Research Background
TMR Effect
TMR 效应
磁隧穿效应（Tunneling Magnetoresistance Effect）现象源于量子的波动性，束缚在某个区域的粒子能隧穿一个能量势垒进入另一个能量区域。 出现明显隧穿效应需要同时具备两个基本条件：势垒一边有填充态，而势垒另一边同样能级位置处存在未填充态；另一个条件是势垒层的厚度必须很薄，通常为1nm左右。在无外加电压时，势垒层上下两电极的费米面相等，故没有隧穿效应。如图1所示, 加上偏置电压后，上下两极的费米面将发生相对位移。若两层磁化方向互相平行，则在一个磁性层中，多数自旋子带的电子将进入另一磁性层中多数自旋子带的空态，少数自旋子带的电子也将进入另一磁性层中少数自旋子带的空态，总的隧穿电流较大；若两磁性层的磁化方向反平行，情况则刚好相反。通过施加外部磁场可以改变两铁磁层的磁化方向，从而使得隧穿电阻发生变化，引起TMR效应的出现。
MEMS Magnetic Sensor
MEMS 磁传感器
随着磁场测量应用的范围日益拓宽，测量所需磁传感器的性能要求也不断提高，不同种类的磁传感器应运而生，磁传感器也由此经历了四代的发展，技术愈发成熟。按照磁传感器被广泛应用的时间及其性能将磁传感器技术的发展划分为四代技术，分别是： Hall（霍尔效应传感器）；AMR（各向异性磁电阻）传感器；GMR（巨磁阻）传感器；TMR（隧穿磁电阻）传感器，如图1所示。后三代均基于磁阻原理，利用多层膜材料组成磁电阻。磁阻效应是指一些特殊材料的阻抗值随外界磁场的增大而减小的现象，后面的电路再将电阻变化的信号，转成电压变化的信号。同霍尔效应类似，磁阻效应也是由于自由电子在磁场环境下被洛仑磁力推动而产生的。
Development of Magnetic Detection
磁场测量的发展历史
磁场测量是磁测量的一个重要内容，磁测量是从磁场测量开始发展的。我国古人对磁现象的发现和应用做出了巨大贡献。早在公元前3世纪春秋战国时代，《吕氏春秋》上就有“磁石召铁”的记载。公元1世纪初，东汉的学者王充在《论衡》中记载了司南的一些重要性质：“司南之杓（勺），投之于地（放置司南的盘子），其柢（勺柄）指南。”司南即磁罗盘的雏形，也可以说是最早的磁场测量仪器。公园12世纪初，我国已经把磁罗盘应用于航海，这比欧洲要早几百年。宋代的杰出科学家沈括在《梦溪笔谈》中就有关于地磁偏角的记载，比1492年意大利人哥伦布横渡大西洋时发现这一现象要早四百多年。
ACFM NDT Technology
ACFM 无损探伤技术
ACFM技术是一种对金属表面进行定位和量化（深度和长度）的电磁场测量技术[1-3]，也是近年来无损检测技术的主要进展之一。对与金属表面存在一定距离的螺线管通入交流电流构成激励线圈，螺线管在金属表面激励出感应电流，该电流为强度均匀的交流电流。当金属表面存在缺陷时，均匀电流受到干扰，电流沿着裂纹表面发生偏转，造成电流强度变化。表面上方的磁感应强度与表面的感应电流成正相关关系，它与金属表面的电流一样，当金属表面存在缺陷时，磁感应强度会受到干扰，造成磁信号变化。ACFM技术最具有应用价值的部分是裂纹长度和深度的变化与磁信号的变化具有一一对应的关系。
Magnetic field sensor based on magnetoelectric effect
基于磁电效应的磁场传感器
在20世纪初磁传感技术就开始发展起来。磁场传感器能够将磁信号转化为电信号。转化的过程一般涉及磁场和电子的运动，自旋-轨道耦合之间的相互作用，或者基于磁场对原子能级，超导电流和材料畴结构的影响。如图1所示，磁传感的典型应用包括：空间磁场探测、地磁异常探测（国防应用）、工业自动化，手机导航、生物磁探测以及磁存储。不同的磁场探测场景对磁传感器的性能要求差异较大。一般衡量测传感器性能的核心参数是：探测极限（LoD: Limit of Detection）、分辨率（Resolution）和灵敏度（Sensitivity）。表1给出了它们的含义和单位。
Magnetoelectric coupling effect
磁电耦合效应
广义上的磁电效应是指在外磁场H作用下电极化P的产生或者反过来在外电场E作用下磁化M的产生。在复合材料体系中，磁电耦合效应是一种乘积效应（product effect），而其单一的组成材料本身并不具备本征的磁和铁电序参量的耦合作用。相比于单相磁电体系，复合体系的一大优势是拓宽了材料、结构和耦合原理上的选择性。一般来说，磁电复合材料（包括磁电异质结）中的磁电耦合依赖于界面处电子自旋、电子轨道、电荷密度和点阵畸变间的相互作用。图1给出了复合材料中实现磁电耦合效应的三种典型方式3。正磁电效应（Direct ME Coupling, DME:磁场对电极化的调控）目前主要是在磁电复合材料中通过应变耦合的方式得以实现。而逆磁电效应（Converse ME Coupling, CME:电场对磁各向异性、磁相变温度、磁矩、磁自旋极化、磁交换偏置场、铁磁共振频率、磁阻和磁拓扑结构的调控）则可以通过多种原理来实现。这些原理的区别主要由磁电复合材料中使用的介电材料的特性来决定。
Relaxor-PT ferroelectric single crystals and underwater acoustic transducers
弛豫铁电单晶（Relaxor-PT）材料与水声换能器
压电材料能够实现电能与声能的相互转换，是水声换能器的核心组成部分，对换能器的整体性能起着决定性的作用。20世纪90年代以来，随着生长工艺的不断完善，以铌锌酸铅-钛酸铅[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3–PbTiO3，(PZNPT)]，铌镁酸铅-钛酸铅[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3，(PMNPT)]，和铌铟镁酸铅-钛酸铅[Pb(In1/2Nb1/2)O3–Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3，(PIN–PMN–PT)]为代表的大尺寸弛豫铁电单晶生长制备逐渐成熟（图1），推动了换能器技术的飞速发展 [1] [2] [3]。