巨磁电阻与石墨烯

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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。2007年，诺贝尔奖颁发给了发现巨磁电阻效应的阿尔伯特・费尔特（Albert Fert）和彼得・格伦博格（Peter Grünberg）。他们的工作直接带来了一场硬盘革命，并极大的加速了信息时代的步伐。2010年，诺贝尔奖颁发给了在石墨烯方面进行突破性实验的安德烈・海姆（AndreGeim）和康斯坦丁・诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）。石墨烯――目前最被看好的具有广阔前景的新型材料正在进入人们的视线。

一、巨磁电阻的特征

磁电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。

而巨磁电阻的特点则恰好相反：巨磁电阻的相对变化率为负（MR

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）。

巨磁电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。

二、巨磁电阻的应用

巨磁电阻最重要的应用就在计算机硬盘中。巨磁电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。用巨磁电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，用磁电阻效应来读出数据，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。

三、石墨烯的特性

人们一般认为碳元素单质有两种存在形式：石墨和金刚石。它们都是属于三维的碳单质材料。之前学术界普遍认为碳元素二维晶格体系是不可能稳定存在的，直到2004年安德烈・海姆（AndreGeim）和康斯坦丁・诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）将石墨烯真正分离出来并进行验证。石墨烯（Graphene）是由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状六角格子的一种物质，是一种碳单质。单层石墨烯的载流子浓度不高， 在室温下具有极高的迁移率，表现为一种奇特的相对论性的狄拉克费米子行为，其费米质量为零并且费米速度可以达到光速的1/300，这使得它能够很容易地通过场效应和门电压来调节它的化学势和载流子浓度，同时这个速度大大地超过了电子在一般导体中的运动速度，从而使石墨烯成为已知材料中电子传导速率最快的材料。石墨烯还具有高强度、超高比表面积和超高热导率等许多奇特的物理特性。它很透明，垂直入射的可见光只有很小一部分（2.3%）会被石墨烯吸收，而绝大部分的光都会透过去。它又很致密，连氦原子（最小的气体分子）也不能穿过去。

四、石墨烯的制备

石墨烯最广为流传的制备方法就是胶带剥离法，通过将粘有石墨的胶带对折撕扯，不断重复，便能得到不同厚度的碎片，在光学显微镜下经过干涉实验来判断是否为单层石墨烯。当然，目前还发展了其他几种方法。主要有化学气相沉积法，SiC衬底的外延生长法和氧化-还原法等。

五、石墨烯的发展与应用

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（ IT O），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500GHz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碟内容的传输。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。石墨烯的发现为许多理论提供了新的支持，同时，也有望开发出许多新领域如：新导电高分子材料、多功能聚合物复合材料和高强度多孔陶瓷材料等。

六、结语

不论是已经发现了三十多年的巨磁电阻，还是新兴的石墨烯，对它们的研究还远没有结束。在未来它们将在我们的生活中发挥更重要的作用。