用于巨大磁致电阻传感器的原子层状材料

本发明涉及用来探测磁场的传感器，更确切地说涉及利用某种金属化合物在磁场中经历从反铁磁态到铁磁态的电子相变而当磁场去除时又经历相反的电子相变，并相应地具有“巨大磁致电阻效应”的磁致电阻传感器。

磁致电阻器件在磁场变化时对通过它的电流呈现出电阻的变化。一般来说，用两层铁磁性材料来形成一个磁致电阻器件，而且其中被磁致电阻器件截取的磁场超过一层的矫顽力以便在一层中提供磁化方向的改变。磁致电阻器件已经用来探测来自磁带和直接存取存储器件（DASD）的磁场。例如，在连接于DASD中的滑块的磁头里设置一个磁致电阻器件。磁头设在旋转磁盘的磁性层上方，并探测发自磁性层的指示其中所存数据的磁场。磁致电阻器件的一些实例在1984年10月9日授予J.A.Aboaf等人的美国专利第4，476，454号中描述，该专利描述了利用表现出电阻率效应的负（△ρ）变化的磁致电阻材料的器件和电路。一种当磁场处于20至120Oe范围时表现出△ρ＝9的较新的磁致电阻器件在1992年10月27日授予B.Dieny等人的题为“基于自旋阀效应的磁致电阻传感器”的美国专利第5，159，513中得以描述。

虽然9%的电阻率变化似乎很大了，但是工业上需要有在较低的磁场中呈现大于9%的电阻率变化的磁致电阻器件。

某些磁致电阻器件已经利用一个反铁磁性层来在铁磁性层中提供纵向交换偏置。该交换偏置只是固定铁磁性层中的磁化方向。一种这样的器件在1991年5月7日授予S.P.Parkin等人的美国专利第5，014，147号中描述，该装置使用一种Fe（1-x）Mnx合金作反铁磁性层，其中x在0.3至0.4范围内。

已经公知某些金属化合物经历从反铁磁性（AF）向铁磁性（FM）的磁性相变，这种金属化合物已在自然界中发现并在实验室中制造或配制。一种这样的金属化合物是铁铑（FeRh）。铁铑在约340K下经历从反铁磁性到铁磁性的相变。一种铁铑的比容的急剧增大伴随着相变。已经公布，铁铑的相变温度可以通过施加磁场Hcr来降低，以及该相变温度可以通过施加正压力Pcr来提高。J.S.Kouvel和C.C.Harteluis对天然多晶体FeRh试样的实验（见应用物理，Vol.33补充本，1343（1962））表明，当它加热而完成磁性相变时，其电阻率下降30%。

铁-铑薄膜及其合金在磁性记录上的应用在1971年9月21日授予J.M.Lommel的美国专利第3，607，460号中描述。在该专利中，用一个电子束把该薄膜的一些单个区域加热，使它们完成到铁磁态的第一级相变，随后让这些区域冷却到一个偏磁温度，该温度稍高于返回反铁磁态的相变温度。然后向整个薄膜施加一个磁场以便仅磁化薄膜中处于铁磁态的那些区域，并通过常规的电子束显微术实现所记录信息的读出。通过把薄膜冷却到低于转向反铁磁态的相变温度或通过向薄膜施加张力，可以消除薄膜的铁磁性。

按照本发明，描述一种用来探测磁场的装置和方法，包括由至少一种如Fe之类的磁性原子或离子和至少一种如Rh、Ru或Pd之类的非磁性原子或离子组成的材料，磁性原子或离子规则地排列于一种被非磁性原子或离子所散布的晶体中，在要被探测的所加磁场低于第一预定值的第一时间，磁性原子或离子与所有最邻近的磁性原子或离子呈反铁磁性匹配，而在要被探测的磁场超过第二预定值的第二时间，磁性原子或离子变成铁磁有序;一个耦合于加热元件的用来把材料温度控制在预定温度范围内的温度控制电路;以及一个用来使电流通过材料以便测定材料成为铁磁有序的时间的电流源。

本发明还提供一种磁头/磁盘组件的磁头中的磁致电阻传感器，该传感器包含一种由FeRh组成的材料，其具有适于定位于磁盘表面附近的表面;一个耦合于加热元件的用来把材料温度控制在预定温度范围内的温度控制电路;一个用来使电流通过材料的电流源;以及一个用来响应于材料上的电压而生成所存数据指示信号的数据电路。

本发明的这些和其他特征、目的和优点将在对照附图阅读时，通过本发明的以下详细描述的思考而得显而易见，附图中：

图1是有序化的FeRh的Ⅱ型反铁磁自旋结构的示意图;

图2是FeRh的计算总能量E与总磁矩M的关系曲线图;

图3是基于计算的FeRh的外加磁场H与总磁矩M的关系曲线图;

图4是基于计算的FeRh材料的磁化强度M与外加磁场H的关系曲线图;

图5是FeRh的临界磁场Hcr与温度的关系曲线图;

图6是本发明的一个实施例;

图7是实施本发明的磁头和磁盘的局部放大图。

现在参见附图，图1画出有序化的FeRh的Ⅱ型反铁磁自旋结构的示意图。应该指出，如图1所示，FeRh是自然产生的，含有由非磁性铑原子的单原子层13和15隔开的磁性铁的单原子层12、14和16。单原子层12至16在与CsCl型单位晶胞对应的（100）方向叠合，该单位晶胞，久已公知，表现出从反铁磁有序到铁磁有序的转变。FeRh的一个单位晶胞17在层12中用虚线21表示，该虚线穿过单位晶胞17角上的四个Fe原子。每个角上的Fe原子向单位晶胞提供八分之一个原子。在层14中，单位晶胞穿过直接处在虚线21的投影之下的单位晶胞17边上的四个Fe原子。每个边原子向单位晶胞17提供四分之一个原子。层16是单位晶胞17的最低层，在四个角上各有一个Fe原子，该原子从每个角向单位晶胞提供八分之一个原子。于是，层12提供一又二分之一个Fe原子，层14提供两个Fe原子，而层16提供一又二分之一个Fe原子，总共4个Fe原子。层13和15在单位晶胞17的各个面上各有4个Rh原子。每个面上的Rh原子向单位晶胞提供二分之一个Rh原子。于是，层13和15各向单位晶胞17提供2个Rh原子，单位晶胞17中总共有4个Rh原子。

单原子层12、14和16的铁原子18沿第一方向取向，而铁原子19却沿与第一方向相反的第二方向取向。当FeRh为反铁磁性时，单原子层13和15含有非磁性铑原子。磁性层12、14和16之间的电子相变及有关的磁有序转变，可由升高温度或由施加磁场来诱发。图1所示的原子取向有独特的性质，即在低温下为反铁磁性，而且在大约340K下经历转向铁磁态的相变，视化学计量成分而定，并可能低至320K。在低于340K的温度下用施加磁场的方法，可以诱发反铁磁-铁磁相变，该磁场随着温度接近340K而线性地趋近于0。在室温下该磁场约为40KOe，而在比相变温度低0.1K的温度下约为140Oe。在图1中，当FeRh为铁磁性时，所有铁原子沿铁原子18所示的第一方向取向，或者所有铁原子沿铁原子19所示的第二方向取向。在图1中，铁单原子层12、14和16之间的耦合足够大，使反铁磁态与铁磁态之间的能量差为十分之几mRy/aton。如图1所示，FeRh的能量计算表明，基态（最低能量态）确实是反铁磁态，此外还表明它呈Ⅱ型反铁磁性，它包括图1所示的在各自晶面内有交替自旋的（100）铁层，即单元子层12、14和16及带有0自旋的铑层13和15。其自旋在一个晶面内平行而与相邻铁层内的自旋逆平行的（100）铁层的Ⅰ型反铁磁性的总能量，接近于但是高于Ⅱ型反铁体的总能量。计算表明，Ⅱ型反铁磁性结构仅比铁磁性自旋结构稍稳定一些，而且在0K温度下，一个339KOe的外加磁场会把反铁磁性自旋排列转变成铁磁性自旋排列。至于有序化的FeRh，对反铁磁性结构和铁磁性结构两者来说铁的局部磁矩都是3μB;而铑的局部磁矩，对反铁磁性结构来说是0，对铁磁性结构来说是1μB。

图2是FeRh的计算总能量E与总磁矩M的关系曲线。计算是针对其点阵常数比平衡值小4.4%的FeRh进行的。磁性晶胞10中每个原子的体积为4/3πr3WS，其中rWS是Wigner-Seitz半径。铁原子和铑原子被看成占据相同的体积。在针对FeRh的计算中rWS为2.66埃。曲线24表明，在曲线部分26的M＝0处有一个稳定的反铁磁性极小值;在由曲线部分27所示的M＝约4μB处有一个亚稳定的反铁磁性极小值。曲线24是利用固定自旋磁矩方法得到的，该方法把磁性晶胞约束成具有得自共线自旋的固定的总磁矩值。如图1所示，磁性晶胞10被作得足够大以便用于反铁磁性。画在图2中的计算使人们可以分析磁性晶胞10在由式1所定义的外加磁场H中的行为。

H＝dE/dM（1）在式1中，E是总能量，而M是总磁矩。在图2中，纵轴代表总能量E，而横轴代表磁矩M。

图3表示图1所示的磁性晶胞10的磁矩M与微分图2的曲线24而算出的外加磁场H之间的关系曲线。在图3中，纵轴代表所加磁场H，而横轴代表磁矩M。注意，仅是图2中曲线24的某些部分可为该系统所用。在某个临界磁场Hcr下，两种状态即反铁磁态和铁磁态处于热动平衡，该Hcr由与曲线部分26和27相切的虚线28所示的2个极小值的公共切线的斜率来定义。对大于图3中虚线32所示Hcr的任何外加磁场，磁性晶胞10处于铁磁态平衡。对小于Hcr的任何外加磁场，磁性晶胞10处于反铁磁态平衡。虚线32与曲线30相交于点34至36。在点34以下是曲线30的曲线部分38。曲线部分38在点37处对0外加磁场表现出0磁矩。曲线30的曲线部分39从点36向上延伸。

图4是基于图3所示的计算的磁矩M与外加磁场H的关系曲线。在图4中，纵轴代表磁矩M而横轴代表外加磁场H。在图4中，纵轴和横轴是图3的纵轴和横轴对调。可为系统所用的E（M）曲线部分，即图3中曲线30的曲线部分38和39，提供FeRh对外加磁场H的磁化响应。把FeRh从反铁磁态变换到铁磁态所需的临界磁场Hcr约为5807KOe，与人工磁性多层材料的典型变换磁场相比该值是很大的。然而，图2所示的结果适合，在给定体积（点阵常数）的刚性点阵（即没有零点运动）情况下，共线自旋所约束的FeRh。计算表明，在平衡体积下，Hcr下降到2100KOe。零点能量修正导致在零温度下进一步下降到339KOe，与所观察到的临界磁场Hcr基本吻合。如上所述，Hcr随着温度升高而降低，并在较高的温度下随着温度接近340K而线性地趋近于0。

在图4中，曲线部分38上的点34和37对应着图3所示的曲线部分38上的点34和37。图3所示的虚线32对应着图4中的线32。图4中的点36和曲线部分39对应着图3中的点36和曲线部分39。在点34，FeRh是反铁磁性的;而在点36，该材料是铁磁性的。图3和图4中的数据是在室温下即300K下取得的。

图5是FeRh的临界磁场Hcr与温度的关系曲线。在图5中，纵轴代表外加磁场H，而横轴代表温度。在图5中，铑为53.1%。曲线46表明，当温度升高到约320开尔文时，临界磁场Hcr降低到0。于是通过加热FeRh，临界磁场Hcr降低到很低的值，例如在10至80奥斯特范围内，即能诱发材料从反铁磁有序到铁磁有序的转变。转变发生得很快，因为主要是一种电子相变（自旋反转），其单位晶胞中原子的运动或重新定位很小。

再次参见图4，当FeRh被加热到很接近于320K时，虚线48代表从点37至点52的转变。点37代表反铁磁性材料而点52代表铁磁性材料。曲线部分50连接点36和点52。

参见图6，画出一个存储器60，举例来说，它可能是一个直接存取存储器件（DASD）。磁盘62被画成带有基片64，和置于基片64上的带上表面67的磁性层66。磁盘62由芯轴68支撑，该芯轴耦合于用来使芯轴68和磁盘62旋转的电动机70。磁性层66可以存有随磁性层66内磁场取向而变的，和随上表面67正上方的有关磁场磁力线返回磁路而变的数据。要在图7中进一步描述的磁头71定位于非常接近上表面67的地方，以便截取离开或进入上表面67的磁场。磁头71实际上由滑块72支撑就位，该滑块由执行器74控制。执行器74可以是一个电磁铁。

存储器控制电路76用来，在通往执行器74控制输入端和信号处理电路输入端的引出线77上，生成控制信号。存储器控制电路76还用来在通往电动机70的引出线80上提供控制信号。

温度控制电路81用来控制磁头71中材料82的温度。材料82示于图7。信号处理器电路78在通往温度控制电路81的引线84上提供一个或多个控制信号。信号处理器电路78可以用来指示在预定的磁场下材料82究竟是反铁磁性还是铁磁性的，以便指示材料82的温度究竟应该提高还是降低。由材料82或其他材料组成的一些辅助传感器可以设置在磁头71中，并耦合于信号处理器电路78，以便测定磁头71内的温度状态，更确切地说，测定传感或截取磁性层66上方磁场的材料82的温度状态。引线84上的来自信号处理器电路78的信号可以是简单的通断控制信号;也可以向温度控制电路81提供更多的信息，以便用温度控制电路81来把材料82的温度控制在与低于相变温度的温度对应的预定温度，例如340K±0.1K之内。

温度控制电路81，可在通往图7所示的设置在磁头71内的加热元件89的引出线87和88上，提供电流以便控制材料82的温度。加热元件89可以是，举例来说，由层状或线状的镍铬合金制成的电阻加热器。也可以用其他材料制成加热元件89。也可以用例如辐射能源92之类的其他加热形式来控制材料82的温度。辐射能源92用来，借助于射束95或光纤96，提供聚焦在或指向或穿过磁头71的幅射能量，以便控制材料82的温度。温度控制电路81可以通过引出线93往辐射能源92提供控制信号。辐射能源92可以是个激光器并可借助于光纤96提供光束95。

信号处理器电路78向磁头71提供一个电流，该电流可以穿过材料82以便借助其电阻测定材料82究竟是反铁磁性有序还是铁磁性有序。如果材料82是铁磁性有序的，则材料82的电阻远小于当材料82是反铁磁性有序时的电阻，例如小一个数量级（10倍）。来自信号处理器78的引出线97和98用来提供一个通往材料82的电流通路和一个从材料82返回到信号处理器78的通路。信号处理器78用来测定材料82的电阻，从而测定相对于磁性层66上表面67上方的外加磁场而言，材料82究竟是铁磁性有序还是反铁磁性有序。引出线97和98可以是有多股线的电缆以便适应从磁头71接收到的附加电压。

存储器控制电路76用来响应引出线102上的读出信号和引出线103上的地址信号，而检索先前存储在磁性层66中的数据。磁头71，更确切地说，材料82用来，通过从反铁磁性到铁磁性有序材料的相变，测量外加磁场，并在通往信号处理器电路78的引出线97和98上，提供一个模拟信号或数字信号。信号处理器电路78用来处理引出线97和98收到的信号，以便在引出线106上提供输出信号，指示从磁性层66检索到的数据。

图7是设置在磁性层66上方的磁头71的简化图。图中显示，材料82设置在上表面67的上方和导体97与98之间，这些导体用来提供通过材料82的电流以便测定材料82的电阻率。加热元件89设置在加热材料82附近，以便把加热材料82的温度控制在例如320K至340K±0.1K范围内的某一个值。引出线87和88耦合于加热元件89，以便提供通过加热元件89的电流。如图7所示，加热元件89是一条电阻材料，但也可以是一根线或一个薄膜层。线99可以绕在导体引出线97和98绕制形成线图100和101。这些线圈加热引出线97和98，后者又提高材料82的温度。图中示出磁力线110至112，它们从层66的上表面67发出，并穿过可能是例如FeRh或FeRu的材料82。材料82的电阻在铁磁态会大为减小，这可用来测定材料82是否经历了从反铁磁性材料到铁磁性材料的电子态相变，从而检测磁场。

FeRh是一种具有反铁磁性基态的独特的双金属系统，这种基态可以在预定磁场下变到铁磁态而不改变结晶结构。FeRu、FePd或MnPt是可以代替FeRh用作材料82的其他独特的双金属系统。

在FeRh中，借助于图1所示的特殊反铁磁性晶面间自旋结构和晶面内自旋结构来提高磁致电阻效应。与CsCl单位晶胞和有关铁B2系统对应的简单晶体结构可产生一种排列：晶面内交变自旋的（100）铁层，零自旋的铑层，及反铁磁性耦合的邻接铁层。对材料施加一个磁场，调整铁在（100）晶面之内和之间的自旋，可产生相当大的铑磁矩。换句话说，铑也对铁磁态作出磁矩贡献。由于FeRh中的特殊自旋排列，磁致电阻效应被有力地提高，即有巨大磁致电阻效应，以致由该材料或有关材料制成的磁头会通过提供更大的输出电压或更大的电阻变化而灵敏得多。此外，材料的灵敏度在接近室温（300K）时处于最大值，并且可由加热元件来控制。

本发明描述一种用来探测磁场的器件，该器件包含一种由至少一种磁性原子或离子及至少一种非磁性原子或离子组成的材料，磁性原子或离子规则地排列于被非磁性原子或离子间隔开的晶体中，磁性原子或离子与所有最邻近的磁性原子或离子以一种电子态反铁性地相匹配，而当施加磁场时，可以把磁性原子或离子的这种匹配改变成铁磁性有序，对处于与反铁磁性有序相反的铁磁性有序状态的材料，通以电流，并检测其电阻，可探测该铁磁性有序状态。

虽然已经描述并说明了一种利用一种从反铁磁性有序到铁磁性有序转变的材料来探测磁场的装置，但本专业的技术人员将会明白，可以进行修改和变动而不脱离本发明的广义范围，该范围将仅受所附权利要求书的范围的限制。