巨磁电阻效应及其应用

娄恩豪 2010301510012

实验目的

了解GMR效应的原理

测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线

测量GMR的磁阻特性曲线

测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线

用GMR传感器测量电流

用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理

通过实验了解磁记录与读出的原理

实验原理

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=rl/S中，把电阻率r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。早在1936年，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott指出，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2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。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。

图3是图2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 ΔR/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。

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巨磁电阻效应及其应用

    巨磁电阻( Giant magneto resistance, 简称GMR)效应表示在一个巨磁电阻系统中, 非常弱小的磁性变化就能导致巨大的电阻变化的特殊效应. 法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔( Peter Grunberg )因分别独立发现巨磁阻效应而共同荣膺20##年诺贝尔物理学奖.

GMR是一种量子力学和凝聚态物理学现象, 是磁阻效应的一种, 可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到. 在量子力学出现后, 德国科学家海森伯(W. Heisenberg, 1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用, 这个交换作用是短程的, 称为直接交换作用. 随后, 科学家们又发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物也具有反铁磁有序状态, 即在有序排列的磁材料中, 相邻原子因受负的交换作用, 自旋为反平行排列, 如图1所示. 此时磁矩虽处于有序状态, 但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零. 这种磁有序状态称为反铁磁性. 反铁磁性通过化合物中的氧离子(或其他非金属离子)将最近的磁性原子的磁矩耦合起来, 属于间接交换作用. 此外, 在稀土金属中也出现了磁有序, 其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层. 相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径, 所以稀土金属中的传导电子担当了中介, 将相邻的稀土原子磁矩耦合起来, 这就是RKKY型间接交换作用.

直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm, 间接交换作用可以长达1nm以上. 据此美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念．所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料, 其特点是这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长. 上世纪八十年代, 制作高质量的纳米尺度样品技术的出现使得金属超晶格成为研究前沿. 因此凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序, 层间耦合, 电子输运等进行了广泛的基础方面的研究. 其中相关的代表性研究工作简介如下.

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巨磁电阻效应及其应用

20##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、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。”

凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。

人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。

图 1  反铁磁有序

后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如图 1所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。

直接交换作用的特征长度为0.1～0.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。

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磁阻效应

  磁阻器件由于其灵敏度高、抗干扰能力强等优点在工业、交通、仪器仪表、医疗器械、探矿等领域应用十分广泛，如：数字式罗盘、交通车辆检测、导航系统等。磁阻器件品种较多，可分为正常磁电阻，各向异性磁电阻，特大磁电阻，巨磁电阻和隧道电阻等。其中正常磁电阻的应用十分普遍。锑化铟（InSb）传感器是一种价格低廉、灵敏度高的正常磁电阻，有着十分重要的应用价值。它可用于制造在磁场微小变化时测量多种物理量的传感器。本实验使用两种材料的传感器，砷化镓（GaAs）测量磁感应强度和研究锑化铟（InSb）在磁感应强度变化时的电阻，融合霍尔效应和磁阻效应两种物料现象。

实验目的

（1）了解磁阻现象与霍尔效应的关系与区别；

（2）测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系；

（3）作出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系曲线。

实验仪器

磁阻效应实验仪。

实验原理

   在一定条件下，导电材料的电阻R随磁感应强度B的变化规律称为磁阻效应。

   当材料处于磁场中时，导体或半导体内的载流子将受洛伦兹力的作用发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛伦兹力作用刚好抵消，那么大于或小于该速度的载流子将发生偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数目将减少，电阻增大，表现横向电阻效应。

  通常以电阻率的相对该变量来表示磁阻的大小，即用表示，其中表示零磁场是的电阻率，设磁电阻阻值在磁感应强度为B中的电阻率为，则，由于磁阻传感器电阻的相对变化率正比于，这里，因此也可以用磁阻传感器电阻的相对变化量来表示磁阻效应的大小。

   实验证明，当金属或半导体处于较弱磁场中时，一般磁阻传感器电阻相对变化率正比于磁感应强度B的平方，而在强磁场中与磁感应强度B呈线性函数关系。磁阻传感器的上述特性在物理学和电子学方面有着重要的应用。

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各向异性磁电阻、巨磁电阻测量

一．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，其中和分别表示在磁场Ｈ中和无磁场时的电阻率。磁电阻的大小常表示为：

其中可以是或。

绝大多数非磁性导体的MR很小，约为10-5％，磁性导体的MR最大约为3％～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（Anisotropy magnetoresistance，简记为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（giant magnetoresesistance， 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%，见图12.1-2。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（Tunneling magnetoresistance简记为TMR）。

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（Colossal magnetoresistance，简记为CMR）。

二、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CMR。

2、初步掌握室温磁电阻的测量方法。

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巨磁电阻效应及应用    实验内容与操作

一、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10是某型号传感器的结构。

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10中，将处在电桥对角位置的两个电阻R₃、R₄ 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R₁、R₂ 阻值随外磁场改变。设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R，R₁、R₂ 在外磁场作用下电阻减小ΔR，简单分析表明，输出电压：

U_OUT = U_INΔR/（2R-ΔR）     （2）

屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R₁、R₂电阻所在的空间,进一步提高了R₁、R₂ 的磁灵敏度。

从图10的几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至kΩ数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。

图11是某GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线。图12是磁电转换特性的测量原理图。

图12 模拟传感器磁电转换特性实验原理图

实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。

将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，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“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。

按表1数据，调节励磁电流，逐渐减小磁场强度，记录相应的输出电压于表格“减小磁场”列中。由于恒流源本身不能提供负向电流，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，此时流经螺线管的电流与磁感应强度的方向为负，从上到下记录相应的输出电压。

电流至－100mA后，逐渐减小负向电流，电流到0时同样需要交换恒流输出接线的极性。从下到上记录数据于“增大磁场”列中。

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肇   庆   学   院

              肇   庆   学   院

电子信息与机电工程学院普通物理实验  课 实验报告

    级  班   组 实验合作者  实验日期 

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     实实验原理：

1．桥式电路的基本结构。

    电桥的构成包括四个桥臂（比例臂R₂和R₃，比较臂R₄，待测臂R_x），“桥”——平衡指示器（检流计）G和工作电源E。在自组电桥线路中还联接有电桥灵敏度调节器R_G（滑线变阻器）。

2．电桥平衡的条件。

      惠斯通电桥(如图1所示)由四个“桥臂”电阻（R₂、R₃、R₄、和R_x）、一个“桥”（b、d间所接的灵敏电流计）和一个电源E组成。b、d间接有灵敏电流计G。当b、d两点电位相等时，灵敏电流计G中无电流流过，指针不偏转，此时电桥平衡。所以，电桥平衡的条件是：b、d两点电位相等。此时有

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