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磁阻效应

一月 22, 2024

磁阻效應（英語：Magnetoresistance，簡稱MR），是指材料的電阻隨著外加磁場之變化而改變的效應，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，舒勃尼科夫-德哈斯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，即後來的开尔文勋爵發現[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）。他嘗試了鐵片，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。然後他用鎳做了同樣的實驗，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·費爾和彼得·格林貝格共同獲得諾貝爾獎，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發源。
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（MRAM）與硬碟中的磁性讀寫頭的科學基礎。

参阅 编辑

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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 [2017-07-04], doi:10.1098/rspl.1856.0144, （原始内容 (PDF)于2017-03-04） 
  4. ^ The Nobel Prize in Physics 2007, Nobel Media AB, 9 Oct 2007 [25 Jun 2014], （原始内容于2017-07-01） 
  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. 

一月 22, 2024
磁阻效应, 磁阻效應, 英語, magnetoresistance, 簡稱mr, 是指材料的電阻隨著外加磁場之變化而改變的效應, 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, 舒勃尼科夫, 德哈斯振盪或金屬中常見的正磁阻, 其他的效應發生在磁性金屬中, 例如鐵磁體中的負磁阻, 或各向異性磁阻, 目录, 發現, 幾何磁阻, 各種磁阻效應, 参阅, 参考资料發現, 编辑磁阻效應最初於1856年由威廉, 汤姆. 磁阻效應 英語 Magnetoresistance 簡稱MR 是指材料的電阻隨著外加磁場之變化而改變的效應 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 舒勃尼科夫 德哈斯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 目录 1 發現 2 幾何磁阻 3 各種磁阻效應 4 参阅 5 参考资料發現 编辑磁阻效應最初於1856年由威廉 汤姆森 即後來的开尔文勋爵發現 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 他嘗試了鐵片 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 然後他用鎳做了同樣的實驗 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 source source source source source source source source 關於磁阻發現的動畫圖 nbsp 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 費爾和彼得 格林貝格共同獲得諾貝爾獎 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 v m E v B displaystyle mathbf v mu left mathbf E mathbf v times B right nbsp 其中m是載流子遷移率 求解出速度 我們發現 v m 1 m B 2 E m E B m 2 B E B m 1 m B 2 E m E B m E 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 nbsp 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發源 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 MRAM 與硬碟中的磁性讀寫頭的科學基礎 参阅 编辑查看维基词典中的词条 magnetoresistance 维基共享资源中相关的多媒体资源 磁阻效应巨磁阻效应 超巨磁阻效应 磁阻式隨機存取記憶體 MRAM 参考资料 编辑 A B Pippard Magnetoresistance in Metals Cambridge University Press 1989 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 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 2017 07 04 doi 10 1098 rspl 1856 0144 原始内容存档 PDF 于2017 03 04 The Nobel Prize in Physics 2007 Nobel Media AB 9 Oct 2007 25 Jun 2014 原始内容存档于2017 07 01 5 0 5 1 G Giuliani A general law for electromagnetic induction EPS 2008 81 6 60002 Bibcode 2008EL 8160002G arXiv 1502 00502 nbsp doi 10 1209 0295 5075 81 60002 取自 https zh wikipedia org w index php title 磁阻效应 amp oldid 77750020, 维基百科，wiki，书籍，书籍，图书馆，

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