一、研究背景

在半导体或者金属身上有这样一种现象：当对通电的半导体或者金属施加磁场作用时，它们的电阻会发生变化。这种现象称为磁致电阻变化效应，简称磁电阻效应，也叫磁电阻，用字母MR表示。简单的说，磁电阻就是材料的电阻率随磁场改变的现象。研究表明，磁电阻具有普遍性，几乎所有的金属、合金以及半导体都存在不同程度的磁电阻。它们或大或小，小的只有不到3%，大的能达到50%，甚至能超过100%。磁电阻的大小用公式可表示为：MR=(#8710;ρ/ρ)*100%，其中#8710;ρ= ρ(H)-ρ(0)表示磁场引起的材料电阻率的变化值，ρ(H)和ρ(0)分别指材料在磁场H中和无磁场时的电阻率值，ρ可以表示ρ(H)，也可以是ρ(0)。由上式可知，加入磁场后，若电阻增大，则上述定义的MR为正值；若电阻减小，则MR为负值。磁电阻大小依赖于外磁场的强弱，因此磁电阻方程可以用MR(H)来表达。

当然，不同材料有不同的磁电阻方程。不同的导电物质，电阻对磁场的响应方式往往也不同。对普通金属来说，其磁电阻往往表现为正值，并且在低磁场下表现出平方的磁场依赖关系，公式为：，式中分别为两种载流子的电导，为它们的迁移率。磁电阻与磁场是平方增大的响应关系。高场普通金属的磁电阻达到饱和值：，在高磁场下，磁电阻已经达到峰值，外磁场的增加不再影响金属的磁电阻了。 在诸如半金属铋、石墨烯、拓扑绝缘体及n型硅等新型量子材料[11]，它们有共同的特征：即带隙窄，有效质量轻，同时表现出来的磁电阻具有线性不饱和的特点。1969年Abrikosov认为它们最低郎道能级上聚集着全部电子，利用这种极端量子限制条件可描绘出它们磁电阻来源，他获得的横向电阻率与磁场的线性关系为：，Ni表示静态散射中心的浓度，n则为载流子(电子)的浓度。从上式可以看出，量子材料的横向和纵向电阻率都是和外加磁场呈现线性关系的。

对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。绝大多数非磁性导体的MR很小，只有约为10-5%，对于磁性导体，MR可达3%~5%，且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻，简记为AMR。1857年,W.Thomson首先发现了铁磁多晶体的各向异性磁电阻效应,但是由于该发现并没有带来实质性的应用，没有引起人们的足够重视；

巨磁电阻效应首次在Fe/Cr多层膜中被发现。1988年，在用分子束外延(MBE)制备的Fe/Cr多层膜中发现其MR可达50%，远大于当时所认知的磁电阻值。并且在薄膜平面上，磁电阻是各向同性的。人们把这种磁电阻称之为巨磁电阻，简记为GMR。90年代，人们又在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Ag、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等纳米多层膜中观察到了显著的巨磁电阻效应。1992年人们又发现在非互溶合金（如Fe、Co与Cu、Ag、Au等在平衡态不能形成合金）颗粒膜如Co-Ag、Co-Cu中存在巨磁电阻效应，在液氮温度可达到55%，室温可达到20%，并且有各向同性的特点。由此可知GMR较之AMR有两个显著的特点：一是在数值上，GMR要比AMR大得多；二是跟AMR的各向异性相反，GMR基本上是各向同性的；

1994年，人们又发现Fe/Al2O3/Fe隧道结在4.2K的MR为30%，室温达18%。之后在其他一些铁磁层/非铁磁层/铁磁层隧道结中亦观察到了大的磁电阻效应，人们将此称为隧道结磁电阻，也叫隧穿磁电阻，简记为TMR；

20世纪90年代后期，人们在掺碱土金属稀土锰氧化物中发现MR可达103%~106%，称之为庞磁电阻，简记为CMR。 庞磁电阻效应的发现，引发了科学技术界对其研究的热潮，人们在实验中发现，LSMO的CMR效应是及其复杂的，在系统内部电子的自旋，轨道等之间都是有相互作用的。

近年来，磁电阻效应在日常生活中的应用愈加地广泛，尤其是在传感器中的应用更加地不可或缺。利用磁电阻效应可以制成计算机硬盘超高密度磁记录读磁头；可以制成磁随机存储器（MRAM）；可以制成电流或生物传感器；还可以测量位移、角度、速度、转速等。这些应用无不显示出磁电阻的巨大的发展前景和丰富的物理内涵。

二、选题依据

自1988年发现巨磁电阻（GMR）效应以来，人们在不同体系内开展了磁电阻效应方面的研究工作。随着现代信息技术迅猛地向前发展，人们对器件的小型化、灵敏度以及低功耗等方面提出了更高的要求。相应地，磁电阻效应在应用领域也将面临着一些挑战，如低场磁电阻值不高以及需要大电流来提供工作磁场从而带来大功耗等问题。所以在提高低场磁电阻效应方面，科学家和工程师们开展了大量的研究工作，如利用二相纳米复合结构、引入磁性势垒或者绝缘势垒等方法均提高了低场磁电阻。 自旋电子学材料经过不同条件退火后，可以改变材料的微结构（含晶体、电子、自旋等结构），可能会使其磁电阻效应获得增强。这种增强效应不仅有着丰富的科学内涵，而且对磁存储应用等方面有着促进作用。半金属铁磁体的Fe3O4，拥有很高的居里温度和自旋极化率，在吸波材料、信息材料和巨磁电阻器件中有着广泛的应用前景。本课题利用磁控溅射制备出Fe3O4薄膜，探索退火时加入样品的磁场对其磁电阻的影响。