薄膜材料磁電阻效應(yīng)測試儀簡介

1、薄膜材料磁電阻效應(yīng)測試儀簡介引言:用巨磁電阻(GMR 和各向異性磁電阻(AMR 磁性薄膜材料制作的計(jì)算 機(jī)硬盤讀出磁頭和各種弱磁傳感器, 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于信息技術(shù)、 工業(yè)控制、 航海 航天導(dǎo)航等高新技術(shù)領(lǐng)域。 BKT-1H 薄膜材料磁電阻效應(yīng)測試儀系統(tǒng)控制主機(jī)是 專門為薄膜材料磁電阻測試而設(shè)計(jì)的,它將多塊測量儀表及調(diào)節(jié)指示集于一體, 將復(fù)雜的儀表之間連線化為主機(jī)內(nèi)部的 PCB 板集線控制,將儀表之間信號(hào)串?dāng)_ 和外部共模干擾對(duì)信號(hào)采集處理的影響降到最低,大大提高了儀器測量的精度。 高精度的數(shù)據(jù)采集器通過流行的 USB 接口與計(jì)算機(jī)相連極大地方便了用戶的使 用。 薄膜材料磁電阻效應(yīng)測試儀一.薄膜材料

2、磁電阻效應(yīng)測試儀的原理 1. 磁性薄膜的磁電阻效應(yīng)磁電阻效應(yīng) MR 是指物質(zhì)在磁場的作用下電阻發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。 表征磁 電阻效應(yīng)大小的物理量 MR ,其定義為00-M R = (1其中 和 0分別表示物質(zhì)在某一不為零的磁場中和磁場為零時(shí)的電阻率。 磁電阻效應(yīng)按磁電阻值的大小和產(chǎn)生機(jī)制的不同可以分為:正常磁電阻效應(yīng) (OMR 、各向異性磁電阻效應(yīng)(AMR 、巨磁電阻效應(yīng)(GMR 和超巨磁電阻 較硬(CMR 等。(1 正常磁電阻效應(yīng)正常磁電阻效應(yīng)(OMR 為普遍存在于所有金屬中的磁場電阻效應(yīng),它由英國物理學(xué)家 W.Thomson 于 1856年發(fā)現(xiàn)。其特點(diǎn)是:a. 磁電阻 MR0b. 各向異性

3、,但 / (/和 分別表示外加磁場忽然電流方向垂直及平行時(shí)的電阻率c. 當(dāng)磁場不高時(shí), MR 正比于 2HOMR 來源于磁場對(duì)電子的洛侖茲力,該力導(dǎo)致載流體發(fā)生偏轉(zhuǎn)或產(chǎn)生螺旋 運(yùn)動(dòng),因而使電阻升高。大部分材料的 OMR 都比較小。 (2 各向異性磁電阻效應(yīng)在居里點(diǎn)以下, 鐵磁金屬的電阻率隨電流 I 與磁化強(qiáng)度 M 的相對(duì)取向而異, 稱為各向異性磁電阻效應(yīng)。即 /。各向異性磁電阻值通常定義為: /0-AM R = (2低溫 5K 時(shí), 鐵、 鈷的各向異性磁電阻值約為 1%, 而坡摸合金 (8119N i Fe 為 15%,室溫下坡莫合金的各向異性磁電阻值仍有 2-3%。圖 1所示為厚度為 200

4、nm 的 NiFe 單層薄膜的磁電阻變化曲線。 圖 1 NiFe單層薄膜的磁電阻變化曲線(3 磁性金屬多層薄膜中的巨磁電阻效應(yīng)1986年,德國科學(xué)家 P.Grunberg 和法國科學(xué)家 A.Fert 制成 Fe/Cr/Fe三層 薄膜和 Fe/Cr超晶格薄膜。其中,每個(gè)單層薄膜厚度只有幾個(gè)納米。 1988年 Baibich etal 報(bào)道:低溫下 (T=4K , 外場為 20KOe 時(shí), 用分子外延 (MBE 方法生成 (Fe3.0nm/Cr0.9nm 多層膜中電阻的變化率達(dá) 50%. 這種巨大的 磁電阻效應(yīng)稱為巨磁電阻效應(yīng),簡記為 GMR 。這種效應(yīng)立即引起了各國科學(xué)家的注意,人們紛紛從理論上

5、和實(shí)際上對(duì)其加以研究。 Binasch 等人報(bào)道了 (Fe2.5nm/Cr1.0nm/Fe25.9nm 三明治結(jié)構(gòu)當(dāng) Cr 層厚度合適時(shí), 兩 Fe 層 之間存在反鐵磁耦合作用。 類似的反鐵磁耦合和大的磁電阻效應(yīng)也在 Co/Ru和 Co/Cr等多層結(jié)構(gòu)中被觀察到。 1991年 Dieny B 獨(dú)辟蹊徑,提出鐵磁層 /隔離層 /反鐵磁層自旋閥結(jié)構(gòu),并首先在 NiFe/Cu/NiFe/FeMn中發(fā)現(xiàn)了一種 低飽和場巨磁電阻效應(yīng)。 隨后, 人們在納米顆粒膜、 亞穩(wěn)態(tài)合金膜、 氧化膜 及磁隧道結(jié)多層膜等材料中也發(fā)現(xiàn)了 GMR 效應(yīng)。目前, GMR 的研究正向物理 學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域滲透,并推動(dòng)納米材料科學(xué)的

6、進(jìn)一步發(fā)展?；?Mott 的二流體模型可以對(duì)這種磁電阻進(jìn)行簡單解釋。載流子自旋 方向與鐵磁層少數(shù)自旋子帶電子方向平行時(shí), 受到的散射就強(qiáng), 對(duì)應(yīng)電阻值 大;而自旋方向與鐵磁層多數(shù)自旋子帶電子方向平行時(shí),受到的散射就弱, 對(duì)應(yīng)電阻值小。 當(dāng)相鄰鐵磁層反平行時(shí), 在一個(gè)鐵磁層中受散射較弱的電子 進(jìn)入另一鐵磁層后必定遭受較強(qiáng)的散射, 故從整體上說, 所有電子都遭受較 強(qiáng)的散射,表現(xiàn)為電阻 R H 較大;而當(dāng)相鄰鐵磁層磁矩趨于平行時(shí),雖然和 鐵磁層少數(shù)自旋子帶電子的自旋方向平行的電子受到極大的散射, 但是和鐵 磁層多數(shù)自旋子帶電子的自旋方向平行的電子在所有鐵磁層中受到的散射 都弱,相當(dāng)于構(gòu)成了短路狀

7、態(tài),表現(xiàn)為電阻 R L 較小。這兩種狀態(tài)的電阻分 別為:H p H R R R =R +RL L (3 H A p R +RR =2L(4磁電阻為:2p ApH ApH R -R R -R M R =R R -R L L (52. 磁性薄膜磁電阻的測量由于鐵磁金屬薄膜的磁電阻較低,所以,它的電阻率的測量需要采用四端 接線法, 以避免電極接觸電阻對(duì)測量結(jié)果的影響。 為了方便四端接線法已經(jīng)發(fā)展 成四探針法, 測量時(shí)讓四探針的針尖同時(shí)接觸到薄膜表面上, 對(duì)距離相等直線型 四探針, 恒流源從最外面兩個(gè)探針流入, 從另外兩個(gè)探針測量電壓。 在薄膜的面積為無限大或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于四探針中相鄰探針間距的時(shí)候金屬薄膜

8、的電阻率 F 可以 有下式給出:V dln 2I F =(6公式(6中, d 是薄膜的厚度, I 是流經(jīng)薄膜的電流, v 是電流流經(jīng)薄膜時(shí) 產(chǎn)生的電壓。直線型四探針不能測量薄膜的各向異性磁電阻(AMR ,必須采用非共線四 探針來測量薄膜各向異性磁電阻效應(yīng)。 圖 4 電流探針與電壓探針位置圖如圖 4所示,四探針測量中兩個(gè)電流探針位置為 I (-x0,y0 , II(x0,y0 提供電流源,兩個(gè)電壓位置在 Q (-x , 0 、 P (x , 0獲取電壓。假設(shè)恒流 源電流為 I ,電流探針接觸膜面區(qū)域?yàn)闊o限小,電流密度 J 在膜厚度 t 內(nèi)是均勻 的,且薄膜為無限大,則薄膜上任一點(diǎn)電勢為:22x

9、00y 22x 00yx+x+y x y =x-x +y ( -y (, ( -y (7式中 x y 分別是金屬薄膜在 x 和 y 方向的電導(dǎo)率,如果電壓探針位置為 Q (-x , 0 、 P (x , 0 ,則 (, (, 0 (, 0 (, 0 q p q Q x x x =-。有(2式得出x 22x00y(, 22x00yx+x+(, 0 2x-x +q px=( y( y(8可以推出 與 (, q p之間的關(guān)系為(, /(, (, /(, 11( /2q p q pq p q pM r M r-=+(, q p(9 其中 Mr 為探針因子。1/1/ln lnr rM r yr r-+-

10、+-=(10r r-+和 定義為22220000=; =r y r y-+(x-x (x+x (11 二.薄膜材料磁電阻效應(yīng)測試儀的結(jié)構(gòu) 圖 5 薄膜材料磁電阻效應(yīng)測試系統(tǒng)框圖薄膜材料磁電阻效應(yīng)測試系統(tǒng)框圖如圖 5所示。恒流源可以提供 0.01-50毫安的工作電流;電壓信號(hào)通過 2182納伏表測定;掃場電源給亥姆霍茲線圈提 供緩變的勵(lì)磁電流, 使之在樣品區(qū)產(chǎn)生均勻的磁場。 亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場由 取樣電阻經(jīng)過定標(biāo)后, 通過 2000毫伏表實(shí)時(shí)測定; 2182和 2000通過 IEEE-488標(biāo)準(zhǔn)接口與電腦相連, 通過程序控制自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)并輸入電腦。 樣品臺(tái)與下面的 360度刻度盤連接,樣品可

11、以在水平面內(nèi)自由旋轉(zhuǎn)。三. 磁電阻測試儀(MR Test操作步驟與注意事項(xiàng)注意:本儀器是精密測量儀器, 電壓量程在 V 量級(jí)。 整個(gè)調(diào)節(jié)和測量過程中，需小心輕緩，不可倚靠或晃動(dòng)整個(gè)測量臺(tái)面。 1. 依次打開電腦、掃描電源和恒流源，掃描電源和恒流源需預(yù)熱 1015 分鐘。 2. 放置樣品。首先將四探針均勻水平輕輕抬起，接著將樣品放置在樣品臺(tái)上， 然后輕輕放下四探針壓住樣品，盡量使四探針位于樣品的中心。放置樣品時(shí)， 注意使易磁化方向與所加的磁場方向垂直。樣品被四探針壓好后，不可再移 動(dòng)樣品。 3. 打開電腦界面的 MR test 軟件。 4. 將輸入電流開關(guān)扳到下檔，依據(jù)需求在恒流源面板上調(diào)節(jié)輸入

12、電流（不得超 過 4mA） ，然后把開關(guān)扳上。特別注意：調(diào)節(jié)時(shí)，電流開關(guān)必須置于下檔。調(diào) 好所需的電流后，將電流開關(guān)扳到上檔，此時(shí)禁止再動(dòng)調(diào)節(jié)旋鈕。電流設(shè)置 不得超過 4mA。需要重新調(diào)節(jié)電流大小的話，一定要將電流開關(guān)扳下后方可 調(diào)節(jié)。 5. 設(shè)置掃描電源。主要調(diào)節(jié)所需的掃描場的大?。ú坏贸^ 8A）和掃描速度。 設(shè)置最大磁場時(shí)，先按“Max”按鈕，接著通過調(diào)節(jié)按鈕直到達(dá)到所需的值， 最后按“enter”按鈕保存設(shè)置，注意最大設(shè)置磁場電流不得超過 8A。設(shè)置 掃描速度時(shí)，先按“Rate”按鈕，接著通過調(diào)節(jié)按鈕直到達(dá)到所需的值，最 后按“enter”按鈕保存設(shè)置。 6. 通過電腦上的 MR Test 軟件界面，選擇所需的測量模式，將 x 軸比例改為 0.163，再依據(jù)需求選擇采樣間隔，測量電壓量程。測量模式中 V-H 模式顯示 測量電壓隨掃描磁場的變化關(guān)系；x-t 模式顯示掃描磁場大小隨時(shí)間的變化 關(guān)系；y-t 模式顯示測量電壓隨時(shí)間的變化關(guān)系。x 軸比例為 0.163Oe/mV。 電壓量程為測量電壓的量程，可根據(jù)恒流源上測量電壓的顯示來判斷量程選 擇。 7. 檢查樣品已放置好、恒流源已經(jīng)調(diào)節(jié)好，并且開關(guān)已經(jīng)扳上、掃描場大小和 速率調(diào)