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 早在1975年，Julliere就在Co/Ge/Fe磁性隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junctions， MTJs)（注：MTJs的一般結(jié)構(gòu)為鐵磁層/非磁絕緣層/鐵磁層(FM/I/FM)的三明治結(jié)構(gòu)）中觀察到了TMR效應(yīng)。但是，這一發(fā)現(xiàn)當(dāng)時并沒有引起人們的重視。在這之后的十幾年內(nèi)，TMR 效應(yīng)的研究進展十分緩慢（注：TMR效應(yīng)產(chǎn)生機理是自旋相關(guān)的隧穿效應(yīng)。）

  1988 年,巴西學(xué)者Baibich在法國巴黎大學(xué)物理系Fert教授領(lǐng)導(dǎo)的科研組中工作時，首先在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻(GMR)效應(yīng)。TMR效應(yīng)和GMR效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了凝聚態(tài)物理學(xué)中新的學(xué)科分支——磁電子學(xué)的產(chǎn)生。20年來，GMR效應(yīng)的研究發(fā)展非常迅速，并且基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究幾乎齊頭并進，已成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)化為商業(yè)應(yīng)用的國際典范。

  隨著GMR效應(yīng)研究的深入，TMR效應(yīng)開始引起人們的重視。盡管金屬多層膜可以產(chǎn)生很高的GMR值，但強的反鐵磁耦合效應(yīng)導(dǎo)致飽和場很高，磁場靈敏度很小，從而限制了GMR效應(yīng)的實際應(yīng)用。MTJs中兩鐵磁層間不存在或基本不存在層間耦合，只需要一個很小的外磁場即可將其中一個鐵磁層的磁化方向反向，從而實現(xiàn)隧穿電阻的巨大變化，故MTJs較金屬多層膜具有高得多的磁場靈敏度。同時，MTJs這種結(jié)構(gòu)本身電阻率很高、能耗小、性能穩(wěn)定。因此，MTJs無論是作為讀出磁頭、各類傳感器，還是作為磁隨機存儲器(MRAM)，都具有無與倫比的優(yōu)點，其應(yīng)用前景十分看好，引起世界各研究小組的高度重視。

  TMR效應(yīng)由于具有磁電阻效應(yīng)大、磁場靈敏度高等獨特優(yōu)勢，從而展示出十分誘人的應(yīng)用前景。概括來說，TMR 材料主要用于計算機硬盤的讀出磁頭、MRAM和各類磁傳感器。

 目前，高密度、大容量和小型化已成為計算機存儲的必然趨勢。上世紀90年代初,磁電阻型讀出磁頭在硬磁盤驅(qū)動器中的應(yīng)用，大大促進了硬磁盤驅(qū)動器性能的提高，使其面記錄密度達到了Gb/in²的量級。十幾年來，磁電阻磁頭已從當(dāng)初的各向異性磁電阻磁頭發(fā)展到GMR磁頭和TMR磁頭。TMR磁頭材料的主要優(yōu)點是磁電阻比和磁場靈敏度均高于GMR磁頭，而且其幾何結(jié)構(gòu)屬于電流垂直于膜面(CPP)型，適合于超薄的縫隙間隔。

 基于TMR效應(yīng)制作的MRAM具有集成度高、非易失性、讀寫速度快、可重復(fù)讀寫次數(shù)大、抗輻射能力強、功耗低和壽命長等優(yōu)點，它既可以做計算機的內(nèi)存儲器，也可以做外存儲器。作為內(nèi)存儲器，與市場上通用的半導(dǎo)體內(nèi)存儲器相比，它的優(yōu)點是非失性、存取速度快、抗輻射能力強；作為外存儲器，它比Flash存儲器存取速度快1000倍，而且功耗小，壽命長。與硬磁盤相比，它的優(yōu)勢是無運動部件，使用起來與Flash存儲器一樣方便。TMR材料還可以做成各種高靈敏度磁傳感器，用于檢測微弱磁場和對微弱磁場信號進行傳感。由于此類傳感器體積小、可靠性高、響應(yīng)范圍寬，在自動化技術(shù)、家用電器、商標識別、衛(wèi)星定位、導(dǎo)航系統(tǒng)以及精密測量技術(shù)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

高靈敏度——被檢測信號的強度越來越弱，需要磁性傳感器靈敏度得到極大提高。應(yīng)用方面包括電流傳感器、角度傳感器、齒輪傳感器、太空環(huán)境測量。

（1）電流傳感器：需要檢測到nA級別的電流，即使加上聚磁環(huán)，也需要磁性傳感器本身的檢測精度達到nT的水平

（2）角度傳感器：<0.01的分辨率

（3）齒輪傳感器：齒輪的精細化以及傳感器到齒輪的間距的最大化，導(dǎo)致磁性信號變得非常微弱

（4）太空環(huán)境測量：分辨率<0.015nT

（5）基于磁性異常檢測的海洋布防等：<0.02pT的檢測分辨率

溫度穩(wěn)定性——更多的應(yīng)用領(lǐng)域要求傳感器的工作環(huán)境越來越嚴酷，這就要求磁傳感器必須具有很好的溫度穩(wěn)定性，行業(yè)應(yīng)用包括汽車電子行業(yè)。

（1）汽車電子行業(yè)：從滴水成冰的外部環(huán)境到滾燙的發(fā)動機內(nèi)部都必須工作

（2）智能電網(wǎng)：可以迎接百年一遇的寒冷，也能堅守在發(fā)熱嚴重的封閉體內(nèi)

（3）航空航天領(lǐng)域：在有保護的情況下，工作溫度的跨度也是非常大的

高頻特性——隨著應(yīng)用領(lǐng)域的推廣，要求傳感器的工作頻率越來越高，應(yīng)用領(lǐng)域包括水表、汽車電子行業(yè)、信息記錄行業(yè)。

（1）水表：可以檢測到0.0001m3的即時流量（> 10 kHz）

（2）汽車電子行業(yè)：部件的精密控制，要求信號的頻率越來越高（> 200 kHz）

（3）信息記錄行業(yè)：要求數(shù)據(jù)傳輸率 > 1 GHz

低功耗——很多領(lǐng)域要求傳感器本身的功耗極低，得以延長傳感器的使用壽命。應(yīng)用在植入身體內(nèi)磁性生物芯片，指南針等等。

（1）植入身體內(nèi)磁性生物芯片

（2）使用電池供電的水表/氣表，以及微功耗智能電表

（3）室外/野外磁性傳感器（磁性異常檢測儀、電子指南針、手持式磁場探測儀等）

（4）航空航天用磁性傳感器

抗干擾性——很多領(lǐng)域里傳感器的使用環(huán)境沒有任何評比，就要求傳感器本身具有很好的抗干擾性。包括電子羅盤、金融磁頭等。

（1）電子羅盤：大多數(shù)電路板產(chǎn)生的雜散磁場為地磁場的50倍以上；

（2）金融磁頭：內(nèi)部的各種電機產(chǎn)生的磁場的強度為磁性油墨磁場的50倍以上；

（3）POS機磁頭：手機信號的磁場為磁頭磁場的5倍以上；

（4）水表、氣表等；

（5）汽車電子：發(fā)動機、運動部件以及各種電線產(chǎn)生磁場的可以在10 Gs以上

小型化、集成化、智能化——要想做到以上需求，這就需要芯片級的集成，模塊級集成，產(chǎn)品級集成

（1）芯片級的集成：傳感器 + ASIC數(shù)字式輸出、標準化輸出

（2）模塊級集成：芯片 + 外部磁鐵 + 模具 + 電路基本功能的實現(xiàn)

（3）產(chǎn)品級集成：模塊 + 產(chǎn)品功能化、智能化

以上內(nèi)容部分摘錄于 《物理》38卷（2009年）6期，作者：李彥波，魏福林，楊正；作者單位：蘭州大學(xué)磁學(xué)與磁性材料教育部重點實驗室 磁性材料研究所。特此致謝！