序

金属磁性多层膜中的巨磁电阻（GMR）效应的发现不仅带动了整个自旋电子学的发展，而且在商业上也取得了巨大的成功。GMR效应曾经被广泛使用在计算机硬盘读出磁头中，带来硬盘面存储密度的飞速发展。虽然目前的读出磁头已经被更新换代为隧穿磁电阻（TMR）材料，但下一代超高存储技术中的读出磁头极可能又要利用电流垂直于平面（CPP）模式的GMR效应。两位最初发现GMR效应的科学家Albert Fert和Peter Grünberg因此获得2007年度的诺贝尔物理学奖。

Giant MagnetoResistance Devices这本书是一部自旋电子学方面的经典之作，它对GMR、TMR、磁随机存储器(MRAM)、自旋晶体管、单电子器件等均有详细的介绍。其中作者Koichiro Inomata教授是我在日本东北大学做博士后期间的合作导师。他是国际知名的磁学专家，曾担任过日本东芝公司的首席研究员（Toshiba Fellow），在东芝公司的研发中心长期从事磁性材料与器件的研发，2000—2006年任日本东北大学工学部材料科学系教授，2006年起被聘为日本国立物质材料研究机构（NIMS） 的Fellow。Koichiro Inomata教授分别在1994年获得美国国家科学与技术联合会“材料科学研究实质进步奖”、2000年获日本总理颁发的紫绶勋章、2002年获日本磁学会科学成就奖。他对MRAM相关的自旋电子学器件的研究获得了国际社会的广泛关注和高度评价，被誉为研究MRAM和自旋电子学器件的重要贡献者之一。我在日本做博士后期间就接触到Giant MagnetoResistance Devices这本书。这本书也是我和我们当时整个研究组师生从事科研工作的重要参考文献之一。我当时曾想将它翻译成中文，但苦于工作太忙加上自身的惰性，这件事也就被束之高阁了。幸好现在清华大学的邓宁教授完成了这个艰巨的任务。我相信这部经典著作的中文版的出版，能够为国内从事自旋电子学材料和器件研究的科学家、工程师和研究生们提供一本重要的参考书。

姜勇

2013年12月于北京科技大学

译者序

巨磁阻器件是目前商业化最为成功的磁学器件，广泛应用于计算机硬盘的磁头中。最初发现GMR效应的科学家Albert Fert和Peter Grünberg也因此获得2007年度的诺贝尔物理学奖。

从器件发展的趋势来看，信息的载体从最初的成千上万个电子减少到几百个、几十个甚至少于十个电子，很自然地又发展到利用电子的自旋作为信息的载体。这是集成电路向着更低功耗、更高速度发展的要求决定的。随着对各种自旋效应研究的深入，自旋电子学和自旋电子器件已经成为当今研究的热点。已有很多关于巨磁阻和隧道磁阻效应的专著，对于该领域的研究者有很大的帮助，但是我注意到，从工程角度研究巨磁阻器件的著作并不多。我国在磁学器件方面的研究有很好的基础，但是迫切需要一本从工程科学角度给相关的研究者以启发的著作。当我发现Giant MagnetoResistance Devices这本书时，立刻就意识到这本书一定会对国内磁学器件研究者很大的帮助。

本书包含了巨磁阻效应、隧道磁阻效应以及基于这两种效应的器件，从材料、工艺到器件物理，可作为凝聚态物理磁学部分和器件之间的一个桥梁。本书还介绍了一些新型的自旋电子器件。

本书的三位作者都是国际著名的磁学专家，如果仔细阅读，会发现可能其中的某一句话都是建立在大量实验研究的基础上的。因此，相信磁学和自旋电子学领域的研究人员能从本书中找到感兴趣的内容。

邓宁

2013年10月于清华园

前言

自从发现金属多层膜中的巨磁阻（GMR）效应后，在过去的10年中，这一领域的基础研究和工程应用在全世界有了很大的发展，并获得了令人瞩目的成果。在GMR效应的基础研究方面，Hartmann于1999年出版了名为《磁多层膜和巨磁阻效应》一书，介绍了GMR的实验和理论研究，以及金属多层结构的磁光效应，包括在电子磁存储领域的应用。编写本书的主要目的是介绍金属多层膜的GMR效应的电学应用，其中传感器和磁存储中的存储器这两方面的应用是电子工程师最为关注的。

如果电子的平均自由程比多层膜结构的周期长，同时在低的外加磁场下相邻磁性层的磁化方向是反平行的，那么，由于外加一个磁场（CIP模式）时相邻磁性层的磁化方向从反平行向平行转变，电流在磁性层中流动所面对的电阻就会发生变化，从而在磁性多层膜中产生巨磁阻效应。例如，当外加磁场达到饱和磁场时，磁性层的磁化方向就变为平行的，呈现低阻状态。饱和磁场Hs是由被非磁金属层间隔的相邻磁性层之间的类RKKY耦合所决定的。在早期的GMR多层膜中，饱和磁场Hs大于0.1T，这使得GMR多层膜无法用于电子器件。电子学应用要求多层膜系统具有较低的饱和磁场，比如［NiFe/Cu/Co/Cu］多层膜的饱和磁场约为1mT。本书介绍了这种低饱和磁场多层膜系统及其在传感器方面的应用。后来又提出了用于新器件的自旋阀和赝自旋阀结构，这些结构基本上是由两个磁性层中间夹着非磁层构成的。在此之后，技术开发和研究就开始转向这类自旋阀器件，市场上硬盘驱动器的磁头就是这类器件，这是本书的主题之一。

当电流沿着垂直多层膜的方向流动时（CPP模式），GMR效应要比CIP模式下更强，但是工作在这种模式下的器件阻抗太低以至于无法应用。实际工作在CPP模式的GMR器件采用铁磁隧道结（MTJ），即将自旋阀中的非磁导电层用绝缘层来代替。这种TMR器件在未来的电子学应用中有非常好的潜力。一种可能的应用是磁随机存储器（MRAM），这是本书的另一主题。本书还介绍了一些其他可能的自旋电子器件。

编写本书的目的是为电子材料科学家、器件工程师以及该领域的研究生提供一本GMR器件方面的参考书，并且给出了GMR效应各种应用的总结以及GMR和TMR器件的基本物理模型。作者的专业背景是固态物理学，我们通过在电子材料和器件方面，尤其是磁性材料和相关器件方面的研究工作积累了大量的知识和经验。

本书是由S.Yosimura博士推荐撰写的，并把我们介绍给他的朋友——SpringerVerlag的Clause E.Ascheron博士。在此对他们一直以来的关注和支持表示感谢。

E.Hirota,H.Sakakima,K.Inomata

分别于大阪、京都和仙台