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。

三．实验原理

众所周知，磁学是研究具有交换作用的电子自旋系统的合作磁性行为，而电了学是研究带有正或负电荷的载流子系统的电行为的。可是近年来，纳米科学技术和介观物理学的发展出现了一些需要磁学和电子学联合作用才能解释的新现象、新原理和新器件，如1988年发现的比各向异性磁电阻（AMR）效应的电阻变化大得多的巨磁电阻（GMR）效应，前者的电阻变化（△R/R）值为1%~2%，后者高达60%；1993年又在类钙钛石型结构的稀土锰氧化物中观测到了庞磁电阻（Colossal magnetoresistance,CMR）效应，其电阻变化又比GMR大，其△R/R值可达103~106；新近发现的隧道结巨磁电阻（tunneling magnetoresistance,简称TMR）效应，已引起世界各国的极大关注。IBM和富士公司已研制出△R/R为22%和24%的TMR材料，它们不但涉及磁学和电子学，而且将在小型化和微型化高密度磁记录读出头、随机存取存储器和传感器中获得重要应用。又如纳米磁粉、磁膜的介观磁性都涉及到复杂的动力学、磁有序系统的电子微结构理论计算、微磁显微与模型。
    所以磁电子学的产生是以GMR、CMR和TMR效应的发现及材料研究和应用为基础的。我国的磁电子学方面的多层膜、颗料膜、类钙钛矿型氧化物的GMR和磁光效应，层间耦合研究上取得了进展，在高密度记录、磁学信息存储，汽车，数控机床、自动控制系统中有着十分广泛而重要的应用，是一类高新技术的基础，国外正由基础研究向应用、开发和产业化方向发展。

微电子、光电子、光电子学都是利用了电子导电的群体行为，而电子所具有的自旋却未得到发挥。采用自旋结技术的双极自旋晶体管就是采用一种由铁磁性——非磁性——铁磁性金属（F1-N-F2）三层几何结构的厚膜技术（图1），其结果就是一个具有依赖于F1和F2磁化方向的双极电压（或电流）输出的三端电流偏置器件，它是一种在非磁性层中自旋极化电子以有效塞曼能描述的热力学力驱动的有源器件。这种新型磁性晶体管显示出了许多独特的优越性能，如作成边长为100nm的芯片，其集成度为硅器件的100倍、GaAs的10~100倍;功耗可低至0.5μW；开关时间接近1nS；温度稳定性高；它可以有效地进行电流放大，应用到非易失性RAM、逻辑、LSI等装置上作为新型计算机和信息系统的重要组成部分。

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Δρ∥＝ρ∥－ρ(0)及Δρ⊥＝ρ⊥－ρ(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ρ(0)与平均值ρav＝1/3(ρ∥＋2ρ⊥)相等。大多数材料ρ∥>ρ(0)，故

AMR常定义为

如果ρ0≠ρav，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。

四、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。

五、实验内容

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:

 

其中θ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-10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：

1.测量Fe-Ni薄膜的AMR。

a.将大功率恒流源与亥姆霍兹线圈连接。

b.将样品装上四探针夹具，并作如图-9所示连接。

c.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。

d.将毫特斯拉计探头固定在样品附近。

e.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。

f.调整精密恒流源输出，使测量电流（流过样品的电流）为1~100mA范围内的某个确定电流，具体大小视样品情况与测量仪表精度决定。

g.调节大功率恒流源输出电流，从零开始，逐点增大，以改变磁场大小，逐点记录大功率恒流源输出电流值、毫特斯拉计显示的磁场大小、数字微伏表显示的电压值。注意开始时磁场变化的步距要小。

h.当磁场继续增大，微伏表显示电压值基本不变时，将大功率恒流源输出电流逐点减小，仍作上述记录。

i.当大功率恒流源输出电流降到零时，将输出极性反向。

j.再重复g、h两步测量、记录。

k.将样品夹具转90°固定好，确保电流方向与磁场方向垂直，再重复e-j步测量、记录。

n.将手动测量记录的数据，绘制R-H曲线（横坐标为磁场大小，纵坐标为电阻大小）。

o.计算出ρav，饱和磁化时间Δρ∥、Δρ⊥以及AMR。

六、实验记录

I=6mA

平行时获得的图像：

垂直时获得的图像：

数据记录附于后面。

由于电流I保持不变，电压的变化亦为电阻R的变化。

计算：

对于给定的合金材料，在测量中，忽略温度导致的线度改变，可以认为电阻率变化的比值与电阻变化的比值相等同。同时两次测量通过材料的电流恒定，电阻变化的比值与材料两端电压变化的比值相等。故有：

电流方向与磁场方向平行时，趋近磁饱和时，测量电压趋近于固定值，可求得：

mV

同理，在电流方向与磁场方向垂直时，趋近磁饱和时，测量电压趋近于固定值，可求得：

mV

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ρ(0)与平均值ρav＝1/3(ρ∥＋2ρ⊥)相等。于是可得：

mV

于是，计算该材料在室温下AMR如下：

*100%=5.52%

七、思考题

1、测量AMR后计算出的ρav、ρ（０）是否相同，如不同说明什么问题？

 答：若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对此电阻的贡献较小，则ρav＝ρ（０），此时ρav＝ρ（０）；如果ρ∥≠ρ⊥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，此时ρav≠ρ（０）

经测量ρ∥≠ρ⊥，因此ρav≠ρ（０）。这说明了实验所用的样品材料磁畴分布不是完全各向同性的，而是各向异性的。

2、按前述步骤手动测出的磁电阻曲线与自动测出的磁电阻曲线有何异同，为什么？

  答：未进行自动测量。

3、手动测量与自动测量时，如何更好地选取流过样品的测量电流大小?

答：手动测量时，调整精密恒流源输出，使测量电流稳定在一定范围内的某个确定电流上。本实验应让电流取在3mA-5mA范围内（实际情况稳定为4mA），这是由具体样品情况和测量仪表精确度决定的。如果电流选取过大，电流热效应会导致样品电阻显著增大从而影响实验结果；若电流选取过小，则会影响到实验精度，且电流发生的任何微小偏差都会对实验结果造成较大影响。

4.测量中如何减小热效应对测量的影响?

  答：实验时为减少热效应，应尽量降低测量电流，因此在实验前应根据测量精度需要选择合适的测量电流；注意仪器散热，在不进行测量时将实验仪器关闭散热。实验前启动仪器进行预热。另外，在保证实验记录准确的情况下，应尽量在短时间内完成实验，从而降低热效应对电阻值的影响。

5.样品夹具采用材料有何要求?

  答：样品夹具材料应尽可能地不对实验产生影响，因此应避免使用导电或具有磁性的材料。样品夹具必须有电阻率小，接触电阻小，夹取牢固的要求。电阻率小，是为了减少夹具的电流热效应对于样品的影响。接触电阻小是为了减小接触电阻对于样品电阻测量的影响。夹取牢固是为了减小测量过程中样品的任何形式的移动从而对测量产生的影响。

八、实验讨论

1、观察实验测得图像，对比书上的图像，可以看出本次实验的误差还是很大的。其中最显著一点就是实验测得的电阻随时间变化具有明显的上升趋势。至于造成测量电阻随时间变化而上升的原因，应该主要是源于电流的热效应。由于有测量电流通过样品，随时间增加，电阻温度升高从而引起电阻值升高

2、实验时无法精确控制样品与磁场之间的角度，只能使样品大致与磁场平行与垂直。这使得我们实际测量的U-I图像并非理论上的垂直与平行时的U-I图像，而是与真正的垂直与平行位置成一定小角度夹角时的图像。

3、应进一步减小0电流附近的测量步长。在较大电流时可增大步长。

4、 如果需要重复实验，则在实验间应留出时间时样品降温之后再进行实验。在实验之前要确定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，待电压表显示到达稳定后再开始记录。

第二篇：巨磁电阻实验图表

（ Excel作图 ）

（ Excel作图 ）