2015-7-22

三十年前，一部电影要放在几卷胶卷中分部储存；如今，一个小小的移动硬盘就能存储几十部高清电影。科技一直在改变我们的生活方式，其中巨磁电阻效应做了很多贡献。而未来，或许是新型材料石墨烯的舞台。石墨烯除了具有极高的载流子迁移率，可以做成高表现的场效应晶体管，石墨烯还具有较长的自旋弛豫时间和长度，这使得其在自旋电子学领域内也有着重要的潜在应用价值。但基于纯石墨烯的自旋阀其磁阻较低，实验报道的值只有 10%左右。二维材料的一个显著特点是有两个暴露的表面，从而提供了结构调制的自由度。北京大学在 2012年通过密度泛涵第一性原理的模拟，发现可以通过在石墨烯的一侧进行化学修饰或者两侧进行不同的化学修饰的办法大大提高石墨烯器件在自旋电子器件上的表现计算表明，该器件的室温巨磁阻可达 2200 %，比目前实验上的巨磁阻最高值高一个数量级。该工作为石墨烯材料在自旋电子学领域的应用开辟了新的道路。

巨磁阻效应 (Giant Magnetoresistance, GMR) 是指磁性材料的电阻率在加场较之不加场时存在巨大的变化，通常可以达到 10%，甚至 100%以上；该效应源于自旋相关散射，多发生于多层膜、自旋阀、颗粒膜、非连续多层膜等材料体系中。巨磁阻效应普遍存在于磁性和非磁性材料中，对非磁性金属磁电阻的特点是：磁电阻的相对变化率为正（MR> 0），其值很小（一般MR< 0. 1% ）各向异性，正相对变化率磁电阻效应来源于载流子在运动中受到磁场导致的洛伦兹力，偏离原来的运动轨迹，使电子碰撞几率增加，引起附加的散射效应，从而使电阻升高。而巨磁阻的特点则恰好相反：巨磁阻的相对变化率为负（MR<0），其值很大，各向同性，巨磁阻效应来源于磁性导体中传导电子的自旋相关散射。为了使负的磁电阻变化率定义为一个正的物理量，我们定义巨磁电阻应具备

（1）两类磁化位形﹔

（2）两自选电流模型适用：磁纳米结构尺寸小于自旋扩散长度﹔

（3）界面和杂质散射机理（适当的表面粗糙度）。

巨磁阻效应通常用两自旋电流模型来描述。当两个铁磁层磁矩平行时，两边费米能级处自旋向下的电子数都较多，因此在两个铁磁／非磁界面受到的散射很弱，是低电阻通道，表示为 2R；相反，自旋向上的电子数较少，因此在两个铁磁／非磁界面受到的散射很强，是高电阻通道，表示为 2RH。根据两自旋电流模型，相应的等效总电阻为2RLRH／（RL+RH）。当两个铁磁层磁矩反平行时，左边铁磁电极费米能级处自旋向下的电子数较多，对自旋向下的电子，在穿过第一个铁磁/非磁界面时受到的散射较弱， 是低电阻态，RL；但是在第二个铁磁层中，自旋向下的电子态密度较少，在铁磁／非磁界面受到的散射很强，是高电态，RH ，因此，自旋向下的通道的总电阻就是RL+RH。相似的，对自旋向上的电子通道， 电子在两个界面处分别受到强散射和弱散射，总电阻为RL+RH。

巨磁阻最重要的应用就在计算机硬盘中。巨磁阻效应的出现使得硬盘读取信息方式发生了颠覆性的改变，它取代了原有利用电磁感应效应的原理进行读取的方式。用巨磁阻材料做成的读写磁头相较于前灵敏度大幅提高，相应的，被读取的介质的存储密度也越来越大，它使计算机硬盘的容量达到几百G乃至上千G。如今，巨磁电阻最有前景的应用是磁性随机储存器（Magnetoresistance Random Access Memmory，MRAM）。MRAM利用磁性材料的双稳态特性来储存信息，用巨磁阻效应来读出数据，所有的储存单元都集成到集成电路芯片中，这种储存器最大的优点是 “非挥发性” 以及 “随机存储”。“非挥发性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整，而 “随机存取” 是指中央处理器读取资料时，不一定要从头开始，随时可用相同的速率，从内存的任何部位读写信息。

石墨烯最吸引人的应用便是制作柔软透明电极。在日常生活的许多地方，如显示器，秒表，都需要用上透明电极，而目前所使用的材料是氧化铟锡（ITO），由于铟元素在地球上的含量有限，价格昂贵，且毒性很大，质地很脆。石墨烯恰好满足我们透明、导电性好、容易制备等要求，适合做氧化铟锡的替代品。且石墨烯本身柔软度好，非常适合用来做可折叠的显示设备。利用石墨烯独特的光学性质，可以做出新型的光电感应设备。由于在整个可见光到红外的波长范围内都可以吸收入射光的 2.3%，吸收的光会导致载流子（电子和空穴）的产生，这使得石墨烯很合适用来做超快的光电感应设备。据估计，这样的光电感应设备有可能能以 500 GHz的频率工作，用于信号传输的话，可以在 1秒内完成两张蓝光光盘内容的传输。由于石墨烯还有超高的比表面积，它还可以用作超级电容器以及能量储存等方面。