Анизотропный магниторезистивный эффект

Анизотропный магниторезистивный эффект (АМР-эффект, англ. Anisotropic Magnetoresistance, AMR) — это физическое явление, заключающееся в зависимости электрического сопротивления ферромагнитного материала от направления протекающего через него электрического тока относительно вектора намагниченности. В отличие от обычного магнитосопротивления, обусловленного действием силы Лоренца на траектории носителей заряда, АМР-эффект связан с анизотропией рассеяния электронов проводимости в ферромагнетиках. Эффект проявляется в том, что сопротивление максимально, когда ток направлен параллельно намагниченности, и минимально, когда ток перпендикулярен ей. Относительное изменение сопротивления для большинства ферромагнитных сплавов (например, пермаллоя) составляет от 1 % до 5 %, что значительно меньше гигантского магниторезистивного эффекта, но достаточно для практического применения в датчиках магнитного поля.

История открытия

Впервые зависимость электрического сопротивления ферромагнитных материалов от направления намагниченности была обнаружена в 1857 году английским физиком Уильямом Томсоном (лордом Кельвином). Он проводил эксперименты с образцами железа и никеля и заметил, что при намагничивании вдоль направления тока сопротивление увеличивается, а при намагничивании поперёк — уменьшается. Однако в то время это явление не получило объяснения из-за отсутствия развитой теории ферромагнетизма.

Систематическое изучение АМР-эффекта началось в середине XX века. В 1930-х годах советский физик Яков Дорфман выдвинул гипотезу о связи анизотропии рассеяния электронов с орбитальным моментом. В 1950-х годах были разработаны первые теоретические модели, объясняющие эффект на основе s-d-рассеяния электронов проводимости на локализованных d-электронах ферромагнетика. Значительный вклад в понимание механизма АМР внесли работы Дж. Смита (1951) и Т. Макгуайра (1975), которые экспериментально подтвердили зависимость эффекта от угла между током и намагниченностью.

Практический интерес к АМР-эффекту возрос в 1970-х годах с развитием тонкоплёночных технологий и созданием первых магниторезистивных головок для считывания информации с магнитных носителей. В 1980-х годах компания IBM (организация признана иноагентом в РФ) начала коммерческое использование АМР-датчиков в жёстких дисках.

Физический механизм

АМР-эффект обусловлен анизотропией рассеяния электронов проводимости в ферромагнитных материалах. В ферромагнетиках электроны проводимости (s-электроны) взаимодействуют с локализованными d-электронами, ответственными за магнитный момент. Вероятность рассеяния s-электрона на d-электроне зависит от ориентации спина электрона относительно намагниченности.

Зонная структура ферромагнетика

В ферромагнитных металлах (железо, кобальт, никель и их сплавы) d-зона расщеплена на две подзоны: с преимущественным направлением спина «вверх» (majority-spin) и «вниз» (minority-spin). Из-за обменного взаимодействия эти подзоны смещены по энергии, что приводит к разной плотности состояний на уровне Ферми. Электроны проводимости с разными спинами обладают различной эффективной массой и длиной свободного пробега.

Механизм рассеяния

При протекании тока через ферромагнетик электроны проводимости рассеиваются на неоднородностях решётки, примесях и, главное, на d-электронах. Вероятность рассеяния максимальна, когда спин электрона параллелен намагниченности (так как в этом случае больше доступных конечных состояний в d-зоне). При перпендикулярной ориентации спина рассеяние ослабляется.

Поскольку направление спина электрона фиксировано относительно его импульса (из-за спин-орбитального взаимодействия), вероятность рассеяния зависит от направления движения электрона относительно намагниченности. В результате удельное сопротивление материала оказывается различным для токов, текущих вдоль и поперёк намагниченности.

Математическое описание

Зависимость удельного сопротивления ρ от угла θ между направлением тока и вектором намагниченности описывается эмпирической формулой:

\[ \rho(\theta) = \rho_\perp + (\rho_\parallel - \rho_\perp) \cos^2\theta \]

где ρ_∥ — сопротивление при параллельной ориентации (θ = 0°), ρ_⊥ — сопротивление при перпендикулярной ориентации (θ = 90°). Относительная величина эффекта определяется как:

\[ \text{AMR} = \frac{\rho_\parallel - \rho_\perp}{\rho_\perp} \times 100\% \]

Для типичных ферромагнитных сплавов AMR составляет 1–5 %. Наибольшие значения (до 6–7 %) наблюдаются в сплавах на основе никеля и кобальта.

Материалы

АМР-эффект проявляется в ферромагнитных материалах, обладающих спонтанной намагниченностью. Наибольшее практическое значение имеют следующие группы материалов:

Пермаллой (Ni-Fe)

Сплав никеля (80–82 %) и железа (18–20 %) является классическим материалом для АМР-датчиков. Он обладает высокой магнитной проницаемостью, малым значением коэрцитивной силы и относительно большим АМР-эффектом (2–3 %). Пермаллой легко наносится в виде тонких плёнок методом магнетронного распыления.

Сплавы Ni-Co

Сплавы никеля с кобальтом (до 20 % Co) демонстрируют повышенный АМР-эффект (до 4–5 %) и лучшую термическую стабильность по сравнению с пермаллоем. Используются в датчиках, работающих при повышенных температурах.

Сплавы Fe-Co

Сплавы железа с кобальтом (например, пермендюр) обладают высокой намагниченностью насыщения, но меньшим АМР-эффектом (1–2 %). Применяются в тех случаях, когда требуется высокая чувствительность к слабым полям.

Аморфные ферромагнетики

Некоторые аморфные сплавы (например, Co-Fe-Si-B) также проявляют АМР-эффект, хотя и меньший, чем кристаллические. Их преимущество — низкая коэрцитивная сила и высокая магнитная проницаемость.

Применение

АМР-эффект нашёл широкое применение в технике, особенно в устройствах, измеряющих магнитное поле, угол поворота или положение.

Магниторезистивные датчики

Основное применение АМР-эффекта — создание датчиков магнитного поля. Типичный АМР-датчик представляет собой тонкоплёночную структуру из пермаллоя, нанесённую на кремниевую подложку. Плёнка имеет форму полоски или мостовой схемы (мост Уитстона). При воздействии внешнего магнитного поля намагниченность плёнки поворачивается, изменяя её сопротивление.

АМР-датчики обладают следующими характеристиками:

• Чувствительность: 0,1–1 мВ/А·м (в зависимости от конфигурации)
• Диапазон измеряемых полей: от 0,1 мТл до 10 мТл
• Рабочий диапазон температур: от -40 до +150 °C
• Потребляемая мощность: 1–10 мВт

Они используются в:

• Датчиках положения и угла поворота (например, в автомобильных системах ABS, датчиках угла поворота руля)
• Компасах и навигационных приборах
• Датчиках тока (бесконтактное измерение силы тока в проводниках)
• Считывающих головках магнитных носителей (в жёстких дисках 1980–1990-х годов)

Считывающие головки

В 1980–1990-х годах АМР-головки использовались в жёстких дисках для считывания информации с магнитных пластин. Они обеспечивали плотность записи до 1 Гбит/кв. дюйм, что было значительным прогрессом по сравнению с индуктивными головками. Однако с появлением гигантского магниторезистивного эффекта (GMR) в 1990-х годах АМР-головки были вытеснены, так как GMR-головки обеспечивают в 10–100 раз большее изменение сопротивления.

Датчики угла

АМР-датчики могут измерять угол поворота магнитного поля с высокой точностью (до 0,1°). Для этого используется конфигурация с двумя или четырьмя АМР-элементами, расположенными под разными углами. Такие датчики применяются в робототехнике, станках с ЧПУ и автомобильной электронике.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Простота конструкции и изготовления (тонкоплёночная технология)
• Высокая надёжность и долговечность (отсутствие движущихся частей)
• Низкое энергопотребление
• Возможность миниатюризации
• Широкий рабочий диапазон температур

Недостатки

• Относительно малая величина эффекта (1–5 %), что ограничивает чувствительность
• Зависимость от температуры (температурный коэффициент сопротивления)
• Необходимость внешнего магнитного поля для перемагничивания (в отличие от GMR и TMR)
• Чувствительность к внешним магнитным помехам

Сравнение с другими магниторезистивными эффектами

АМР-эффект является одним из нескольких типов магниторезистивных эффектов, используемых в современной электронике.

Интересные факты

• АМР-эффект наблюдается не только в ферромагнетиках, но и в некоторых антиферромагнетиках, хотя его величина значительно меньше.
• В 2007 году за открытие гигантского магниторезистивного эффекта была присуждена Нобелевская премия по физике Альберту Ферту и Петеру Грюнбергу. АМР-эффект не был удостоен отдельной премии, несмотря на его более раннее открытие.
• В 1990-х годах российские учёные из Института физики металлов УрО РАН (Екатеринбург) внесли значительный вклад в изучение анизотропного магнитосопротивления в многослойных структурах и сплавах.
• АМР-датчики используются в некоторых моделях смартфонов для определения ориентации в пространстве (электронный компас).

Источники

• Макгуайр Т. Анизотропное магнитосопротивление в ферромагнитных плёнках // Физика тонких плёнок. — М.: Мир, 1975. — Т. 6.
• Смит Дж. Магнетизм и магниторезистивные эффекты. — Л.: Наука, 1951.
• Дорфман Я. Г. Магнитные свойства вещества. — М.: Гостехиздат, 1935.
• Thomson W. On the Electro-Dynamic Qualities of Metals // Proceedings of the Royal Society of London. — 1857. — Vol. 8. — P. 546–550.
• Campbell I. A., Fert A. Transport Properties of Ferromagnets // Handbook of Ferromagnetic Materials. — North-Holland, 1982. — Vol. 3.
• Гуревич А. Г. Магниторезистивные эффекты в ферромагнетиках. — М.: Физматлит, 2004.