許浩琛

摘 要 早年發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻給我們的生活帶來(lái)巨大變化，新型材料石墨烯的出現(xiàn)無(wú)疑又是對(duì)生活的莫大造化。文章從磁電阻效應(yīng)比較出巨磁電阻的特征，而巨磁電阻的應(yīng)用發(fā)展將又是一場(chǎng)存儲(chǔ)技術(shù)的革命；文章還分析了石墨烯的特性，闡述其制備方法及其發(fā)展與應(yīng)用。本文對(duì)巨磁電阻與石墨烯在以后的研究有重要意義。

關(guān)鍵詞 巨磁電阻特征 應(yīng)用 石墨烯特性 制備 發(fā)展應(yīng)用

中圖分類號(hào)：O44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

三十年前，一部電影要放在幾卷膠卷中分部?jī)?chǔ)存；如今，一個(gè)小小的移動(dòng)硬盤就能存儲(chǔ)幾十部高清電影。在不久的將來(lái)，手機(jī)就可以像手表一樣彎曲?？萍家恢痹诟淖兾覀兊纳罘绞?，其中巨磁電阻效應(yīng)做了很多貢獻(xiàn)。而未來(lái)，或許是新型材料石墨烯的舞臺(tái)。

2007年，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)的阿爾伯特·費(fèi)爾特（Albert Fert）和彼得·格倫博格（Peter Gr黱berg）。他們的工作直接帶來(lái)了一場(chǎng)硬盤革命，并極大的加速了信息時(shí)代的步伐。2010年，諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了在石墨烯方面進(jìn)行突破性實(shí)驗(yàn)的安德烈·海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）。石墨烯——目前最被看好的具有廣闊前景的新型材料正在進(jìn)入人們的視線。

1巨磁電阻的特征

磁電阻效應(yīng)普遍存在于磁性和非磁性材料中， 對(duì)非磁性金屬磁電阻的特點(diǎn)是：磁電阻的相對(duì)變化率為正（MR > 0）， 其值很?。ㄒ话鉓R < 0. 1% ）各向異性， 正相對(duì)變化率磁電阻效應(yīng)來(lái)源于載流子在運(yùn)動(dòng)中受到磁場(chǎng)導(dǎo)致的洛倫茲力， 偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡， 使電子碰撞幾率增加， 引起附加的散射效應(yīng)， 從而使電阻升高。

而巨磁電阻的特點(diǎn)則恰好相反：巨磁電阻的相對(duì)變化率為負(fù)（MR<0），其值很大，各向同性，巨磁電阻效應(yīng)來(lái)源于磁性導(dǎo)體中傳導(dǎo)電子的自旋相關(guān)散射。為了使負(fù)的磁電阻變化率定義為一個(gè)正的物理量，我們定義：

巨磁電阻應(yīng)具備：（1）兩類磁化位形。（2）兩自選電流模型適用：磁納米結(jié)構(gòu)尺寸小于自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度。（3）界面和雜質(zhì)散射機(jī)理（適當(dāng)?shù)谋砻娲植诙龋?/p>

巨磁電阻效應(yīng)通常用兩自旋電流模型來(lái)描述。當(dāng)兩個(gè)鐵磁層磁矩平行時(shí)，兩邊費(fèi)米能級(jí)處自旋向下的電子數(shù)都較多，因此在兩個(gè)鐵磁/非磁界面受到的散射很弱，是低電阻通道，表示為2R；相反，自旋向上的電子數(shù)較少，因此在兩個(gè)鐵磁/非磁界面受到的散射很強(qiáng)，是高電阻通道，表示為2RH。根據(jù)兩自旋電流模型，相應(yīng)的等效總電阻為2RLRH/（RL+RH）。當(dāng)兩個(gè)鐵磁層磁矩反平行時(shí)，左邊鐵磁電極費(fèi)米能級(jí)處自旋向下的電子數(shù)較多，對(duì)自旋向下的電子，在穿過第一個(gè)鐵磁/非磁界面時(shí)受到的散射較弱，是低電阻態(tài)，RL；但是在第二個(gè)鐵磁層中，自旋向下的電子態(tài)密度較少，在鐵磁/非磁界面受到的散射很強(qiáng)，是高電態(tài)，RH ，因此，自旋向下的通道的總電阻就是RL+RH。相似的，對(duì)自旋向上的電子通道，電子在兩個(gè)界面處分別受到強(qiáng)散射和弱散射，總電阻為RL+RH。

巨磁電阻效應(yīng)最先出現(xiàn)在磁性多層膜中。經(jīng)分析，若要獲得巨磁電阻，必須通過外場(chǎng)得到平行和反平行構(gòu)型，而且非磁層的厚度要小于自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度。最低態(tài)電阻RL與最高態(tài)電阻RH相差越大，磁電阻越大，這清晰的表述出磁電阻效應(yīng)是由自旋向上和向下的電子的電阻不同引起的。

2巨磁電阻的應(yīng)用

巨磁電阻最重要的應(yīng)用就在計(jì)算機(jī)硬盤中。巨磁電阻效應(yīng)的出現(xiàn)使得硬盤讀取信息方式發(fā)生了顛覆性的改變，它取代了原有利用電磁感應(yīng)效應(yīng)的原理進(jìn)行讀取的方式。用巨磁電阻材料做成的讀寫磁頭相較于前靈敏度大幅提高，相應(yīng)的，被讀取的介質(zhì)的存儲(chǔ)密度也越來(lái)越大，它使計(jì)算機(jī)硬盤的容量從幾百兆、幾千兆，一躍而提高幾百倍，達(dá)到幾百 G 乃至上千 G 。

如今，巨磁電阻最有前景的應(yīng)用是磁性隨機(jī)儲(chǔ)存器（Magnetoresistance Random Access Memmory，MRAM）。MRAM利用磁性材料的雙穩(wěn)態(tài)特性來(lái)儲(chǔ)存信息，用磁電阻效應(yīng)來(lái)讀出數(shù)據(jù)，所有的儲(chǔ)存單元都集成到集成電路芯片中，這種儲(chǔ)存器最大的優(yōu)點(diǎn)是“非揮發(fā)性”以及“隨機(jī)存儲(chǔ)”?！胺菗]發(fā)性”是指關(guān)掉電源后，仍可以保持記憶完整，功能與Flash相同，而“隨機(jī)存取”是指中央處理器讀取資料時(shí)，不一定要從頭開始，隨時(shí)可用相同的速率，從內(nèi)存的任何部位讀寫信息。 MRAM的出現(xiàn)，可以說是存儲(chǔ)技術(shù)的又一場(chǎng)革命，其發(fā)展和應(yīng)用相當(dāng)迅速。

3石墨烯的特性

人們一般認(rèn)為碳元素單質(zhì)有兩種存在形式：石墨和金剛石。它們都是屬于三維的碳單質(zhì)材料。近幾年發(fā)現(xiàn)的碳納米管和富勒烯分別屬于一維材料和零維材料。關(guān)于石墨烯的理論持續(xù)了幾十年，但卻普遍認(rèn)為這樣的二維晶格體系是不可能穩(wěn)定存在的，直到2004年安德烈？海姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）將石墨烯真正分離出來(lái)并進(jìn)行驗(yàn)證。

石墨烯（Graphene）是由單層的碳原子緊密排列成二維的蜂巢狀六角格子的一種物質(zhì)。和金剛石、石墨、富勒烯、碳納米管還有無(wú)定形碳一樣，它是一種碳單質(zhì)。通過石墨烯與其他碳單質(zhì)的比較，很容易看出我們可以將石墨烯進(jìn)行剪切，彎曲和堆疊來(lái)形成碳納米管，富勒烯和石墨。雖然如此，但是由于二維平面上的量子效應(yīng)，石墨烯的特性還是和其他碳單質(zhì)的特性完全不同。

4石墨烯的制備

對(duì)于石墨烯，最廣為流傳的制備方法就是膠帶剝離法，通過將粘有石墨的膠帶對(duì)折撕扯，不斷重復(fù)，便能得到不同厚度的碎片，在光學(xué)顯微鏡下經(jīng)過干涉實(shí)驗(yàn)來(lái)判斷是否為單層石墨烯。這種方法雖然最簡(jiǎn)單，卻仍舊是目前制備石墨烯最好，純度最高的方法。

5石墨烯的發(fā)展與應(yīng)用

石墨烯最吸引人的應(yīng)用便是制作柔軟透明電極。在日常生活的許多地方，如顯示器，秒表，都需要用上透明電極，而目前所使用的是透明薄膜材料是氧化銦錫（IT O），由于銦元素在地球上的含量有限，價(jià)格昂貴，尤其是毒性很大，質(zhì)地很脆，使它的應(yīng)用受到限制。石墨烯恰好滿足我們透明、導(dǎo)電性好、容易制備等要求，適合做氧化銦錫的替代品。而且石墨烯本身柔軟度較好，非常適合用來(lái)做一些可以折疊的顯示設(shè)備。

利用石墨烯獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)，可以做出新型的光電感應(yīng)設(shè)備。由于在整個(gè)可見光到紅外的波長(zhǎng)范圍內(nèi)都可以吸收入射光的2.3%，吸收的光會(huì)導(dǎo)致載流子（電子和空穴）的產(chǎn)生，這使得石墨烯很合適用來(lái)做超快的光電感應(yīng)設(shè)備。據(jù)估計(jì)，這樣的光電感應(yīng)設(shè)備有可能能以500GHz的頻率工作，用于信號(hào)傳輸?shù)脑?，每秒鐘可以傳?000億個(gè)0或者1，可以在1秒內(nèi)完成兩張藍(lán)光光碟內(nèi)容的傳輸。

由于石墨烯還有超高的比表面積，它還可以用作超級(jí)電容器以及能量?jī)?chǔ)存等方面。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)為許多理論提供了新的支持，同時(shí)，也有望開發(fā)出許多新領(lǐng)域如：新導(dǎo)電高分子材料、多功能聚合物復(fù)合材料和高強(qiáng)度多孔陶瓷材料等。石墨烯、自旋電子學(xué)和相對(duì)論理論的結(jié)合也引出了拓?fù)浣^緣體這一新方向。

6 結(jié)論

巨磁電阻的發(fā)展與應(yīng)用給生活帶來(lái)巨大改變，石墨烯新型材料的出現(xiàn)又給生活帶來(lái)了許多的便利。文章通過對(duì)巨磁電阻和石墨烯的發(fā)展與應(yīng)用進(jìn)行現(xiàn)狀分析表明：巨磁電阻和石墨烯對(duì)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展意義重大，只要不斷對(duì)兩者進(jìn)行研究與開發(fā)，將會(huì)對(duì)不同領(lǐng)域帶來(lái)技術(shù)性革命。

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