各向異性磁電阻的測量

1、各向異性磁電阻、巨磁電阻測量摘 要：本文闡述了各向異性磁電阻的實驗原理及測量方法，分別測量了電流方向與磁場方向平行和垂直兩種情況下電阻雖磁場的變化,最后對本實驗進行了討論。關(guān)鍵字:各向異性磁電阻，AMR曲線，四探針樣品夾具，磁電阻的測量。引言 一般所謂磁電阻是指在一定磁場下材料電阻率改變的現(xiàn)象。1988年，在分子束外延制備的Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)可達(dá)50。并且在薄膜平面上，磁電阻是各向同性的。人們把這稱之為巨磁電阻（簡記為GMR），90年代，人們又在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Ag、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag和Co/Au等納米多層膜中觀察到了顯著的巨磁電阻效應(yīng)。 1992年人們又發(fā)現(xiàn)

2、在非互溶合金（如Fe、Co與Cu、Ag、Au等在平衡態(tài)不能形成合金）顆粒膜如Co-Ag、Co-Cu中存在巨磁電阻效應(yīng)，在液氮溫度可達(dá)55%，室溫可達(dá)到20，并且有各向同性的特點。1994年，人們又發(fā)現(xiàn)Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)在4.2的為30，室溫達(dá)18，之后在其他一些鐵磁層非鐵磁層鐵磁層隧道結(jié)中亦觀察到了大的磁電阻效應(yīng)，人們將此稱為隧道結(jié)磁電阻（簡記為TMR）。目前室溫達(dá)24的材料已制成，用材料已制成計算機硬盤讀出磁頭，其靈敏度比普通磁頭高10倍，比磁頭高數(shù)倍。 20世紀(jì)90年代后期，人們在摻堿土金屬稀土錳氧化物中發(fā)現(xiàn)可達(dá)103%106%，稱之為龐磁電阻（簡記為CMR）。目前錳氧化物CMR

3、材料的磁電阻飽和磁場較高，降低其飽滿和場是將之推向應(yīng)用的重要研究課題。利用磁電阻效應(yīng)可以制成計算機硬盤讀出磁頭；可以制成磁隨機存儲器（MRAM）；還可測量位移、角度、速度、轉(zhuǎn)速等。一、實驗?zāi)康模ǎ┏醪搅私獯判院辖鸬腁MR，多層膜的GMR，摻堿土金屬稀土錳氧化物的CMR。（）初步掌握室溫磁電阻的測量方法。二、實驗原理1、各向異性磁電阻 一些磁性金屬和合金的與技術(shù)磁化相對應(yīng)，即與從退磁狀態(tài)到趨于磁飽和的過程相應(yīng)的電阻變化。外加磁場方向與電流方向的夾角不同，飽和磁化時電阻率不一樣，即有各向異性。通常取外磁場方向與電流方向平行和垂直兩種情況測量。即有（）及（）。若退磁狀態(tài)下磁疇是各向同性分布的，疇壁散

4、射變化對磁電阻的貢獻(xiàn)較小，將之忽略，則（）與平均值av（）相等。大多數(shù)材料（），故計算公式為 AMR常定義為 如果av，則說明該樣品在退磁狀態(tài)下有磁疇織構(gòu)，即磁疇分布非完全各向同性。如下圖一是曾用作磁盤讀出磁頭和磁場傳感器材料的Ni81Fe19的磁電阻曲線，很明顯，,，各向異性明顯。如下圖二一些鐵磁金屬與合金薄膜的各向異性磁電阻曲線2、多層膜的巨磁電阻 巨磁電阻效應(yīng)首次在多層膜中發(fā)現(xiàn)。圖12.1-5為這種多層膜的磁電阻曲線。由圖四可見，多層膜室溫下的約11.3，4.2時約42.7。多層膜室溫可達(dá)，遠(yuǎn)大于，故稱為巨磁電阻，這種巨磁電阻的特點是：（）數(shù)值比大得多。（）基本上是各向同性的。圖六中高場

5、部分的雙線分別對應(yīng)于（）和（），其差值為的貢獻(xiàn)。該多層膜在和4.2下分別為0.35和2.1，約為其GMR的二十分之一。（）多層膜的磁電阻按傳統(tǒng)定義（）（）（）×100是負(fù)值，恒小于。常采用另一定義（）（）（）×100，用此定義數(shù)值為正，且可大于。（）中子衍射直接證實，前述多層膜相鄰鐵磁層的磁化為反鐵磁排列，來源于層間的反鐵磁耦合。無外磁場時各層s反平行排列，電阻最大，加外磁場后，各層s平行排列，電阻最小。如圖五所示。（）除多層膜外，人們已在許多系統(tǒng)如、等中觀察到不同大小的，但并不是所有多層膜都有大的磁電阻，有的很小，甚至只觀察到，如多層膜。圖六是NiFe/Cu/Co/Cu多

6、層膜的室溫磁電阻曲線。3、摻堿土金屬稀土錳氧化物的龐磁電阻 圖七是0.70.33薄膜樣品的電阻率、磁電阻隨溫度變化關(guān)系。該樣品的6。 到目前為止，對1-xx3（，Pr，Sm；，），在x0.20.5范圍都觀測到和鐵磁性。這種的特點是：（）數(shù)值遠(yuǎn)大于多層膜的。（）各向同性。（）負(fù)磁電阻性，即磁場增大，電阻率降低。（）總是出現(xiàn)在居里溫度附近（TTc），隨溫度升高或降低，都會很快降低。這一特性與金屬多層膜的磁電阻有本質(zhì)的差別。（）到目前為止，只有少部分材料的居里點高于室溫。（）觀察這類材料的外加磁場比較高，一般需量級。圖12.1-9是一種摻銀的-樣品的室溫磁電阻曲線。三、實驗儀器亥姆霍茲線圈、電磁鐵、

7、特斯拉計、毫特斯拉計、大功率恒流電源、大功率掃描電源、精密恒流源、數(shù)字微伏表、雙路數(shù)據(jù)采集卡及軟件，計算機，四探針樣品夾具。四、實驗步驟 1.將樣品切成窄條，這在測AMR時是必需的。對磁性合金薄膜，飽和磁化時，樣品電阻率有如下關(guān)系:               其中是磁場方向與電流方向的夾角。2.用非共線四探針法測電阻值，如圖所示。3.將大功率恒流源與亥姆霍茲線圈連接。 4.將樣品裝上四探針夾具。5.將裝好樣品的夾具固定在亥姆霍茲線圈中心，并確保

8、電流方向與磁場方向平行。6.將毫特斯拉計探頭固定在樣品附近。7.確保所有儀器調(diào)整旋鈕均在輸出為零位置，啟動所有測量儀器，預(yù)熱分鐘，并作校準(zhǔn)。8.調(diào)整精密恒流源輸出，使測量電流（流過樣品的電流）為范圍內(nèi)的某個確定電流，本實驗中將電流調(diào)整為6mA。9.調(diào)節(jié)大功率恒流源輸出電流，從-6A開始，逐點增大，以改變磁場大小，逐點記錄數(shù)字微伏表顯示的電壓值。10.當(dāng)電流調(diào)節(jié)6A時停止記錄，在調(diào)節(jié)大功率恒流源輸出電流逐點減小至-6A，仍作上述記錄。11.將樣品夾具轉(zhuǎn)°固定好，確保電流方向與磁場方向垂直，再重復(fù)68步測量、記錄。五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、磁場與電流方向平行 測量電壓的變化隨磁場的變化如下圖

9、:由上圖可以看出，兩條曲線分別對應(yīng)著電流減小和增大兩種情況下的測的電壓隨著電流的變化值。由實驗可知水平方向電流正比于磁場，而豎直方向電壓正比于電阻率，所以上圖可以看作是磁場與電流方向平行時待測樣品的AMR曲線。 谷值表示退磁時的電壓，即，兩個谷值分別為6.090mV和6.105mV；電壓隨磁場變化趨于的飽和值為樣品的平行磁電阻對應(yīng)的電壓值，即U，分別為6.24mV、6.25 mV、6.255 mV和6.265 mV。分別求平均得：因為電流為I=6.0mA ,所以可得電阻為：, 把縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為電阻R，因磁場與電流成正比，橫坐標(biāo)可表示磁場大小，可得R-H曲線。如下圖所示。R-H曲線-6-4-202

10、461.011.0151.021.0251.031.0351.041.045HR/由上圖可以看出，兩條峰并沒有重合，而且峰值并沒有在零點，說明所測得的樣品波某磁疇等不非完全各向同性，也就是說，薄膜是各向異性的，出現(xiàn)雙峰是由于磁滯現(xiàn)象引起的。2、磁場與電流方向垂直 測量電壓的變化隨磁場的變化如下圖：垂直情況下同樣出現(xiàn)雙峰，且峰值沒有與零點重合，原因與平行情況下相同，上面已經(jīng)分析。峰值表示退磁時的電壓，即，兩個峰值分別為6.095mV和6.096mV；電壓隨磁場變化趨于的飽和值為樣品的平行磁電阻對應(yīng)的電壓值，即，分別為5.983mV、6.003 mV、5.998 mV和6.001 mV。分別求平均

11、得：因為電流為I=6.0mA ,所以可得電阻為：, ;同理，把縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為電阻R，因磁場與電流成正比，橫坐標(biāo)可表示磁場大小，可得R-H曲線。如下圖所示。R-H曲線-6-4-2024680.99511.0051.011.0151.021.025HR/綜合1和2，可知，;所以有 ;且;因為截面積S和長度l為定值，電流均為6.0mA, 所以在計算AMR時可以帶入U計算。若知道截面積S和長度l，則可求、等值。六、實驗討論實驗中由于采用了手動調(diào)節(jié)磁場的大小，通過電流的大小來調(diào)節(jié)磁場，而在調(diào)節(jié)過程中，實驗儀器的精確度和計數(shù)的精確度給實驗帶來了一定的誤差。此外，磁場是近似認(rèn)為是均勻場，實際上不是，這也會造成

12、誤差。同時在放置樣品是與磁場平行或垂直都是目測的，這樣也有可能造成測量的結(jié)果有誤差。對于計數(shù)的步距，實驗中采用電壓等距的方法，每一次測量分別記了大約30組數(shù)據(jù)，這樣既可以記錄較多的數(shù)據(jù)，也可以把峰或谷值附近的變化反應(yīng)出來。在調(diào)節(jié)電流的過程中，手最好不要離開旋轉(zhuǎn)按鈕，實驗中發(fā)現(xiàn)手離開的瞬間，電流值由一定的波動，給實驗測量帶來不便。由前面作圖可以看出，隨著測量時間的推移，測得的磁電阻曲線有明顯向高電阻方向移動的趨勢。這是由于樣品通電后會產(chǎn)生焦耳熱，隨著時間的推移，樣品溫度逐漸升高，電阻率變大，熱效應(yīng)不再可以忽略，以至當(dāng)一個測量周期完成時，電阻率增幅可高達(dá)到1%左右，而實驗最終的AMR也不過才3.3

13、%，可見測量時間越長，由熱效應(yīng)引起的誤差越大越不可忽略，這也會致使所測得的曲線不對稱。試驗并沒有直接測量沒有外磁場時樣品的電阻，這是由于樣品此前已經(jīng)過多次實驗，有一定的不確定剩磁，因而實驗采用測量曲線中的峰值或谷值作為樣品完全退磁時的電阻。但在實驗中，峰值或谷值附近電阻變化極大，測量選擇的步長并不能保證實驗恰好記錄到真正的峰值或谷值，從而給實驗帶來誤差。另外，實驗中，R、R和R0求均值時，不同數(shù)據(jù)對應(yīng)的溫度實際上已經(jīng)發(fā)生了較大變化，但由于兩個峰值或谷值總是在測量過程的前后各四分之一處左右得到，而四個穩(wěn)定值或飽和值總是在測量過程的起始處、二分之一處和終點處得到，如果認(rèn)為樣品線性升溫，其電阻率隨溫

14、度變化也是線性的話，將兩個峰(谷)值和四個穩(wěn)定(飽和)值分別平均，將得到測量過程大約二分之一處時的所對應(yīng)溫度的各個電阻值，這樣所得的數(shù)據(jù)誤差應(yīng)該比僅取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)進行平均所得數(shù)據(jù)的誤差為小。樣品的剩磁會使外磁場為零時的磁電阻并不對應(yīng)于樣品完全退磁時的電阻，因而磁電阻曲線會出現(xiàn)雙峰或雙谷。在理想情況下，雙峰或雙谷應(yīng)關(guān)于原點對稱，但在該實驗中，雙峰和雙谷關(guān)于原點有明顯的偏移，這可能由樣品的磁滯回線不對稱引起，也可能由儀器的系統(tǒng)誤差引起。七、思考題1、測量AMR后計算出來的和是否相同，如不同說明什么問題？答：由上述計算過程可以得出:, 由可知，和的計算值不相等，說明該樣品在退磁狀態(tài)下有磁疇織構(gòu)，即磁

15、疇分布非完全各向同性。2、按前述步驟手動測量的磁電阻曲線與自動測量的磁電阻曲線有何異同，為什么？答：實驗中只進行了手動測量，而因為手動測量時間上要長一些，首先熱效應(yīng)明顯，其次記錄時也有誤差；而我們猜測，若是自動測量的話，誤差比較小，由于實驗中并沒有自動測量，實驗圖無法得知。手動測出的磁電阻曲線有明顯的基線漂移，即隨著測量時間的增加，測得的曲線明顯向高電阻方向移動。原因在于手動測量時間長，電流通過樣品產(chǎn)生的熱效應(yīng)不可忽略，樣品溫度有顯著升高，使其電阻率明顯變大。3、手動測量與自動測量時如何更好的選擇流過樣品的電流的大?。看穑菏謩訙y量時，因時間較長，對于選取的電流根據(jù)樣品的的情況和測量儀表的精度所決定，電流值不能太大，否則會引起樣品的發(fā)熱而引起實驗誤差，本實驗中選取的電流值為6mA。自動測量時，由于測量時間短，測量電流可以較大，以達(dá)到較好的實驗精度。4、測量中如何減小熱效應(yīng)對測量的影響？答：1. 測量應(yīng)盡量迅速，否則由電流長時間會引起熱效應(yīng)；2.通過樣品的恒流不能太大，要適中，電流越大，引起的熱效應(yīng)越明顯；3.調(diào)節(jié)磁場電流的值不能太大，最好不要超過6A。電流越大熱效應(yīng)越明顯；