互动科普

纳米磁场传感器

利用最近发现的超磁阻物理效应制成的微型器件可以显著提高计算机磁盘驱动器的速度和容量，在包括磁场感应在内的其他多种应用中也有它的身影。 Stuart A. Solin

科学史上常发生这样的事情：研究集中于某个现象，结果却出人意料的发现了另一种更重要和激动人心的效应。1995年，这种运气也落在我的研究小组头上，那时候我们还在新泽西州普林斯顿大学的NEC研究院。

那时我们正在研究一种名为半导体超晶格的微电子结构的特性，由砷化镓和铝镓砷层层叠起的结构有点像三明治。我们知道这种超晶格具有非常有趣的电特性。我们特别关注的是层的厚度与超晶格电阻（像金属一样的低电阻，或者是像绝缘体那样具有高电阻）之间的关系。我们把该系统放入到磁场中，这样就可以研究超晶格中电子的动态过程。

让我们大为吃惊的是，当加大磁场强度时，超晶格的电阻急剧增加，这种现象本应该出现在磁性材料中。而不会出现在这种完全由非磁性材料构成的超晶格中。电阻变化的比率（称作磁阻：MR）在试验中是如此之大和不同寻常，我们小组立即调转方向，转而研究这种新效应的基本物理机制。

到1997年，我们建立了能解释这种新型大磁阻的基本理论。此外，我们还预测，用非磁性金属（例如金）如一层锑化铟（InSb）半导体组成的简单结构就能产生大得多的磁阻。1998年，我们和俄亥俄州大学的Jean Heremans一起制备了能实现该预测InSb-Au结构[见41页框文]。在室温下，5特斯拉的磁场中，该结构的磁阻约为百万分之一，是此前在室温下所观测到的最大值的数千倍。我们把这一现象命名为“超磁阻（EMR）”。我们相信，在超高密度数据记录、自控系统、工业应用、医疗设备及消费电子产品等诸多需要精密磁场传感器的技术领域，它都将发挥重要的作用。

与众不同超磁阻

在首次发现大磁阻效应以后很久才发现了超磁阻。过去数十年内，一系列类似现象被发现，这部分要归功于对小型但灵度高的磁场传感器的需求[见39页框文]。较之大磁阻，超磁阻的独特之处就在于它的结构中并不需要磁性材料。就像我将在下文中阐述的，这是一项令科学家着迷的特性，同时对于特定应用，它也非常有优势。

其他的大磁阻效应发生在材料的原子磁场和材料中电子流过时产生的磁力相作用时。对于电子本身的磁力，我们可以把它想象为有南北极的小磁棒。通常情况下，这些磁棒的指向是随机的，不会对电流产生影响。但在磁性材料中，这些电子都会出现极化，它们的磁场方向将和整个材料的磁场方向保持一致。当电流被极化时，如果它的极化方向和材料磁场方向一致，那么它的流动就较容易，否则就会比较困难。

所以，磁阻结构通常包含一个用于极化电流的磁性材料层以及另外一个控制磁化强度的层。这两层磁场之间的方向关系决定了它对电流起阻碍还是通过作用。以这种方式来利用电子磁力的器件被称为磁电体或电子自旋体，后者之所以得名是因为磁性和名为自旋的量子特性直接相关[参见“量子微芯片还有多远？”，《科学》，2002年9月]。

那么，没有磁性材料，超磁阻现象如何产生的呢？答案是磁场和运动的电子还有第二种作用方式。当一个带电粒子，例如电子，通过磁场时，磁场将给该例子施以一个横向的力，使它的轨迹发生弯曲[见40页框文]。普通磁阻就是由这种效应产生的。磁场使粒子的轨迹发生弯曲，如果足够强的话，甚至可以使轨迹变成螺旋状。由于粒子沿着弯曲变长的轨迹运行，它从材料的一端运行到另一端的净速度就变慢了。于是电流就被减弱，电阻变大了。更精确的说，由于电子将和材料中的杂志或其他一些缺陷发生碰撞，它们沿着锯齿形路径前进。而且，磁场还会将每个锯齿拉成曲线，这样电子们那漂泊不定的路线就变得更长了。

很大的超磁阻效应也是由磁场弯曲电子路径引起的。但是，超磁阻之所以具有如此大的量级，是弯曲路径和超磁阻器件纳米（十亿分之一米）尺度的具体几何结构相作用的结果。器件组成部分，例如电触点和不同材料区域的形状、位置以及电特性都可能对这种基于几何特性的磁阻产生影响。

对磁性磁阻器件和普通非磁性半导体磁阻器件而言，几何特性的影响远逊于物理特性（这部分取决于材料的内在物理特性，比如单位体积可用于承载电流的电子数目等）。我们小组创造性的设计了一种半导体和金属的混合结构，可以构造出几何特性影响远超过物理特性的器件。

明明白白超磁阻

为了弄清楚超磁阻的原理，请看40页图示底部显示的器件。关键部分是一个嵌入在窄带（半导体的“能隙”是禁止其电子的量子状态能带，其大小影响了半导体的很多电特性）半导体板（例如InSb）中的金质圆盘。金属的传导率是半导体的2000倍左右。

当我们在板每端的电接触点施加电压后，电流就从器件流过，沿着材料中电压建立电场的电力线流动。电力线的一个特性就是它们总是垂直通过良导体的外表面。这就导致它们向内弯曲并会聚在金盘表面。这样电流就集中通过高传导率的金属，整个器件就呈现出较低的阻抗特性。电阻的准确值取决于几何结构，也就是金属和半导体的相对形状和尺寸。

现在，让我们来看看给半导体板加上垂直磁场后会发生什么。在普通磁阻中，磁场给电荷一个附加力，使它们想侧风中的飞机一样发生偏向，这样它们的前进轨迹就和电力线之间有个夹角。磁场足够强的话，偏转角度就能达到90度，电荷都偏转到金属盘的边缘了。换言之，电流环绕在金属圆盘的周围而不是进入它。（就像图中所示的那样，这里还有其他一些细节，但电流绕开金属圆盘才是其中的关键结果。）

电流此时的行为就像半导体中的圆盘被一个大空腔代替了一样，它们将围绕着该空腔环流。半导体中间被切去一个圆盘，把电流挤向两条狭窄的半导体通道，这种结构的阻抗比一块未作任何改动的半导体阻抗大的多。（而后者的阻抗又比其中植入了金属盘的半导体阻抗大）。这样的话，在0磁场强度的时候，金属盘的作用是短路（非常小的阻抗）；而当磁场强度大到使金属盘变得像个空腔时，它又是断路的（阻抗巨大）。这种状态变化造成了超磁阻效应。

能获得对超磁阻的这种认识很大程度上要归功于伊利诺斯大学的Charles Wolf和Lester Stillman的开创性工作。他们在1970年代研究了半导体和金属组成的结构（被称为混合结构）。特别是他们研究了这种结构的载流子迁移率，它是载流子在电场运动中运动难易程度的量度。载流子可以是电子，也可以是空穴。空穴实际上是一群电子中的一个电子空缺，它在很多方面的行为很像一个带正电的粒子。

基于Charles Wolf和Lester Stillman的研究成果，我和同事们意识到，对载流子迁移率高的半导体而言，在弱磁场下超磁阻效应应该非常显著。例如锑化铟这样的窄带材料就具有高载流子迁移率。这种预测推动了研发具有更高载流子迁移率的半导体。伦敦帝国学院的Lesley Cohen和Tony Stradling（已故）在这方面做出了突出贡献。他们制备了超薄的锑化铟片。俄克拉荷马大学的Michael Santos把研究重点放在铟和铟铝锑组成的异质结构（两种半导体的混合结构）上也获得了成功。德国汉堡大学的Dirk Grundler及其同事则对砷化铟-金属混合结构的超磁阻效应进行了深入的研究。

数不胜数的应用

过去16年里，有两个因素推动了磁阻效应的发现和研究：纯粹的求知欲和对磁场传感技术应用承诺。随着1998年巨磁阻即GMR的发现，这一允诺成为现实。现今计算机的磁盘驱动中，即使不是全部，也有绝大部分使用了巨磁阻读写传感器来检测存储信息的磁比特。

磁阻传感器，特别是超磁阻传感器具有众多潜在的应用。工业应用包括加工监视器、工厂生产线上的位置感应机器人、机器和发动机的磁场检测、齿轮转速感应以及铁磁性部件的位置传感器等。汽车工业的一些应用有防抱死刹车、“智能”吸振器、车俩计数系统以及点火定时和控制系统等。消费者则从以下产品体验到了这种传感器的好处：翻盖手机的开关、固态罗盘、低价设备中的永久存储器、电梯控制开关以及磁盘驱动器中的无噪马达控制器。还可以看到，银行中的点钞机就是利用磁性墨水来完成现金分拣和清点。无论是低强度还是也许高强度磁场传感器都可以在医疗设备中找到用武之地。

在这应用中，计算机磁盘驱动器中的读写头也许是最有技术挑战性的。磁盘驱动器有三个关键部件：用于储存信息的磁盘介质，向磁盘上写入信息的写入单元，以及读取信息的读出单元。要满足对低价、高速高密度存储日益增长的需求，就必须对这三个部件都进行改进。

磁盘上1比特的信息由一个小磁化区域构成，这这点正上方会形成一个小磁场。简单起见，我们可以认为指向磁盘表面外的磁场表示‘1’，而指向磁盘内部的磁场则代表‘0’。现代磁盘驱动器中，每平方英尺内包含约200亿这样的比特，这一密度意味着每平方英尺20G比特（Gb/in2）。为了增加存储密度，比特的大小就要减小，读取头的尺寸也必须减小，同时其灵敏度也要加强，来探测更小比特的微弱磁场。同时读取头的磁场响应速度也必须增加，因为更小的比特意味着它转过读取头的时间变短了。

在评价读取头性能时，最关键的不是磁阻效应的幅度，而是它的信噪比，信噪比除了和磁阻大小相关外，还依赖于其他很多因素。对于利用磁性材料的磁阻传感器而言（超磁阻则不是这样），主要的噪声来源就是磁噪。磁噪来源于磁性材料中无数磁性原子产生的磁场。磁性原子就像一堆微小磁棒，都粗略指向同一方向，但就像罗盘指针会发生抖动一样，这些磁棒总会发生随机的抖动。对较大体积的材料而言，平均起来，这一波动对整个材料磁场的影响可以忽略不计。但随着传感器尺寸的减小，噪声的影响就不能忽略了。磁噪的存在从原理上就有可能将磁性材料的存储密度限制在数百Gb/in2的水平，但磁记录工业的5年目标是将存储密度提升到1000 Gb/in2，即Tb/in2的水平利用超磁阻效应的读取头使用的是非磁性材料，它们将不会受到磁噪的限制，所以它们是达到1 Tb/in2目标的一个可能选择。

然而1 Tb/in2的密度意味着在一个面上每比特只能占据25平方纳米。那么读取头的大小也只能是类似尺寸。要制造出这样一种可行的纳米尺寸超磁阻器件对科学和技术都提出了巨大的挑战。从科学上来说，必须设计出具有足够强超磁阻效应的器件以满足实际应用。一旦进入纳米尺度，电传导的原理就发生了变化，结果是大大减小了超磁阻。从技术上来说，必须找到能用简便工艺制造的可用超磁阻纳米 结构。不幸的是，首次验证超磁阻效应使用的圆盘结构很难应用到纳米尺度。为了应对这些挑战，我们在普林斯顿大学NEC研究院的小组吸收了来自日本NEC的物理学家J. Shen Tsai和Yu A. Pashkin，他们两位分别是纳米结构电传导以及制造纳米结构所用电子束光刻法的专家。

本文前面所述的基本超磁阻器件是所谓内部分流的，即金属盘（分流器）被半导体环绕在内，就像一个被护城河环绕的孤岛。我们这支壮大了的NEC团队意识到，可以利用一种叫保角变换的数学过程把这一几何结构转变为外部分流的器件[参见左面图示]。最终结果就是半导体和金属形成了并列的两条，所有四个电触点中用于传感电压，另两个都排列在半导体的自由面上。分流器（一条导电金属）现在位于外部，通过所有四个电触点。很难用言语描述电力线的形状，以及在磁场中载流子是如何偏离（并因而避开导电金属）这些电力线的。然而保角变换的魔力足以保证变形后的结构和前面所述环形结构的工作原理保持一致，只是关键部分（半导体、金属、电力线和电流）的几何结构发生了变化。这些外部分流的线性设计保证它可以制造和应用在纳米尺度上。

为了制造这种器件，我们采用了最先进的电子束光刻技术和飞机。制造过程中，我们的样品在美国普林斯顿和日本筑波之间来回飞了四次。最终结果表明这些付出是值得的。我们得到的基于Santos型异质结构的超磁阻器件具有大约700 Gb/in2的数据密度。把这一验证原理的器件转化为实际可用的读取头后，其数据密度也将达到这一数字的一半。目前，我们器件的磁阻值再0.05特斯拉的磁场下达到了35%。我觉得对于实际应用而言，这一数字足够好了。

一点迷惑

在努力探究纳米尺度上超磁阻的根本物理规律时，我们意外发现我们设计的器件本不应该起作用的。它“应该”只有小于1%的超磁阻。其原因和电子（或空穴）如何在电流方向上以随机的锯齿形前进（称为散射传递）相关。直线部分（两次和缺陷碰撞之间所经过的距离）的平均长度称为平均自由程。我们的纳米结构中有些单元的尺寸小于平均自由程。因此，带点载流子更有可能会碰到某个缺陷前就撞到结构的边缘上。这样，载流子在该器件里的运动将和弹道一样，它将沿直线而不是锯齿形流动。事实证明，纳米结构里这些弹道载流子受到磁场的偏转远小于在宏观结构里那些散射性载流子受到的影响。于是，纳米结构里发生在金属-半导体接口处较小的偏转将大大减小超磁阻。

幸运的是，并非出自我们的设计，我们的制造过程使结构边缘呈现出波纹，而波纹圈圈具有某些近似的周期可以加强载流子撞击边缘时的散射[参见42页框文中的小图]。这种散射使载流子的运动从弹道性变成了散射性，随之得到了散射性相关的较大超磁阻。真是幸运的啊，就在我们制造一个可用的纳米原型时，最初发现超磁阻的运气又一次眷顾我们了！让人高兴的是，现在我们知道了哲学波纹为什么会形成，而且相信可以可能控制它们的大小。

除了高密度数据和低磁噪以外，超磁阻读取头还有许多有点[见上面的表格]。它们的固有响应速度是其他类型读写头的100倍以上。它们可以轻易集成到半导体衬底上，而且制造成本会很低。劣势是它们必须工作在相对较低的温度下，不能高出室温很多。它们还有一个既是优点又是缺点的特性：超磁阻读取头的响应随磁场强度的平方而变化。这种行为不是“线性的”（缺点），但是却带来了高灵敏度（优点）。

目前最大的挑战使超磁阻传感器还是一种未得到验证的新技术。要取得超磁阻存储的成功商业，还需要克服大量技术和经济障碍。这和其他具有潜在震撼性的技术所面临的障碍毫无二致。实际上，其他一些新技术有可能使超磁阻在还未开始发展前就被人彻底遗忘。希捷公司的热助磁性记录（HAMR）技术和IBM公司的百足虫非磁性记录技术就是颇具竞争力的例子[参见“避免数据危机”，《科学》，2000年8月；“百足虫是如何炼成的”，《科学》，2003年3月]。即使这些真的发生了，超磁阻的发现者们还是希望它能在其他一些我谈到的领域获得应有==应用。为了将偶然赐予的两个慷慨礼物转化为胜利的果实，我们面临的还是大量艰苦的工作。

何毓嵩/译

杨光/校