1前言
在以高技术和新产业为特征，以信息技术、新材料技术、生物技术、能源技术、空间技术和海洋工程技术等尖端技术的广泛应用为标志的“世界新科技革命”的浪潮中，现代科学技术呈现了出全球性、全面性、整体性与科学、技术、生产一体化的基本特征，学科交叉、渗透、融合十分明显。磁学与磁性材料的发展也不例外，一些新原理、新现象、新技术不断涌现，向其它学科的渗透与融合也很明显。
以研究巨磁电阻（GMR）、超巨磁电阻（CMR）、隧道结磁电阻（TMR）效应、材料、器件及其应用为基本内容的新兴交叉学科棗自旋〔磁〕电子学的兴起，便是具有代表性的例证。
本文在介绍了自旋（磁）电子学(以下称自旋电子学，Spintronics)之后，进而论述了它在现代电子信息等技术领域中的应用。表明这一新兴的科学技术具有广阔的应用领域与美好的发展前景。
2自旋（磁）电子学
2.1 自旋电子学的产生
磁学虽是一门古老的科学，但在它刚一出现时就显现出很强的实用性，所以它的发展就同物理学、固体化学、电子学密切结合而向前迈进的。二十世纪物理学的两大基础——量子论和相对论的建立，使铁磁理论才从唯象进到了微观，也为真空电子学发展到固体电子学奠定了基础。
人们都知道，电子的运动有位移和自旋两类。电子位移与带电粒子的运动和电流密切相关；而电子自旋则是物质磁性的起源，却未得到充分利用。所以磁学是研究具有交换作用的电子自旋系统的合作磁性行为的，而电子学则是研究带有正或负电荷的载流子系统的电行为的。随着纳米科学技术和介观物理学的深入发展出现了一些需要磁学和电子学联合作用才能解释的新现象、新原理和新器件，如1988年发现的比各向异性磁电阻（AMR）效应的电阻变化大得多的巨磁电阻（GMR）效应，前者的电阻变化ΔR/R（ΔR=RH-RO ，其中RH，RO分别为外磁场为H和0时的电阻）值为1%～2%，后者高达60%；1993年又在类钙钛石型结构的稀土锰氧化物中观测到了超巨磁电阻（Colossal magnetoresistance， CMR）效应的电阻变化又比GMR大，其ΔR/Ro值可达103～106。接着又发现的隧道结巨磁电阻（tunneling magnetoresistance，简称TMR）效应，已引起世界各国的极大关注。IBM和富士公司已研制出ΔR/Ro为22%和24%的TMR材料，它们不但涉及磁学和电子学，而且在小型化和微型化高密度磁记录读出头、随机存储器和传感器中获得重要应用。又如纳米磁粉、磁膜的介观磁性都涉及到了复杂的动力学、磁有序系统的电子微结构理论计算、微磁显微与模型。
所以磁电子学（亦称自旋电子学）的产生是以 GMR、CMR和TMR效应的发现及材料研究和器件应用为基础的。我国在磁电子学方面的多层膜、颗粒膜、类钙钛矿型氧化物的GMR和磁光效应，层间耦合研究上取得了进展，在高密度记录、磁光信息存储、汽车、数控机床、自动控制系统中有着十分广泛而重要的应用，是一种高新技术的基础，国外正由基础研究向应用、开发和产业化方向发展并取得了长足进展。
微电子、光电子、光电子学都是利用了电子导电的群体行为，而电子所具有的自旋却未得到发挥。采用自旋结技术的双极自旋晶体就是采用一种由铁磁性非磁性铁磁性金属三层几何结构的厚膜技术，其结果就是一个具有依赖于两端铁磁性物质的磁化方向的双极电压（或电流）输出的三端电流偏置器件，它是一种在非磁性层中自旋极化电子以有效塞曼能描述的热力学力驱动的有源器件。这种新型磁性晶体管显示出了许多优越性能，如作成边长为100nm的芯片，其集成度为硅器件的100倍、GaAs的10～100倍；功耗可低至0.5μW；开关时间接近1ns；温度稳定性高；它可以有效地进行电流放大，应用到非易失性RAM、逻辑、LSI等装置上作为新型计算机和信息系统的重要组成部分。
那么自旋电子学的基本原理是什幺呢？它就是通过精确控制电子自旋向上或电子自旋向下特性，将这些朝相反方向旋转排列在薄膜等物质上形成磁场，得到电子计算机所需要的“正”和“负”或“0”和“1”状态。经过研究，广大学者认为利用这个原理可产生出新一代电子产品。
2.2 自旋电子学的新近发展
自1988年发现巨磁电阻（GMR）效应诞生自旋电子学以来，已十多年。目前已成为世界各国关注的重点领域，是学者们研究的热点。
近年来世界著名的自然科学专著出版社纷纷出版有关自旋电子学著作，学术研讨活动不断并日益扩大。例如Springer（斯普林格）出版社的《SpinElectronics （自旋电子学）》，《Semiconductor Spintronics and Quanputation（半导体自旋电子学和量子计算机）》，Klumer出版社的《 Magnetic Iteractions and Spin Transpport（磁相互作用和自旋运输）》等，在Ｓcince（科学）等杂志上不断发表最新研究成果。
自１９８８年后，1994年美国NVE公司首先实现了GMR效应产业化并销售传感器；Ｍtorola和IBM公司一直致力于使电子计算机硬盘产生巨大变化的研发工作，1998年IBM成功地把GMR用于计算机硬盘上，研制出了GMR磁头，打破了高速公路图象传输存储的瓶颈，目前存储密度已高达56Gb/in2。世界GMR磁头市场总额每年达400亿美元，2001年Mtorola宣布成功研制出了GMR随机存储器（MRAM），预示有1000亿美元的市场容量，它们更进一步的目标是逻辑电路。经研究表明，自旋电子技术和传统电子学在材料和制备方法上是兼容的，于是可以借用传统电子学的技术来进行电子自旋材料和器件的研发。
目前自旋电子学与技术正处于发展时期，在世界范围内的研发活动十分活跃，迄今为止与自旋电子学相关的主要物理现象、材料及研究现状如表1所示。
自旋电子学较之传统电子学具有如下的优点：
1）功耗低。改变电子自旋状态（将电子自旋倒转）所需能量只是电子位移的很小一部分。
2）速度快。由于电子自旋和描述自旋的量子理论的特有性质，利用自旋开发的“与”和“非”门逻辑状态，每秒可改变１０亿次以上。
3）不挥发性。关掉电源以后，自旋状态也不会改变，因此它具有非易失性的特点，作成不挥发性的存储器是很有竞争力的。
3自旋电子学的应用
自巨磁电阻（GMR）效应出现后的十几年内不断开发出了一系列崭新的磁电子学器件，使计算机外存储器的容量获得了突破性进展，将家用电器、自动化技术和汽车工业中应用的传感器得以更新。例如：IBM公司从1994年起利用GMR效应自旋阀（Spin Valve， 简称SV）结构制作出了硬盘驱动器（HDD）读出磁头，使HDD面密度达到每平方英寸10亿位（1Gb/in2），至1996年使HDD的面密度已达到每平方英寸50亿位（5Gb/in2），将磁盘记录密度一下提高17倍，目前已达到56 Gb/in2，现在正在向100 Gb/in2的目标推进，使得它在与光盘竞争中再度处于领先地位。
3.1 GMR磁头是HDD容量刷新的关键
GMR与AMR磁头在结构上并无多大差别，只是用GMR组件代替了AMR组件并克服了AMR磁头固有的巴克豪森噪声而提高了磁头的灵敏度和可靠性。目前低饱和磁场的GMR SV材料的ΔR/Ro值为7%，因此GMR SV磁头的灵敏度较之AMR磁头提高3～5倍，成为计算机HDD存储容量达到1000亿字节的关键技术，图１是GMR SV膜的结构和工作原理。它是由反铁磁层（如FeMn等）、磁性钉扎层、非磁性间隔层和磁性自由层构成。当两个磁性层之间的磁化方向相反时呈现高阻抗；相同时为低阻抗，其关键是自由层的磁化方向。由于自由层受到外场作用改变磁化方向时是一个旋转过程，克服了巴克豪森噪声，从而提高了磁头的信噪比和灵敏度。
当今迅速发展的计算机网络和多媒体存储，急需要的是超大容量（大于1000亿字节）可随机读写的HDD而不是光盘，因此随着新材料、新原理的出现，HDD的容量将不断刷新。例如隧道结巨磁电阻（tunnding magnetoresistance简称TMR）效应，已引起世界各国重视，IBM和富士通公司已分别制成ΔR/Ro值为22%和24%的TMR材料，为HDD今后的发展带来新的动力。
3.2不挥发的GMR随机存储器(ＭRAM)
磁电阻随机存储器（MRAM）在70年代初就有报道，但由于AMR材料的ΔR/Ro值低，难于制成MRAM。自GMR效应发现后，MRAM即成为现实。
图２是SV MRAM结构原理，图中是一种基于GMR SV  的MRAM方案。图3是SV MRAM工作原理、信号（Vs）的波形。在图3中，反铁磁层和钉扎层用作记录“1”和“0”，当字线电流（Iww）方向为正时（电流方向由里向外），其电流大小使导线周围形成的圆磁场超过反铁磁层的矫顽力时，称为记录“0”，反之，当字线电流为负（电流方向由外向里），使反铁磁层的磁化方向相反，称为记录“1。”读出时，在字线中通以正、负极性的、能使自由层改变方向的读出电流（IS）。当读“0”时，自由层和钉扎层自旋之间由反平行到平行，磁电阻由大变小，读出信息（VS）为负；当读“1”时，磁电阻由小变大，VS为正。这个过程可以是不破坏的，在进行了3亿次读出后，信号不会发生任何变化。
MRAM和半导体RAM相比其最大特点是不挥发性（非易失）、抗辐射、长寿命、低成本。由于GMR材料的使用，每位尺寸的减小并不影响读出信号灵敏度，可以获得最大的存储密度，结构简单，制作工艺也得以简化（表２）。随着TMR研究的进展，MRAM将获得更好的性能。因此说，MRAM的采用将是计算机内存芯片的一场革命。特别是它的非易失、抗辐射性能，在军事应用中将发挥重大作用。
3.3 GMR和GMI传感器
3.3.1 GMR传感器
AMR传感器具有体积小、灵敏度高、阻抗低、抗恶劣环境、成本低等优点，可测量10-10～10-3T范围内的磁场，但由于AMR的ΔR/Ro 值低，在弱磁场中仍受到限制。采用ΔR/Ro大的GMR、TMR材料作成的传感器则打破了这种限制，极易于小型化、廉价化，可更广泛地应用于家用电器、汽车工业和自动控制技术中，对其角度、转速、加速度、位移等物理量进行高灵敏、高精确度控制，且不受物体变化速度的影响，充分发挥其抗恶劣环境和长寿命的优点，故在各类运动传感器中颇具竞争力。例如GMR材料制作的录相机精密齿节传感器（FPM），其灵敏度比AMR传感器提高6倍，可分辨15μm的磁齿节。GMR传感器可以改善汽车刹车抱死系统（ABS），用于汽车无人驾驶、收费和卫星定位等系统中。下面将GMR磁场传感器用来探测DC、AC电流及用作隔离器和电子线路中的反馈系统（开关电源）的情况作一简介。
大家知道，通电导线周围将产生磁场，其磁场的强弱与通电电流的大小成正比。若将GMR磁场传感器及环形软磁感应器放置在通电导线附近，则由GMR传感器的输出电压可以测量导线中通过的电流。电流传感器的工作原理如图4所示。据资料载，已利用反铁磁耦合的FeNi/FeCo/Cu的多层膜和集成的永磁薄膜作为偏场，研制出线性测量范围为正负200Oe的惠斯通电桥传感器。利用这种传感器可探测电流高达10，000安培的直流和交流。电阻短路法测量电流，其缺点在于引入一电压降且不能提供上下级的隔离。电流转换器则是基于安培定律，但是其仅仅用来探测直流。GMR磁场传感器不仅可用来探测直流和交流而且还可保证上下级隔离。随着半导体集成技术的发展，目前已把GMR薄膜传感器和集成线路板结合在一起，从而实现了小型化、集成化，提高了灵敏度和降低了成本。利用电流探测原理，目前已经用作隔离器、开关电源和无刷直流电机系统。隔离器主要是把高电压及大电流情况下的初级信号通过电压/频率转换并传给下一级，在下一级再通过频率/电压转换成为电压或电流信号，因此上下级而不相互干扰。这种探测电流大小的隔离器已被葡萄牙的一家公司所采用。对于开关电源，已用两次沉积自旋阀多层膜的办法，研制出了可探测微安级的交直流及探测磁场范围为正负20（Oe）的GMR磁场传感器。并且成功地把这种传感器用在开关电源线路中作为反馈系统，可改善其频率输出特性高达1MHz。至于在无刷直流电机的应用，大家知道，有刷直流电机是用接触碳刷或金属片做整流子供电，使转子旋转。这种接触式整流子因摩擦给电机带来比如使用寿命短、噪音大、有火花、产生干扰电磁波等极不利的影响。如果用GMR传感器代替电机的摩擦整流子，那么就可以避免因电刷摩擦而带来的影响，而且还可以实现电机高速旋转及其调速和稳速的目的。因此，它的稳定性和可靠性都非常高。另外，这种无刷电机转矩-重量比较大，速度转矩特性的线性度比较好。
3.3.2 GMI传感器
还有一种叫做巨磁阻抗效应的应用，使磁传感器更具特色。当向几毫米长、具有零或负磁致伸缩系数的钴基非晶态软磁合金细丝通以高频电流时，钴非晶丝的阻抗随外加磁场强度而发生巨大变化的现象，被称作巨磁阻抗效应（GMI）。GMI效应可作传感器。GMI传感器由于采用的是交流，探测的是磁通量而不是磁通量的变化，不用线圈、非接触、无磁滞，其灵敏度比GMR传感器磁场灵敏度高一个数量级，是唯一一种能同时作成高灵敏、微尺寸、快响应的传感器。因为采用交流可实现如调制和解调、滤波振荡和共振等多样性功能，AMR传感器作不到的。如作成的旋转编码器GMI磁头，磁头顶部与磁带（盘）表面间的距离为0.5mm(一般磁头是0.1mm)，使其制作工艺，装配得以简化。
4结语
在世界新科技革命浪潮中，新兴的交叉学科——自旋（磁）电子学显现出它无限的生命力，已在电子信息领域获得了诸多应用，具有广阔的前景。

主要参考文献
[1]余声明，磁性材料及器件，1999，No.2，10
[2]徐毓龙 王彬，现代电子技术，2005，No.2，1
[3]www.Hme.com.cn/docc/jszc05.Htm 2003-3-11 百度快照
[4]晓摘，磁性行业快报，2002，No.9，6
[5]www.tegh.china.com， 2005-7-20