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 происходят в объемных немагнитных металлах и полупроводниках, такие как геометрическое магнитосопротивление, осцилляции Шубникова–де Гааза или общее положительное магнитосопротивление в металлах. ^[1] Другие эффекты происходят в магнитных металлах, 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 (GMR), 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 ЭМР . В них магнитное поле может регулировать сопротивление на порядки величины. 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 это происходит косвенно через намагничивание (например, AMR и TMR ).

Открытие

Уильям Томсон (лорд Кельвин) впервые открыл обычное магнитосопротивление в 1856 году. ^[4] Он экспериментировал с кусками железа и обнаружил, что сопротивление увеличивается, когда ток имеет то же направление, что и магнитная сила, и уменьшается, когда ток имеет направление 90° к магнитной силе. Затем он провел тот же эксперимент с никелем и обнаружил, что он подвергается такому же воздействию, но величина эффекта была больше. Этот эффект называется анизотропным магнитосопротивлением (AMR).

Анимация о графиках, связанных с открытием гигантского магнитосопротивления .

Диск Корбино. При выключенном магнитном поле радиальный ток течет в проводящем кольце из-за батареи, подключенной между (бесконечными) проводящими ободами. Когда магнитное поле вдоль оси включено (B указывает прямо из экрана), сила Лоренца приводит в движение круговую составляющую тока, и сопротивление между внутренним и внешним ободом увеличивается. 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]

Геометрическое магнитосопротивление

Пример магнитосопротивления, вызванного прямым действием магнитного поля на электрический ток, можно изучить на диске Корбино (см. рисунок). Он состоит из проводящего кольца с идеально проводящими ободками. Без магнитного поля батарея запускает радиальный ток между ободками. Когда прикладывается магнитное поле, перпендикулярное плоскости кольца (либо внутрь, либо наружу), также течет круговая составляющая тока из-за силы Лоренца . Первоначальный интерес к этой проблеме возник у Больцмана в 1886 году и независимо был пересмотрен Корбино в 1911 году. ^[6]

В простой модели, предполагая, что реакция на силу Лоренца такая же, как и для электрического поля, скорость носителя v определяется как: где μ — подвижность носителя . Решая для скорости, находим: $${\displaystyle \mathbf {v} =\mu \left(\mathbf {E} +\mathbf {v\times B} \right),}$$

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

где эффективное снижение подвижности из-за поля B (для движения перпендикулярно этому полю) очевидно. Электрический ток (пропорциональный радиальной составляющей скорости) будет уменьшаться с увеличением магнитного поля, и, следовательно, сопротивление устройства будет увеличиваться. Критически важно, что этот магниторезистивный сценарий чувствительно 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 , что эквивалентно м ² · Вб ⁻¹ , или Тл  ⁻¹ ), а B — магнитное поле (единицы тесла ). Антимонид индия , пример высокоподвижного полупроводника, может иметь подвижность электронов выше4 м ² / Вб при300  К. Так что вНапример, в поле 0,25 Тл увеличение магнитосопротивления составит 100%.

Анизотропное магнитосопротивление (АМС)

Здесь показано сопротивление тонкой пленки пермаллоя в зависимости от 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 намагниченности . Эффект возникает в большинстве случаев из-за одновременного действия намагниченности и спин-орбитального взаимодействия (исключения, связанные с неколлинеарным магнитным порядком, несмотря на это, см. раздел 4(b) в обзоре ^[7] ), и его подробный механизм зависит от материала. Это может быть, например, из-за большей вероятности sd-рассеяния электронов в направлении намагниченности (которое контролируется приложенным магнитным полем). Чистый 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 экстремальной AMR ^[10], обусловленной нетрадиционными механизмами, такими как переход металл-изолятор, вызванный вращением магнитных моментов (при этом для некоторых направлений магнитных моментов система является полуметаллической, для других направлений открывается щель).

В поликристаллических ферромагнитных материалах AMR может зависеть только от угла между направлением намагниченности и тока и (поскольку удельное сопротивление материала можно описать тензором второго ранга) оно должно следовать ^[11] ${\displaystyle \varphi =\psi -\theta }$

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

где — (продольное) удельное сопротивление пленки, а — удельные сопротивления для и соответственно. С продольным удельным сопротивлением связано также поперечное удельное сопротивление, называемое (несколько запутанно[1]) планарным эффектом Холла. В монокристаллах удельное сопротивление также зависит от 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 структура. Она состоит из полосок алюминия или золота, размещенных на тонкой пленке пермаллоя (ферромагнитный материал, проявляющий эффект AMR), наклоненной под углом 45°. Такая структура заставляет ток течь не вдоль «легких осей» тонкой пленки, а под углом 45°. Зависимость сопротивления теперь имеет постоянное смещение, которое линейно вокруг нулевой точки. Из-за своего внешнего вида этот тип датчика называется « полюсом парикмахера ».

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 и для линейного определения положения и угла. Крупнейшими производителями датчиков AMR являются Honeywell , NXP Semiconductors , STMicroelectronics и Sensitec GmbH.

В качестве теоретических аспектов IA Campbell, A. Fert и O. Jaoul (CFJ) ^[12] вывели выражение для отношения AMR для сплавов на основе Ni, используя двухтоковую модель с процессами рассеяния ss и sd, где s — электрон проводимости, а d — 3d-состояния со спин-орбитальным взаимодействием. Отношение AMR выражается как

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

с и , где , , и являются константой спин-орбитальной связи (так называемой ), обменным полем и сопротивлением для спина , соответственно. Кроме того, недавно Сатоши Кокадо и др. ^{[13] [14]} получили общее выражение отношения AMR для ферромагнетиков 3d-переходных металлов, расширив теорию CFJ до более общей. Общее выражение можно также применить 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
• Необычайное магнитосопротивление
• Магниторезистивная память с произвольным доступом

Сноски

• 1. (Обычный) эффект Холла меняет знак при инверсии магнитного поля и является орбитальным эффектом (не связанным со спином) из-за силы Лоренца. Поперечный AMR (плоский эффект Холла ^[15] ) не меняет знак и вызван спин-орбитальным взаимодействием .

Ссылки

1. Пиппард, AB (1989). Магнитосопротивление в металлах. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-32660-5.
2. Коулмен, 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. «Неудержимое магнитосопротивление».
4. Thomson, W. (18 июня 1857 г.), «Об электродинамических качествах металлов: — Влияние намагничивания на электропроводность никеля и железа», Proc. R. Soc. Lond. , 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. G Giuliani (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. Ritzinger, Philipp; Vyborny, Karel (2023). "Анизотропное магнитосопротивление: материалы, модели и приложения". Royal Society Open Science . 10 (10). arXiv : 2212.03700 . Bibcode :2023RSOS...1030564R. doi :10.1098/rsos.230564. PMC 10582618 . PMID  37859834. 
8. McGuire, T.; Potter, R. (1975). "Анизотропное магнитосопротивление в ферромагнитных 3d-сплавах" (PDF) . IEEE Transactions on Magnetics . 11 (4): 1018–38. Bibcode :1975ITM....11.1018M. doi :10.1109/TMAG.1975.1058782.
9. Вишневский, П. (2007). «Гигантское анизотропное магнитосопротивление и магнитотермоэлектродвижущая сила в кубических 3:4 урановых пниктидах». Applied Physics Letters . 90 (19): 192106. Bibcode : 2007ApPhL..90s2106W. doi : 10.1063/1.2737904.
10. Ян, Хуали (2021). «Колоссальное угловое магнитосопротивление в антиферромагнитном полупроводнике EuTe ₂ ». Phys. Rev. B. 104 ( 21): 214419. Bibcode : 2021PhRvB.104u4419Y. doi : 10.1103/PhysRevB.104.214419. S2CID  245189642.
11. De Ranieri, E.; Rushforth, AW; Výborný, K.; Rana, U.; Ahmed, E.; Campion, RP; Foxon, CT; Gallagher, BL; Irvine, AC; Wunderlich, J.; Jungwirth, T. (10 июня 2008 г.), "Литографически и электрически контролируемые эффекты деформации на анизотропном магнитосопротивлении 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, IA; Ферт, А.; Джауль, О. (1970). «Спонтанная анизотропия 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.
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». Advanced Materials Research . 750–752: 978–982. arXiv : 1305.3517 . Bibcode :2013arXiv1305.3517K. doi :10.4028/www.scientific.net/AMR.750-752.978. S2CID  35733115.
15. Tang, HX; Kawakami, RK; Awschalom, DD; Roukes, ML (март 2003 г.), "Гигантский планарный эффект Холла в эпитаксиальных (Ga,Mn)As-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