各向异性磁电阻的测量

1、各向异性磁电阻、巨磁电阻测量摘 要：本文阐述了各向异性磁电阻的实验原理及测量方法，分别测量了电流方向与磁场方向平行和垂直两种情况下电阻虽磁场的变化,最后对本实验进行了讨论。关键字:各向异性磁电阻，AMR曲线，四探针样品夹具，磁电阻的测量。引言 一般所谓磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。1988年，在分子束外延制备的Fe/Cr多层膜中发现可达50。并且在薄膜平面上，磁电阻是各向同性的。人们把这称之为巨磁电阻（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

2、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55%，室温可达到20，并且有各向同性的特点。1994年，人们又发现Fe/Al2O3/Fe隧道结在4.2的为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（简记为TMR）。目前室温达24的材料已制成，用材料已制成计算机硬盘读出磁头，其灵敏度比普通磁头高10倍，比磁头高数倍。 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可达103%106%，称之为庞磁电阻（简记为CMR）。目前锰氧化物CMR

3、材料的磁电阻饱和磁场较高，降低其饱满和场是将之推向应用的重要研究课题。利用磁电阻效应可以制成计算机硬盘读出磁头；可以制成磁随机存储器（MRAM）；还可测量位移、角度、速度、转速等。一、实验目的（）初步了解磁性合金的AMR，多层膜的GMR，掺碱土金属稀土锰氧化物的CMR。（）初步掌握室温磁电阻的测量方法。二、实验原理1、各向异性磁电阻 一些磁性金属和合金的与技术磁化相对应，即与从退磁状态到趋于磁饱和的过程相应的电阻变化。外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，即有各向异性。通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量。即有（）及（）。若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散

4、射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，则（）与平均值av（）相等。大多数材料（），故计算公式为 AMR常定义为 如果av，则说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性。如下图一是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显，,，各向异性明显。如下图二一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线2、多层膜的巨磁电阻 巨磁电阻效应首次在多层膜中发现。图12.1-5为这种多层膜的磁电阻曲线。由图四可见，多层膜室温下的约11.3，4.2时约42.7。多层膜室温可达，远大于，故称为巨磁电阻，这种巨磁电阻的特点是：（）数值比大得多。（）基本上是各向同性的。图六中高场

5、部分的双线分别对应于（）和（），其差值为的贡献。该多层膜在和4.2下分别为0.35和2.1，约为其GMR的二十分之一。（）多层膜的磁电阻按传统定义（）（）（）×100是负值，恒小于。常采用另一定义（）（）（）×100，用此定义数值为正，且可大于。（）中子衍射直接证实，前述多层膜相邻铁磁层的磁化为反铁磁排列，来源于层间的反铁磁耦合。无外磁场时各层s反平行排列，电阻最大，加外磁场后，各层s平行排列，电阻最小。如图五所示。（）除多层膜外，人们已在许多系统如、等中观察到不同大小的，但并不是所有多层膜都有大的磁电阻，有的很小，甚至只观察到，如多层膜。图六是NiFe/Cu/Co/Cu多

6、层膜的室温磁电阻曲线。3、掺碱土金属稀土锰氧化物的庞磁电阻 图七是0.70.33薄膜样品的电阻率、磁电阻随温度变化关系。该样品的6。 到目前为止，对1-xx3（，Pr，Sm；，），在x0.20.5范围都观测到和铁磁性。这种的特点是：（）数值远大于多层膜的。（）各向同性。（）负磁电阻性，即磁场增大，电阻率降低。（）总是出现在居里温度附近（TTc），随温度升高或降低，都会很快降低。这一特性与金属多层膜的磁电阻有本质的差别。（）到目前为止，只有少部分材料的居里点高于室温。（）观察这类材料的外加磁场比较高，一般需量级。图12.1-9是一种掺银的-样品的室温磁电阻曲线。三、实验仪器亥姆霍兹线圈、电磁铁、

7、特斯拉计、毫特斯拉计、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字微伏表、双路数据采集卡及软件，计算机，四探针样品夹具。四、实验步骤 1.将样品切成窄条，这在测AMR时是必需的。对磁性合金薄膜，饱和磁化时，样品电阻率有如下关系:               其中是磁场方向与电流方向的夹角。2.用非共线四探针法测电阻值，如图所示。3.将大功率恒流源与亥姆霍兹线圈连接。 4.将样品装上四探针夹具。5.将装好样品的夹具固定在亥姆霍兹线圈中心，并确保

8、电流方向与磁场方向平行。6.将毫特斯拉计探头固定在样品附近。7.确保所有仪器调整旋钮均在输出为零位置，启动所有测量仪器，预热分钟，并作校准。8.调整精密恒流源输出，使测量电流（流过样品的电流）为范围内的某个确定电流，本实验中将电流调整为6mA。9.调节大功率恒流源输出电流，从-6A开始，逐点增大，以改变磁场大小，逐点记录数字微伏表显示的电压值。10.当电流调节6A时停止记录，在调节大功率恒流源输出电流逐点减小至-6A，仍作上述记录。11.将样品夹具转°固定好，确保电流方向与磁场方向垂直，再重复68步测量、记录。五、数据记录与处理1、磁场与电流方向平行 测量电压的变化随磁场的变化如下图

9、:由上图可以看出，两条曲线分别对应着电流减小和增大两种情况下的测的电压随着电流的变化值。由实验可知水平方向电流正比于磁场，而竖直方向电压正比于电阻率，所以上图可以看作是磁场与电流方向平行时待测样品的AMR曲线。 谷值表示退磁时的电压，即，两个谷值分别为6.090mV和6.105mV；电压随磁场变化趋于的饱和值为样品的平行磁电阻对应的电压值，即U，分别为6.24mV、6.25 mV、6.255 mV和6.265 mV。分别求平均得：因为电流为I=6.0mA ,所以可得电阻为：, 把纵坐标转化为电阻R，因磁场与电流成正比，横坐标可表示磁场大小，可得R-H曲线。如下图所示。R-H曲线-6-4-202

10、461.011.0151.021.0251.031.0351.041.045HR/由上图可以看出，两条峰并没有重合，而且峰值并没有在零点，说明所测得的样品波某磁畴等不非完全各向同性，也就是说，薄膜是各向异性的，出现双峰是由于磁滞现象引起的。2、磁场与电流方向垂直 测量电压的变化随磁场的变化如下图：垂直情况下同样出现双峰，且峰值没有与零点重合，原因与平行情况下相同，上面已经分析。峰值表示退磁时的电压，即，两个峰值分别为6.095mV和6.096mV；电压随磁场变化趋于的饱和值为样品的平行磁电阻对应的电压值，即，分别为5.983mV、6.003 mV、5.998 mV和6.001 mV。分别求平均

11、得：因为电流为I=6.0mA ,所以可得电阻为：, ;同理，把纵坐标转化为电阻R，因磁场与电流成正比，横坐标可表示磁场大小，可得R-H曲线。如下图所示。R-H曲线-6-4-2024680.99511.0051.011.0151.021.025HR/综合1和2，可知，;所以有 ;且;因为截面积S和长度l为定值，电流均为6.0mA, 所以在计算AMR时可以带入U计算。若知道截面积S和长度l，则可求、等值。六、实验讨论实验中由于采用了手动调节磁场的大小，通过电流的大小来调节磁场，而在调节过程中，实验仪器的精确度和计数的精确度给实验带来了一定的误差。此外，磁场是近似认为是均匀场，实际上不是，这也会造成

12、误差。同时在放置样品是与磁场平行或垂直都是目测的，这样也有可能造成测量的结果有误差。对于计数的步距，实验中采用电压等距的方法，每一次测量分别记了大约30组数据，这样既可以记录较多的数据，也可以把峰或谷值附近的变化反应出来。在调节电流的过程中，手最好不要离开旋转按钮，实验中发现手离开的瞬间，电流值由一定的波动，给实验测量带来不便。由前面作图可以看出，随着测量时间的推移，测得的磁电阻曲线有明显向高电阻方向移动的趋势。这是由于样品通电后会产生焦耳热，随着时间的推移，样品温度逐渐升高，电阻率变大，热效应不再可以忽略，以至当一个测量周期完成时，电阻率增幅可高达到1%左右，而实验最终的AMR也不过才3.3

13、%，可见测量时间越长，由热效应引起的误差越大越不可忽略，这也会致使所测得的曲线不对称。试验并没有直接测量没有外磁场时样品的电阻，这是由于样品此前已经过多次实验，有一定的不确定剩磁，因而实验采用测量曲线中的峰值或谷值作为样品完全退磁时的电阻。但在实验中，峰值或谷值附近电阻变化极大，测量选择的步长并不能保证实验恰好记录到真正的峰值或谷值，从而给实验带来误差。另外，实验中，R、R和R0求均值时，不同数据对应的温度实际上已经发生了较大变化，但由于两个峰值或谷值总是在测量过程的前后各四分之一处左右得到，而四个稳定值或饱和值总是在测量过程的起始处、二分之一处和终点处得到，如果认为样品线性升温，其电阻率随温

14、度变化也是线性的话，将两个峰(谷)值和四个稳定(饱和)值分别平均，将得到测量过程大约二分之一处时的所对应温度的各个电阻值，这样所得的数据误差应该比仅取其中部分数据进行平均所得数据的误差为小。样品的剩磁会使外磁场为零时的磁电阻并不对应于样品完全退磁时的电阻，因而磁电阻曲线会出现双峰或双谷。在理想情况下，双峰或双谷应关于原点对称，但在该实验中，双峰和双谷关于原点有明显的偏移，这可能由样品的磁滞回线不对称引起，也可能由仪器的系统误差引起。七、思考题1、测量AMR后计算出来的和是否相同，如不同说明什么问题？答：由上述计算过程可以得出:, 由可知，和的计算值不相等，说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁

15、畴分布非完全各向同性。2、按前述步骤手动测量的磁电阻曲线与自动测量的磁电阻曲线有何异同，为什么？答：实验中只进行了手动测量，而因为手动测量时间上要长一些，首先热效应明显，其次记录时也有误差；而我们猜测，若是自动测量的话，误差比较小，由于实验中并没有自动测量，实验图无法得知。手动测出的磁电阻曲线有明显的基线漂移，即随着测量时间的增加，测得的曲线明显向高电阻方向移动。原因在于手动测量时间长，电流通过样品产生的热效应不可忽略，样品温度有显著升高，使其电阻率明显变大。3、手动测量与自动测量时如何更好的选择流过样品的电流的大小？答：手动测量时，因时间较长，对于选取的电流根据样品的的情况和测量仪表的精度所决定，电流值不能太大，否则会引起样品的发热而引起实验误差，本实验中选取的电流值为6mA。自动测量时，由于测量时间短，测量电流可以较大，以达到较好的实验精度。4、测量中如何减小热效应对测量的影响？答：1. 测量应尽量迅速，否则由电流长时间会引起热效应；2.通过样品的恒流不能太大，要适中，电流越大，引起的热效应越明显；3.调节磁场电流的值不能太大，最好不要超过6A。电流越大热效应越明显；