巨磁电阻效应.docx

巨磁电阻效应及其应用实验指导书北京航空航天大学物理实验中心2013年3 月10日巨磁电阻效应及其应用2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻（Giant magneto resistance,简称GMR）效应的发现 者，法国物理学家阿尔贝•费尔（Albert Fert）和德国物理学家彼得・格伦贝格尔（Peter Grunberg ）诺贝尔奖委员会说明：“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的， 因为它使计算机硬盘的容量从几百兆，几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G德国尤利希科研中心的物理学家彼得•格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界 面上的磁有序状态1986年，他采用了分子束外延（MBE）方法制备薄膜，样品成分是铁-铬-铁三明 治结构的薄膜,实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场他们发现，对于非铁磁层铬的 某个特定厚度，两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行（较强磁场下）转变为反平行（弱磁场下）这个 新现象成为巨磁电阻效应出现的前提既然磁场可以将两个铁磁层磁矩在彼此平行与反平行之间 转换，相应的物理性质会有什么变化？格伦贝格尔接下来发现，两个磁矩反平行时对应高电阻状 态，平行时对应低电阻状态，两个电阻的差别高达1 0% 。

格伦贝格尔将结果写成论文，与此同时， 他申请了将这种效应和材料应用于硬盘磁头的专利另一方面，1988法国物理学家阿尔贝•费尔的小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁- 铬超晶格，也称为周期性多层膜他们发现，当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半， 即磁电阻比率达到50%他们称这个前所未有的电阻巨大变化现象为巨磁电阻显然,周期性多层 膜可以被看成是若干个格伦贝格尔三明治的重叠，所以德国和法国的两个独立发现实际上是同一 个物理现象巨磁电阻效应的发现，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命目前电脑，音乐播放器 等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应利用巨磁电阻效应制 成的多种传感器，已广泛应用于各种测量和控制领域本实验介绍多层膜GMG效应的原理，并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应 用领域一、 实验要求1、 熟悉和了解GMR效应原理2、 测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线3、 测量GMR的磁阻特性曲线4、 熟悉和掌握有关GMR传感器的原理和应用，包括用GMR传感器测量电流、用GMR梯度传感器 测量角位移以及了解磁记录与读出的原理等二、 实验原理传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略。

巨磁电阻效应表明，电 子自旋对于电流的影响非常强烈根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生 碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这 种无规散射运动的叠加称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小， 则平均自由程长，电阻率低电阻定律R=pl/S中，把电阻率p视为常数，与材料的几何尺度无关， 这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm）， 可以忽略边界效应当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（例如，铜原子的 直径约为0.3nm）,电子在边界上的散射几率大大增加，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的 现象电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向实 验证明，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩 与材料的磁场方向反平行的电子总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电 阻，这就是所谓的两电流模型在图1所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。

施 加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，外磁场使两层铁磁膜从反平行耦 合变成了平行耦合无外磁场时顶层磁场方向E1X1EDM 曲加无外磁场时底层磁场方向图 1 多层膜 GMR 结构图顶层铁磁膜中间导电层底层铁磁膜£70046X145M磁场强度/高斯图 2 某种 GMR 材 料 的磁 阻 特性图2是图1结构的某种GMR材料的磁阻特性由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间 有一段线性区域当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入 磁饱和区域磁阻变化率AR/R达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的注意到图2中 的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献：其一，界面上的散射无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋 状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行） 电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一 致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态其二，铁磁膜内的散射。

即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在 上下两层铁磁膜之间穿行无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋 状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类 自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态有外磁场时，上下两 层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自 旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态多层膜GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场线性变化的范围大，在制作模拟传感器方面得 到广泛应用在数字记录与读出领域，为进一步提高灵敏度，发展了自旋阀结构的GMR如图3所 示自旋阀结构的SV-GMR（Spin valve GMR）由钉扎层，被钉扎层，中间导电层和自由层构成其 中，钉扎层使用反铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料， 铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此 偏转场将被钉扎层的磁化方向固定，不随外磁场改变自 由层使用软铁磁材料，它的磁化方向易于随外磁场转动 这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相 对取向，对应于很高的灵敏度。

制造时，使自由层的初始 磁化方向与被钉扎层垂直，磁记录材料的磁化方向与被钉 扎层的方向相同或相反（对应于0或1），当感应到磁记录 材料的磁场时，自由层的磁化方向就向与被钉扎层磁化方 向相同（低电阻）或相反（高电阻）的方向偏转，检测出 电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所用 的GMR磁头就采用这种结构三、实验仪器介绍 实验中使用的仪器装置包括实验仪主机和若干组件模块，简要介绍如下：1、实验仪主机 图4所示为巨磁阻实验仪系统的实验仪前面板图包括：（1）输入部分电流表部分：可做为一个独立的电流表使用两个档位：2mA档和200mA档，可通过电 流量程切换开关选择合适的电流档位测量电流电压表部分：可做为一个独立的电压表使用两个档位：2V档和200mV档，可通过电压 量程切换开关选择合适的电压档位2）输出部分 恒流源部分：可变恒流源,对外提供电流恒压源部分：提供GMR传感器工作所需的4V电源和运算放大器工作所需的±8 V电源luaenvi电流表电圧■程-M^ZOOmV电 Sift A范斜■程勺潢凋节图4巨磁阻实验仪操作面板巨磁电ia供电 电珞供电 愴液輪出2、基本特性组件模块基本特性组件由GMR模拟传感器、螺线管线圈、输入输出插孔组成，用I 磁阻特性进行测量。

GMR传感器置于螺线管的中央螺线管用于在实验过程中产 生大小可计算的磁场,由理论分析可知,无限长直螺线管内部 轴线上任一点的磁感应强度为：B =缈I （ 1）式中 n 为线圈密度， I 为流经线圈的电流强度，采用国际单位 制时，由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉= 1OOOO高斯，卩=4n X 10 -7 H / m为真空中的磁导率）0成，用以对G]成吧世粽中科仪為有限公祠MR的磁电转换特性,图5 基本特性组件3、电流测量组件电流测量组件将导线置于GMR模拟传感器近旁，用GMR传感 器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化，就可确 定电流大小与一般测量电流需将电流表接入电路相比，这种 非接触测量不干扰原电路的工作，具有特殊的优点图 6 电流测量组件4、角位移测量组件角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿 轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传 感器输出发生变化，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的波形利用该原理可以测量角位移（转速，速度）汽车上的转 速与速度测量仪就是利用该原理制成的图7 角位移测量组件山卵仁』世巨磁电阻效应及应用实验仪图8 磁读写组件四、实验内容1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构，图 9是某型号传感器的结构。

输R3R43R R输入+输入一a几何结构b电路连接磁通聚集器图 9 GMR 模拟传感器结构图对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出图9中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3、R覆盖一层高导磁率的材料 如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R、R阻值 12随外磁场改变设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R， R、R在外磁场作用下电阻减小AR,简单分析表明，输出 12电压：U = U AR/ (2R-AR) (2)OUT IN图10是某GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线图11 是磁电转换特性的测量原理图实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件 实验步骤：将基本特性组件的功能切换按钮切换为 “传感器测量”，实验仪的4伏电压源接至基本特性组件输出/VQ1B30－20磁感应强度/高斯图 10 G M R 模 拟 传 感 器 的 磁 电 转 换 特 性“巨磁电阻供电”，恒流源接至“螺线管电流输入”，基本特性组件“模拟信号输出”接至实验 仪电压表A2R1R25、磁读写组件 磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理磁卡做记录介 质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据 读出来。

R3图11模拟传感器磁电转换特性实验原理图调节励磁电流，从100mA开始逐渐减小，每隔10mA记录相应的输出电压于表格中当电流减至 0后，交换恒流输出接线的极性，使电流反向再次增大电流，并记录相应的输出电压电流至一100mA后，逐渐减小负向电流，记录相应的输出电压，当电流减至0后，交换恒流输 出接线的极性，使电流反向再次增大电流，记录相应的输出电压，直到J100mA o (理论上讲，外磁场为零时，GMR传感器的输出应为零，但由于4个桥臂电阻值不一定完全相同，导致外磁场为零 时输出不一定为零，在有的传感器中可以观察到这一现象）数据处理：根据螺线管上标明的线圈密度，由螺线管通过的电流值计算出螺线管内的磁感应 强度B以磁感应强度B作横座标，电压表的读数为纵座标作出磁电转换特性曲线不同外磁场强 度时输出电压的变化反映了GMR传感器的磁电转换特性，同一外磁场强度下输出电压的差值反映了 材料的磁滞特性2、GMR磁阻特性测量为对构成GMR模拟传感器的磁阻进 行测量将基本特性组件的功能切换按 钮切换为“巨磁阻测量”，此时被磁屏 蔽的两个电桥电阻R。