南京大学近代物理实验2014版.docx

各向异性磁电阻的测量实验摘 要：材料的磁电阻效应被应用的非常广泛，本文阐述了各向异性磁电阻的特性，介绍 了室温磁电阻的测量方法，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随磁 场的变化，并对数据进行讨论分析关键字 :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（简记为GMR），90年代，人们又在Fe/Cu、Fe/Al、F e/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19944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（简记为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）； 还可测量位移、角度、速度、转速等1. 实验目的（1） 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CMR2） 初步掌握室温磁电阻的测量方法2. 实验原理2. 1各向异性磁电阻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△ p ±=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，贝Ip (0)与平均值p av=l/3(p 〃+2p上)相 等。

大多数材料p 〃>p (0)，故计算公式为也=P〃- P＞ 0av av比=PLPav V0av avAp _ 1 Ap广 2 ~p^av avAMR常定义为AMR =P 〃 —七二AP 〃一虬P0 P0 P0如果p 0尹p 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%>河)，阻“(°)，各向异性明显一 30200-100 0 100 200 30024.05】 24.0023,9523.9023,8523.8023.75- 23.7023 65-23.723.623523.423.323.223.1-23.0；22 J U—30H(Oe)H(Oe)电流方向与磁场方向平行(10电流方向与磁场方向垂直图 NiFe薄膜的磁电阻曲线(a)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圈 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阳2.2多层膜的巨磁电阻巨磁电阻效应首次在Fe/Cr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，Fe/Cr多层膜室温下的MR约11.3%, 4.2K时约42.7%。

Co/Cu多 层膜室温MR可达6 0%〜80%,远大于AMR,故称为巨磁电阻，这种巨磁电阻的特点 是：(1) 数值比AMR大得多2) 基本上是各向同性的图六中高场部分的双线分别对应于(MR) 〃和(MR)±, 其差值为AMR的贡献该多层膜在3 0 0 K和4.2K下分别为0.35%和2.1%，约为其GMR 的二十分之一图 Fe/Cr多层膜的GMR曲线「〃〃〃〃〃/.加磁场—► ~ F无磁场 加磁场图 多房膜中有无外磁场磁化分布与电阻变化的示意图(3) 多层膜的磁电阻按传统定义MR = [p (H)-p (0)/p (O)]X100%是负值， 恒小于10 0%常采用另一定义GMR = [p (0)-p (H)/p (H) ]X100%，用 此定义数值为正，且可大于10 0%4) 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Ms反平行排列，电阻最大，加外磁场后，各层Ms平行排列，电 阻最小如图五所示5) 除Fe/Cr多层膜外，人们已在许多系统如Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Ag、 Fe/Au、Fe/Mo、Co/Cu、Co/Al、Co/Ag、Co/Au、Co/Ru、FeNi/Cu等中观察到不同大小的GMR，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AMR，如Fe/V多层膜。

温度(K)图 Ndo.7Sr0.3Mn03 薄膜样品的电阻率和磁电阻随温度变化svgM-fy-tf15.615.415.2-1514.814.614.4 <14214.0 ' - * u r - | - i 1 1 ' f-300 -200 -100 0 100 200 300/7(Oe)图 N i Fe/Cu/Co/Cu多层膜的2.3掺碱土金属稀土锰氧化物的庞磁电阻关系，其中MR>106%图六是NiFe/Cu/蜜部多层膜的室温磁电阻曲线图七是Nd0.7Sr0.3MnO3薄膜样品的电阻率、磁电阻随温度变化关系该样品的MR>106%到目前为止，对RE1-xTxMnO3 (RE = La, Pr,Nd, Sm；T = Ca,Sr,Ba,Pb),在x = 0.2〜0.5范围都观测到CMR和铁磁性这种CMR的特点是：(1) 数值远大于多层膜的GMR2) 各向同性3) 负磁电阻性，即磁场增大，电阻率降低4) CMR总是出现在居里温度附近(TVTc),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5) 到目前为止，只有少部分材料的居里点高于室温6) 观察这类材料CMR的外加磁场比较高，一般需Tesla量级。

图12.1-9是一种掺银的La-Ca-Mn-样品的室温磁电阻曲线3. 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、双路ADC数据采集卡及软件，计算机，四探针样品夹具4. 实验方法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： 样品[⑹=所 + &7(?腴日 “其中是磁场方向与电流方向的夹角为保证电流有一确定方向，常用的方法是：(1)将样品 糖密恒电流电源 刻成细线，使薄膜样品的宽度远远小于长度2)用平 ： 行电极，当电极间距远小于电极长度时，忽略电极端效应，认为两电极间的电流线是平行的2. 用非共线四探针法测电阻值，如图八所示这种方法当数字微伏表内阻很大时，可以 忽略探针接触电阻的影响，已在半导体、铁氧体、超导体等的电测量中广泛使用测量AMR实验过程1. 将大功率恒流源与亥姆霍兹线圈连接2. 将样品装上四探针夹具，并作如图八所示连接3. 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4. 将毫特斯拉计探头固定在样品附近5. 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5〜15分钟，并作 校准。

6. 调整精密恒流源输出，使测量电流（流过样品的电流）为1〜10 0mA范围内的某个确 定电流，本实验中将电流调整为6mA7. 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8. 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9. 将样品夹具转9 0°固定好，确保电流方向与磁场方向垂直，再重复6—8步测量、记录5. 实验数据及讨论5.1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由上图可以看出，两条曲线分别对应着电流增大和减小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垂直时待测样品的AMR曲线当薄膜的面积大于探针间的距离时，金属薄膜的电阻率可以用下式给出：J71 V 1p = d1112 I其中d是薄膜的厚度，I是流经薄膜的电流，V式薄膜两探针之间的距离在本实验中，I是恒定值I=6mA而电压是实验中测得的值，因而只要知道了薄膜的厚度，就能准确测到 对应磁场下金属薄膜的电阻率由上图可以看出，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。

由公式忒"5履日可以得出顼）5.2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水平情况下同样出现双峰，且峰值没有与零点重合，原因与垂直情况下相同，上面已经 分析，同样由公式日）=所+ “8如可以计算出二广 +S再由实验数据可以得出垂直时的电压为5.603mv，平行时"的电压为5.589mv，对于平均值由公式.•…•二」- 一可以算出p av的电压值为5-598mv必二业二卜七了一在通过公式 ' "'可以算出所测磁电阻的 AMR=0.014/5.598=0.25%由于电压值正比于电阻率，所以上述计算中全部以电压值代替由下面公式ITT V「 p = dln2 I只要知道了薄膜的厚度就可以计算出电阻率薄膜的厚度在实验中可以测得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对于计数的步距，当电压变化比较小时，步距可以大一些，在实验中步距是按照0.5mv 计数的同样，当电流靠近零点时，此时电压的变化值比较大，因而步距要减小，实验中刚开 始是以0.2mv为步距的，发现实验误差比较大，因而后面减小步距，改为0.1mv计量。

减小 实验的误差，但是通过上图的实验图可以看出实验的误差还是比较大，因而最好再次减小步 距，但受限于实验仪器本身的精确度和人工计数的不便，因而实验中最好将扫描电流和所测 电压通过电脑XY记录仪与电脑相连，通过电脑来计数而减小误差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5.实验讨论与实验思考题5.1讨论实验误差，本次实验中有很多因素会导致实验有误差，首先温度会影响测量，测量过程中温 度是一直变化的，所以会导致测量得到的曲线不对称另外，磁场是近似认为是均匀场，实 际上不是，这也会造成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。