南京大学物理系实验报告

题目  实验10.1  各向异性磁电阻测量

姓名 朱瑛莺      2014年5月16日    学号 111120230

摘要

通过对磁性合金的各向异性磁电阻的测量，初步了解磁电阻的一些特性，同时掌握室温磁电阻的测量方法。

关键词：磁电阻，外磁场，磁滞，热效应

一、引言

材料的电阻率随着外加磁场的不同而改变的现象就是磁电阻效应。我们把磁场引起的电阻率变化写成

其中和分别表示在磁场H中和没有磁场时的电阻率。磁电阻的大小常表示为：

其中可以是或，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（AMR）。

此后人们陆续发现了，MR很大的巨磁电阻（GMR）效应和庞磁电阻（CMR）效应，以及隧道结磁电阻（TMR）

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

材料的磁电阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。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，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：

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，通常取：

对于大多数材料，故：

如果，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。图-1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,各向异性明显。图中的双峰是材料的磁滞引起的。

图-2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。

实验仪器

亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字万用表等。

实验注意事项

1、亥姆霍兹线圈中通的电流比较大，因而不能长时间让线圈工作在强电流下，以免烧毁线圈。所以读数时间需要控制，取样点不宜过多；

2、实验结束时要将各个电源归零，关闭数字万用表。

3、在记录过程中，在样品电压变化缓慢的区域，线圈电流可以变化的快一些，在样品电压变化快的区域，线圈电流要缓慢变化。每组取样点控制在60个左右。

4、有时数据有明显跳动，这样的点不能选取，需要寻找下一个读数稳定的点；

四、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-3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-3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度固定好，确保电流方向与磁场方向垂直，再重复e-j步测量、记录。 

五、实验结果与分析

电流与磁场方向平行：

记录的数据用origin作图如图-4：

图-4 平行磁场时电压与磁场变化关系图

由实验原理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：

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，因而电压与电阻率成正比，实验测得电压随磁场的变化与电阻率随磁场变化情况一样。

图中的两个谷值为6.632mV和6.652mV，取平均为6.642mV，又电流为6mA,有：

。

图中的三个饱和值为6.807mV,6.829mV,6.840mV,取平均为6.825mV,有：。

电流与磁场方向垂直：

记录的数据用origin作图如图-5所示：

图-5 垂直磁场时电压与磁场变化关系图

  同样，图中两个峰值为6.642mV和6.650mV,取其平均为6.646mV。三个饱和值为6.540mV,6.551mV,6.556mV,其平均值为6.549mV。所以有：

  结合平行时的数据，有：

数据分析：

1、     在理想情况下，双峰或双谷应关于原点对称，但在该实验中，双峰和双谷关于原点有明显的偏移，这可能由样品的磁滞回线不对称引起，也可能由仪器的系统误差引起。

2、    其次我们发现第一次的峰值（谷值）总是比第二次的峰值（谷值）小，这是因为随着测量时间的推移，测得的磁电阻曲线有明显向高电阻方向移动的趋势。这是由于样品通电后会产生焦耳热，随着时间的推移，样品温度逐渐升高，电阻率变大。由于第一次测量取点较多，时间较长，可以看出，其两次峰值的差也较多，与理论符合。

3、    两次实验开始和最终的饱和电压值都不一样，这也有可能是因为磁滞的缘故还有可能是因为材料在此电压下还没有能达到饱和状态。更大的影响也是因为存在焦耳热对电阻率的正作用，导致一定时间后电阻率增加。由于开始测量时热效应较微弱，电压值也较小，等一个周期的时间过去，热效应变大，回到起始点时电压值也变大。

4、    从数据结果来说，在电流平行和垂直于磁场时，的值相差很小，说明数据峰谷的读数较为准确。我们在计算中用两次平均值的方式比较合理。

5、    将实验结果带入中有：

，

        我们推导AMR公式的时候做了的近似，这样看来，近似带来了一定的误差。误差产生的原因是样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布并非完全各向同性。

六、误差分析

1、实验中实验仪器存在系统误差。实验仪器的精度会产生一定误差，还有读书时有可能数据并不稳定，也产生了一定的误差。

2、在计算中做了近似，比如，在本次实验中这样的近似，对AMR产生的误差约为AMR计算值的。可见近似产生的误差很小，在一般情况下可以忽略。

3、前面分析过，随着测量时间的推移，测得的磁电阻曲线有明显向高电阻方向移动的趋势。电阻率增幅可高达到1%左右，而实验最终的AMR也不过才4.15%，可见测量时间越长，由热效应引起的误差越大越不可忽略。在读取平行方向和垂直方向的饱和电压值时，我们对起始点和结束点的电压值取了平均，其实这并不合理。热效应对电阻率的影响到时第一次读数比第二次读数更加准确，取平均导致饱和电压值偏高。但是由于计算AMR时有，分母上两次饱和电压值相减，消除了误差。

4、由于有测量步长的限制，所取的点不能完全反应材料的特性，特别是在峰值或估值附近，数据变化太明显，虽然减少了步长，但是并不能准确读出峰值或谷值，仍然存在一定的误差。

七、思考题

1、测量AMR后计算出的，是否相同，如不同说明什么问题？ 

不同，说明样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布并非完全各向同性。

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？

手动测出的磁电阻曲线相对于自动测出的磁电阻曲线有明显的基线漂移，即随着测量时间的增加，测得的曲线明显向高电阻方向移动。原因在于手动测量时间长，电流通过样品产生的热效应不可忽略，样品温度有显著升高，使其电阻率明显变大。   

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？ 

手动测量时，测量电流不应太大，否则热效应带来的影响过于突出；自动测量时，由于测量时间短，测量电流可以稍大，以达到较好的实验精度。

4、测量中如何减小热效应对测量的影响？

1. 测量应尽量迅速，控制取点数目；

2. 测量时样品应处于良好通风环境中；

3. 必要时可以采用有关的恒温设备。

5、样品夹具采用材料有何要求？ 

材料应该不具有铁磁性，在外加磁场的作用下，其磁性变化应越小越好。

八、实验小结

 本次实验锻炼了我们的动手能力，将一定磁场条件下材料电阻率的改变用电压，电流等容易测量的量来表征。通过在密集数据点处改变步长，近似求解等方法，近似测量了磁电阻，并对数据特征和可能的对应原理进行一一分析。

九、参考文献

1、黄润生等，近代物理实验(第二版)，南京大学出版社。

附录：原始数据

第二篇：南京大学 光磁共振实验报告

光磁共振

引言

实验目的

实验原理

实验装置

实验内容

经过我们的测量以及计算实验结果

1、            地磁场垂直分量

垂直线圈电压:

1.48V；

磁感应强度

B_地垂直=1.71*10^-5T。

2、            铷原子基态朗德因子gf和核自旋量子数I

水平线圈电压:

6.53V,

对应磁感应强度

B_水平=1.235*10^-4T。

(1) Rb⁸⁵

V₁=945.7kHz,

V₂=290.2kHz,

与B_水平对应的频率

v=617.95kHz,

g_f=0.36，

I=2.27。

(2) Rb⁸⁷

V₁=1415.5kHz,

V₂=425.7kHz,

与B_水平对应的频率

v=920.6kHz,

g_f=0.53，

I=1.39。

3、            地磁场水平分量和倾角

水平线圈电压:

6.53V,

对应磁感应强度

B_水平=1.235*10^-4T。

(1) Rb⁸⁵

V₃=654.0kHz，

与B_地水平对应的频率v=145.85kHz，

B_地水平=2.90*10^-5T。

(2) Rb⁸⁷

V₃=989.9kHz，

与B_地水平对应的频率

v=212.8kHz，

B_地水平=2.87*10^-5T。

取平均值

B_地水平=2.88*10^-5T。

之前已测得

B_地垂直=1.71*10^-5T，

所以B_地=3.35*10^-5T，

tanθ=0.59.

 

 

 

 

 

 

 

注意事项

思考题

参考文献