磁电阻测量实验报告

磁电阻测量实验报告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。通常将磁场引起的电阻率变化写成=二:H-，其中：H和•土华分别表示在磁场H中和无磁场时的电阻率。磁电阻的大小常表示为】•三二菱 ，其中p可以是p(H)或p(0)，MR是magnetoresistivity的缩写绝大多数非磁性导体的MR很小，约为10-5%，磁性导体的MR最大为3%到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(AMR)。1988年，在分子束外延制备的Fe/Cr多层膜中发现MR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©MR)，90年代，人们又在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Ag、Fe/Au、Co/Cu、Co/Cu和Co/Cu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4.2K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(TMR)。目前MR室温达24%的TMR材料已制成，用TMR材料已制成计算机硬盘读出磁头，其灵敏度比普通MR磁头高10倍，比GMR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MR可达103%〜106%，称之为庞磁电阻(简记为CMR)。目前锰氧化物CMR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)；还可制成测量位移、角度、速度、转速等的磁传感器。实验目的初步了解磁性合金的AMR。初步掌握室温磁电阻的测量方法。实验原理一些磁性金属和合金的AMR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AMR。即有Ap〃=p〃-p(0)及Ap±=p±-p(0)。若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，则p(0)与平均值pav=1/3(p〃+2p上)相等。大多数材料p〃>p(0)，故计算公式为

也=P〃-P.,,>0TOC\o"1-5"\h\zav av比=PLPavV0av avAp_1ApP】2p"av avAMR常定义为AMR=£^二生—坐P0 P0P0如果p0^pav,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，很明显物＞/X。)，OW『(。)，各向异性明显。100200300-300—200-1000/¥(Oe)24.05]24.00-23.95；23.90100200300-300—200-1000/¥(Oe)24.05]24.00-23.95；23.9023.85：23,80'23.75：23.70：23.65；aLT宣)d23.723.623.5；23423.323,223.1-23.022,9L—300(b)〃(Oe)图 NiFe薄膜的磁电阻曲线(a)电流方向与磁场方向平行(b)电流方向与磁场方向垂直如下图一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线

—100 —50 0 50 100 —100 —50 0 50 100 —100 —50 0 50 100Z/（Oe）(汶)蜜v图 一些铁磁金属与合金薄膜的AMR曲线，实线和虚线分别表示横向和纵向的磁电阻实验仪器亥姆霍兹线圈、电磁铁、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、四探针样品夹具。实验过程（1） 将样品切成窄条，这在测AMR时是必须的，实际上实验室提供的是Ni-Fe合金的样品，已经放置在四探针夹具上。（2） 接通实验仪器，预热15分钟。用恒流源给样品提供电流，电流设置为6mA。（3） 用大功率扫描电压给亥姆霍兹线圈加电流，产生磁场。（4） 将装好样品的夹具固定在亥姆霍兹线圈中心，并确保电流方向与磁场方向平行。（5） 将扫描电流设为6A，然后慢慢地减小电流值，直到-6A，在此过程中记录电流值和对应的电压值，记录大概30组数据。接着再将电流从-6A增加到6A，记录30组数据。注意在调节旋钮过程中要尽量平稳，并且不能反向旋转。在极值点附近更是要减小步长，多测几组数据。测量过程尽量快，避免样品温度升高影响实验结果。（6） 将样品转90度，使电流方向与磁场方向垂直。重复（5）的步骤。实验数据及讨论电流与磁场垂直5.55 1 1 1 1 1 J书 V -2 0 2 4 6扫描电流(A)星号标记的为从6A到-6A扫描过程中电压随电流变化圆圈标记的为从-6A到6A扫描过程中电压随电流变化从图中可以看出，在磁场从饱和到退磁再到反向饱和的过程中，电阻值是在不断变化的。图中的双峰是磁滞引起的。因为电阻怵电阻率，所以我们可以取电阻值来计算AMR。取两个峰值U=5.620mV和U=5.635mV，四个饱和值U=5.559mV、U=5.566mV、U=5.566mV、U=5.586mV。计算得到p°=0.938，P±=0.928在这里用双峰的平均值作为p0，用饱和值的平均值作为七。这么做的原因是在没有磁滞的情况下，双峰是应该重合在H=0处的，现在双峰偏离，就用平均值做P0，而实验数据中的电流为0时对应的值没有意义。电流与磁场平行36345.5.75.725.B25.36345.5.75.725.B25.76.74LH5.5.>E?m9TOC\o"1-5"\h\z5.6B- * -5.66I-1 1 1 1 1 1 L-6^-2 0 2 4 6扫描电流(A)星号标记的为从6A到-6A扫描过程中电压随电流变化圆圈标记的为从-6A到6A扫描过程中电压随电流变化与上图一样电阻发生变化，并且有双峰，但是双峰是向下的。取两个谷值U=5.688mV和U=5.673mV，四个饱和值U=5.808mV、U=5.829mV、U=5.829mV、U=5.842mV。计算得到P°=0.947,P广0.971可以看出两个？。并不相等，这可能是因为长时间通电引起的，使样品的温度发生了变化。在下面的计算中我们取P=(0.938+0.947)/2=0.9430由p=(p+2p)/3可得，p=0.942可见P冲，说明该样品在退磁状态下磁畴是av// ± av av0各向同性的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小。AMR=P^W*由AMR的定义， P0 P0 P0，AMR=0.971-0.928/0.943=4.56%从上面两幅图中，我们可以看到所测得的磁电阻一电流曲线的图像在一个周期下并没有完全闭合。很明显在图像的最末端饱和磁电阻较初始状态的饱和磁电阻有明显的上升趋势，图一中上升了0.017mV,图二上升了0.034mV。这样的结果是温度变化造成的。在考虑任何磁效应时我们都不能忽略温度这一因素的影响。在此实验中我们使用细条状的样品并在其上通上了电流。在实验过程中由于样品的电阻效应，样品会不断地产生焦耳热，随着时间的推移，样品温度会逐渐升高，使得合金样品中的晶格热运动增强，对电子等载流子的散射作用不断增强，电阻率变大。可见由热效应引起的误差不可忽略，且时间越长热效应说产生的影响越明显。在实验中我们在做第二组时经历的时间更长，所以上升值也略多。这一实验事实与我们的分析是符合的。（4）星号为从6A到-6A的扫描过程，圈号为从-6A到6A的扫描过程，在四次扫描过程中，可以看出，达到极值点前，电压变化较慢（斜率小），达到极值点后电压变化较快（斜率大），可能原因是过了矫顽场后材料本身磁场随外磁场变化较快。（4）在理想情况下，双峰或双谷应关于原点对称，但在实验中，双峰和双谷关于原点有明显的偏移，星号标记的过程中，极点值在-1A左右，圈号标记的过程中，极点值在0.6A左右。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。也有可能是在亥姆霍兹线圈中磁场并不均匀，且磁场方向并未与样品完全平行或垂直所致。思考题（1） 测量AMR后计算出来的P0和Pav是否相同，如不同说明什么问题？答：P0和pav的计算值不相等，说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性的，说明样品薄膜是各向异性的材料。（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：手动测量误差比较大，而自动测量误差比较小，由于实验中并没有自动测量，实验图无法得知。由实验误差引起的情况可以看出自动测量的图形波动没有那么明显。在非零点应该基本上是一条直线，在零点附近出现峰值。（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：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，但是电流值也不宜太小，否则测量起来会很不方便。本实验中选取的电流值为6mA。（4） 测量中如何减小热效应对测量的影响？答：1.实验过程不能太长，电流长时间会引起热效应。通过样品的电流不能太大，要适中，电流