосопротивление в монокристаллах железа», Журнал прикладной физики , 37 (3): 1028–9, Bibcode : 1966JAP....37.1028C, doi : 10.1063/1.1708320
3. «Непреодолимое магнитосопротивление».
4. Томсон, В. (18 июня 1857 г.), «Об электродинамических свойствах металлов: влияние намагничивания на электропроводность никеля и железа», Proc. Р. Сок. Лонд. , 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». ЭПЛ . 81 (6): 60002. arXiv : 1502.00502 . Бибкод : 2008EL.....8160002G. дои : 10.1209/0295-5075/81/60002. S2CID  14917438.
7. Ритцингер, Филипп; Выборный, Карел (2023). «Анизотропное магнитосопротивление: материалы, модели и приложения». Королевское общество открытой науки . 10 (10). arXiv : 2212.03700 . Бибкод : 2023RSOS...1030564R. дои : 10.1098/rsos.230564. ПМИД  37859834.
8. МакГуайр, Т.; Поттер, Р. (1975). «Анизотропное магнитосопротивление в ферромагнитных 3d-сплавах» (PDF) . Транзакции IEEE по магнетизму . 11 (4): 1018–38. Бибкод : 1975ITM....11.1018M. дои : 10.1109/TMAG.1975.1058782.
9. Вишневский, П. (2007). «Гигантское анизотропное магнитосопротивление и магнитотермоэдс в кубических пниктидах урана 3:4». Письма по прикладной физике . 90 (19): 192106. Бибкод : 2007ApPhL..90s2106W. дои : 10.1063/1.2737904.
10. Ян, Хуали (2021). «Колоссальное угловое магнитосопротивление в антиферромагнитном полупроводнике EuTe ₂ ». Физ. Преподобный Б. 104 (21): 214419. Бибкод : 2021PhRvB.104u4419Y. doi : 10.1103/PhysRevB.104.214419. S2CID  245189642.
11. Де Раньери, Э.; Рашфорт, штат Аризона; Выборный, К.; Рана, У.; Ахмед, Э.; Кэмпион, РП; Фоксон, Коннектикут; Галлахер, БЛ; Ирвайн, AC; Вундерлих, Дж.; 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
12. Кэмпбелл, Айова; Ферт, А.; Джауль, О. (1970). «Спонтанная анизотропия удельного сопротивления в сплавах на основе Ni». Дж. Физ. С.​ 3 (1С): С95–С101. Бибкод : 1970JPhC....3S..95C. дои : 10.1088/0022-3719/3/1S/310.
13. Кокадо, Сатоши; Цунода, Масакиё; Харигая, Кикуо; Сакума, Акимаса (2012). «Эффекты анизотропного магнитосопротивления в Fe, Co, Ni, Fe4N и полуметаллическом ферромагнетике: систематический анализ». Дж. Физ. Соц. Япония . 81 (2): 024705–1–17. arXiv : 1111.4864 . Бибкод : 2012JPSJ...81b4705K. дои : 10.1143/JPSJ.81.024705. S2CID  100002412.
14. Кокадо, Сатоши; Цунода, Масакиё (2013). «Эффект анизотропного магнитосопротивления: общее выражение отношения AMR и интуитивное объяснение знака отношения AMR». Передовые исследования материалов . 750–752: 978–982. arXiv : 1305.3517 . Бибкод : 2013arXiv1305.3517K. doi : 10.4028/www.scientific.net/AMR.750-752.978. S2CID  35733115.
15. Тан, HX; Каваками, РК; Авшалом, Д.Д.; Рукс, М.Л. (март 2003 г.), «Гигантский планарный эффект Холла в эпитаксиальных устройствах (Ga,Mn)As» (PDF) , Phys. Преподобный Летт. , 90 (10): 107201, arXiv : cond-mat/0210118 , Bibcode : 2003PhRvL..90j7201T, doi : 10.1103/PhysRevLett.90.107201, PMID  12689027, S2CID  1485882