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每天早上，我们按时打开手机，更新每日的新闻内容；来到办公室，打开电脑开始一天的忙碌。做会议演示的时候，可能还会用U盘把幻灯片拷到公用电脑上。所有的这一切活动都离不开一项技术——数据存储。在数据存储这一领域的发展上，巨磁阻效应(GMR)的应用功不可没。自从1988年被发现以来，GMR就被用于制备电脑硬盘驱动器磁头和固态硬盘，微弱的磁场强度变化即可导致GMR材料的电阻发生巨大变化，从而将磁场信号转化为电信号，使得磁头可以在磁盘上读出数据。
虽然基于GMR的磁存储技术已经非常成熟，但这并不意味着磁电阻技术已经发展到了尽头，通过其他方式实现磁电阻功能，依然有其意义。其中，清华大学材料科学系章晓中教授所研究的非均匀性导致的磁阻效应(IMR)，就有着重要的应用价值。正是基于IMR，章教授成功地使得半导体硅成为磁传感器，并使其工业化成为可能。
在章晓中之前，有科学家已经开始着手进行非磁性半导体的磁阻效应的研究，并且得出了非均匀性导致的磁电阻效应与磁场的线性依赖关系。从事磁电阻方面的研究的剑桥大学卡文迪许实验室的彼得·利特尔伍德(Peter.B.Littlewood)教授(英国皇家学会院士)说：“我已经意识到，有很多科学家都在进行着将具有非均匀性和几何特性的磁电阻效应引入实际生产应用中的尝试。显然，利用半导体器件来实现电场非均匀性就是方法之一。”
但章晓中的研究与其他人不同，他强调说：“虽然我们也是在做IMR，但我们用的是硅材料，一种能将电学与磁学器件联系在一起的材料，并且我们对于材料空间非均匀性的引入是有着巨大突破性的，那就是PN结。”
章晓中从2003年即开始了对磁传感器新材料的研究，2008年在硅碳材料中发现了良好的磁电阻效应。经后期研究发现，在碳硅材料中，真正在增强磁电阻效应方面起主要作用的是硅，因此他后期转入对硅基磁传感器的研究。他的团队发现，通过空穴注入的方法，些微掺杂的硅材料的IMR可以得到显著增强，并且可以在低场下通过调节电流得到控制。
日本科学家也注意到了硅基材料作为磁电阻的潜力，并于2009年率先研制出了同极性的N型半导体硅基磁传感器，在常温下即可实现磁电阻效应。但该器件功耗大，灵敏度低，显然不适用于工业化生产。而章晓中教授的研究则引入了PN结，使得硅基磁电阻真正具有了实用价值。
PN结本是半导体工业中常见的一种结构设计，通过将P型半导体(硼或其它少量三价元素掺杂)和N型半导体(磷或其它少量五价元素掺杂)制作在同一张基片上，就可在交界面形成一个具有单向导电性的空间电荷区。这种结构已经广泛应用在LED、太阳能电池等领域，“但用在磁传感器上，这应该是第一次。”章教授说。
采用了这种设计的硅基磁传感器有多方面的优点。首先，器件经过精心的几何结构设计，创新地在磁传感器中采用PN结的结构，利用迁移率正负的巨大差异，大大增强了材料的空间非均匀性，使得电阻随着磁场强度改变而发生的变化更加明显。从而实现了对检测信号的人为放大，提升了传感器的灵敏度。而且，以往对PN结的研究多限于静态，而此成果中将PN结运用在电场中，表现了其在动态环境下的非凡特性。相比于2009年日本科学家的成果，材料性能提升了50～100倍。对器件的性能，章教授充满信心。“已经设计出的宏观器件的性能已接近现有的商用GMR器件的水平。随着设计的微型化和结构的进一步优化，性能还将会继续提高。”
此外，这种器件利用现有的成熟的半导体制造工艺即可实现大规模工业化生产，基本无需改进。硅半导体材料在微电子工业中应用广泛，技术成熟，经过短期的硅基磁传感器与半导体器件的整合试验，便能迅速投入大规模生产，科技成果转化周期较短。目前，章晓中正在同中国科学院半导体研究所合作进行相关的试验，并且在积极寻求同相关大型传感器企业的合作。
生产成本低廉是硅基磁传感器的又一大优势。“原有的生产磁传感器的材料多为磁性金属和稀土材料，储量低，成本高，且适用的磁场环境有限。而硅在地壳中广泛存在，廉价易得。”此外，器件微型化、低噪声、性能稳定、低功耗和对高低磁场的普适性，都使得这项技术的工业化应用前景广阔。来自英国日立(Hitachi)一剑桥实验室的首席科学家大卫·威廉姆斯(David Williams)博士评价说：“这是一项很有趣的工作。虽然离传感器成品的工业化生产还需一段发展时间，但前景是不容忽视的。”
硅基磁传感器的工业应用具体体现在哪里呢?我们以最普遍应用的磁传感器——计算机磁头为例，磁头由磁性金属材料制造，逻辑控制部件由硅制造。今后若采用硅基磁电阻器件，传感器与控制部分可以集成在同一个硅片上。进一步考虑，若将传感器、控制器与硅太阳能电池整合在一起，即可制备出完整的、无外接电源的自驱动磁传感器系统，这无疑将会给目前的微电子工业带来革命性的飞跃。
章晓中教授和同事还在考虑硅之外的其他半导体材料作为磁电阻的可能性，例如砷化镓，本身除了电学特性外，还兼有光学特性。若其在磁响应上亦表现优异，则很有可能实现磁、光、电的完美结合。但是，至少在那之前，硅基磁传感器的成功工业化就足以掀起一场不小的波澜了。
虽然基于GMR的磁存储技术已经非常成熟，但这并不意味着磁电阻技术已经发展到了尽头，通过其他方式实现磁电阻功能，依然有其意义。其中，清华大学材料科学系章晓中教授所研究的非均匀性导致的磁阻效应(IMR)，就有着重要的应用价值。正是基于IMR，章教授成功地使得半导体硅成为磁传感器，并使其工业化成为可能。
在章晓中之前，有科学家已经开始着手进行非磁性半导体的磁阻效应的研究，并且得出了非均匀性导致的磁电阻效应与磁场的线性依赖关系。从事磁电阻方面的研究的剑桥大学卡文迪许实验室的彼得·利特尔伍德(Peter.B.Littlewood)教授(英国皇家学会院士)说：“我已经意识到，有很多科学家都在进行着将具有非均匀性和几何特性的磁电阻效应引入实际生产应用中的尝试。显然，利用半导体器件来实现电场非均匀性就是方法之一。”
但章晓中的研究与其他人不同，他强调说：“虽然我们也是在做IMR，但我们用的是硅材料，一种能将电学与磁学器件联系在一起的材料，并且我们对于材料空间非均匀性的引入是有着巨大突破性的，那就是PN结。”
章晓中从2003年即开始了对磁传感器新材料的研究，2008年在硅碳材料中发现了良好的磁电阻效应。经后期研究发现，在碳硅材料中，真正在增强磁电阻效应方面起主要作用的是硅，因此他后期转入对硅基磁传感器的研究。他的团队发现，通过空穴注入的方法，些微掺杂的硅材料的IMR可以得到显著增强，并且可以在低场下通过调节电流得到控制。
日本科学家也注意到了硅基材料作为磁电阻的潜力，并于2009年率先研制出了同极性的N型半导体硅基磁传感器，在常温下即可实现磁电阻效应。但该器件功耗大，灵敏度低，显然不适用于工业化生产。而章晓中教授的研究则引入了PN结，使得硅基磁电阻真正具有了实用价值。
PN结本是半导体工业中常见的一种结构设计，通过将P型半导体(硼或其它少量三价元素掺杂)和N型半导体(磷或其它少量五价元素掺杂)制作在同一张基片上，就可在交界面形成一个具有单向导电性的空间电荷区。这种结构已经广泛应用在LED、太阳能电池等领域，“但用在磁传感器上，这应该是第一次。”章教授说。
采用了这种设计的硅基磁传感器有多方面的优点。首先，器件经过精心的几何结构设计，创新地在磁传感器中采用PN结的结构，利用迁移率正负的巨大差异，大大增强了材料的空间非均匀性，使得电阻随着磁场强度改变而发生的变化更加明显。从而实现了对检测信号的人为放大，提升了传感器的灵敏度。而且，以往对PN结的研究多限于静态，而此成果中将PN结运用在电场中，表现了其在动态环境下的非凡特性。相比于2009年日本科学家的成果，材料性能提升了50～100倍。对器件的性能，章教授充满信心。“已经设计出的宏观器件的性能已接近现有的商用GMR器件的水平。随着设计的微型化和结构的进一步优化，性能还将会继续提高。”
此外，这种器件利用现有的成熟的半导体制造工艺即可实现大规模工业化生产，基本无需改进。硅半导体材料在微电子工业中应用广泛，技术成熟，经过短期的硅基磁传感器与半导体器件的整合试验，便能迅速投入大规模生产，科技成果转化周期较短。目前，章晓中正在同中国科学院半导体研究所合作进行相关的试验，并且在积极寻求同相关大型传感器企业的合作。
生产成本低廉是硅基磁传感器的又一大优势。“原有的生产磁传感器的材料多为磁性金属和稀土材料，储量低，成本高，且适用的磁场环境有限。而硅在地壳中广泛存在，廉价易得。”此外，器件微型化、低噪声、性能稳定、低功耗和对高低磁场的普适性，都使得这项技术的工业化应用前景广阔。来自英国日立(Hitachi)一剑桥实验室的首席科学家大卫·威廉姆斯(David Williams)博士评价说：“这是一项很有趣的工作。虽然离传感器成品的工业化生产还需一段发展时间，但前景是不容忽视的。”
硅基磁传感器的工业应用具体体现在哪里呢?我们以最普遍应用的磁传感器——计算机磁头为例，磁头由磁性金属材料制造，逻辑控制部件由硅制造。今后若采用硅基磁电阻器件，传感器与控制部分可以集成在同一个硅片上。进一步考虑，若将传感器、控制器与硅太阳能电池整合在一起，即可制备出完整的、无外接电源的自驱动磁传感器系统，这无疑将会给目前的微电子工业带来革命性的飞跃。
章晓中教授和同事还在考虑硅之外的其他半导体材料作为磁电阻的可能性，例如砷化镓，本身除了电学特性外，还兼有光学特性。若其在磁响应上亦表现优异，则很有可能实现磁、光、电的完美结合。但是，至少在那之前，硅基磁传感器的成功工业化就足以掀起一场不小的波澜了。