巨磁電阻實(shí)驗(yàn)

1、巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用 巨磁電阻( Giant magneto resistance, 簡稱GMR)效應(yīng)表示在一個(gè)巨磁電阻系統(tǒng)中, 非常弱小的磁性變化就能導(dǎo)致巨大的電阻變化的特殊效應(yīng). 法國科學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾(Albert Fert)和德國科學(xué)家彼得·格林貝格爾( Peter Grunberg )因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而共同榮膺2007年諾貝爾物理學(xué)獎. GMR是一種量子力學(xué)和凝聚態(tài)物理學(xué)現(xiàn)象, 是磁阻效應(yīng)的一種, 可以在磁性材料和非磁性材料相間的薄膜層（幾個(gè)納米厚）結(jié)構(gòu)中觀察到. 在量子力學(xué)出現(xiàn)后, 德國科學(xué)家海森伯(W. Heisenberg, 1932年諾貝爾獎得主)

2、明確提出鐵磁性有序狀態(tài)源于鐵磁性原子磁矩之間的量子力學(xué)交換作用, 這個(gè)交換作用是短程的, 稱為直接交換作用. 隨后, 科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)很多的過渡金屬和稀土金屬的化合物也具有反鐵磁有序狀態(tài), 即在有序排列的磁材料中, 相鄰原子因受負(fù)的交換作用, 自旋為反平行排列, 如圖1所示. 此時(shí)磁矩雖處于有序狀態(tài), 但總的凈磁矩在不受外場作用時(shí)仍為零. 這種磁有序狀態(tài)稱為反鐵磁性. 反鐵磁性通過化合物中的氧離子(或其他非金屬離子)將最近的磁性原子的磁矩耦合起來, 屬于間接交換作用. 此外, 在稀土金屬中也出現(xiàn)了磁有序, 其中原子的固有磁矩來自4f電子殼層. 相鄰稀土原子的距離遠(yuǎn)大于4f電子殼層直徑, 所以稀土

3、金屬中的傳導(dǎo)電子擔(dān)當(dāng)了中介, 將相鄰的稀土原子磁矩耦合起來, 這就是RKKY型間接交換作用. 直接交換作用的特征長度為0.10.3nm, 間接交換作用可以長達(dá)1nm以上. 據(jù)此美國IBM實(shí)驗(yàn)室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念所謂的超晶格就是指由兩種（或兩種以上）組分（或?qū)щ婎愋停┎煌?、厚度極小的薄層材料交替生長在一起而得到的一種多周期結(jié)構(gòu)材料, 其特點(diǎn)是這種復(fù)合材料的周期長度比各薄膜單晶的晶格常數(shù)大幾倍或更長. 上世紀(jì)八十年代, 制作高質(zhì)量的納米尺度樣品技術(shù)的出現(xiàn)使得金屬超晶格成為研究前沿. 因此凝聚態(tài)物理工作者對這類人工材料的磁有序, 層間耦合, 電子輸運(yùn)等進(jìn)行了廣泛的基礎(chǔ)方面的研究. 其中

4、相關(guān)的代表性研究工作簡介如下.其一是德國尤利?？蒲兄行牡奈锢韺W(xué)家彼得·格倫貝格爾. 他一直致力于研究鐵磁性金屬薄膜表面和界面上的磁有序狀態(tài), 其研究對象是一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)的薄膜, 兩層厚度約10nm的鐵層之間夾有厚度為1nm的鉻層. 之所以選擇選擇這一材料系統(tǒng), 首先是因?yàn)榻饘勹F和鉻是周期表上相近的元素, 具有類似的電子殼層, 容易實(shí)現(xiàn)兩者的電子狀態(tài)匹配. 其次, 金屬鐵和鉻的晶格對稱性和晶格常數(shù)相同, 它們之間晶格結(jié)構(gòu)相匹配. 這兩類匹配非常有利于對基本物理過程進(jìn)行探索. 盡管如此, 長期以來該課題組所獲得的三明治薄膜僅為多晶體. 隨著制備薄膜技術(shù)的發(fā)展, 分子束外延(MBE)方法的

5、應(yīng)用才使得結(jié)構(gòu)完整的單晶樣品得以問世, 其成分依然是鐵-鉻-鐵三層膜. 此后, 為了進(jìn)一步獲得鐵磁矩的有關(guān)信息, 科研工作者將光散射應(yīng)用于對金屬三層膜進(jìn)行相關(guān)研究. 在實(shí)驗(yàn)過程中, 薄膜上的外磁場被逐步減小直至消失. 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 在鉻層厚度為0.8nm的鐵-鉻-鐵三明治中, 兩邊的兩個(gè)鐵磁層磁矩從彼此平行(較強(qiáng)磁場下)轉(zhuǎn)變?yōu)榉雌叫?弱磁場下). 亦即, 對于非鐵磁層鉻的某個(gè)特定厚度, 在無外磁場時(shí), 兩邊鐵磁層磁矩處于反平行狀態(tài), 這一現(xiàn)象成為巨磁電阻效應(yīng)出現(xiàn)的前奏. 在對這一現(xiàn)象的進(jìn)一步研究過程中, 格倫貝格爾等發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)磁矩反平行時(shí),鐵-鉻-鐵三明治呈現(xiàn)高電阻狀態(tài). 而當(dāng)兩個(gè)磁矩平行時(shí),

6、則對應(yīng)與其低電阻狀態(tài), 且兩種不同狀態(tài)下的阻值差高達(dá)10%. 之后, 格倫貝格爾將此結(jié)果寫成論文,并申請了將這種效應(yīng)和材料應(yīng)用于硬盤磁頭的專利. 另一位科研工作者是巴黎十一大學(xué)固體物理實(shí)驗(yàn)室物理學(xué)家阿爾貝·費(fèi)爾, 其課題組將鐵、鉻薄膜交替制成幾十個(gè)周期的鐵-鉻超晶格, 亦稱周期性多層膜. 通過對此類物質(zhì)的研究, 他們發(fā)現(xiàn)了當(dāng)改變磁場強(qiáng)度時(shí), 超晶格薄膜的電阻下降近一半, 即磁電阻比率達(dá)到50%. 據(jù)此該現(xiàn)象被命名為巨磁電阻現(xiàn)象, 并用兩電流模型予以合理解釋. 顯然, 該周期性多層膜可視為若干個(gè)格倫貝格爾三明治的重疊, 因此德國和法國的這兩個(gè)獨(dú)立發(fā)現(xiàn)實(shí)屬同一個(gè)物理現(xiàn)象. 除了上述兩位諾

7、貝爾獎獲得者的開創(chuàng)性工作, IBM公司的斯圖爾特·帕金( S. P. Parkin )將GMR的制作材料做了進(jìn)一步推廣, 為其工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ). 他于1990年首次報(bào)道了鐵-鉻超晶格系列之外的鈷-釕和鈷-鉻超晶格體系亦有巨磁電阻效應(yīng), 并且隨著非磁層厚度增加, 其磁電阻值振蕩下降. 此后, 科學(xué)家在過渡金屬超晶格和金屬多層膜中又發(fā)現(xiàn)了20種左右不同的體系均存在巨磁電阻振蕩現(xiàn)象. 帕金的工作首先為尋找更多的GMR材料開辟了廣闊空間, 為尋找適合硬盤的GMR材料提供了可能, 1997年制成了GMR磁頭即是其成功之一. 其次, 在薄膜制備方法上帕金采用較普通的磁控濺射技術(shù)用以替代精密的

8、MBE方法, 并使之成為工業(yè)生產(chǎn)多層膜的標(biāo)準(zhǔn). 磁控濺射技術(shù)克服了物理發(fā)現(xiàn)與產(chǎn)業(yè)化之間的障礙, 使巨磁電阻成為基礎(chǔ)研究快速轉(zhuǎn)換為商業(yè)應(yīng)用的國際典范. 同時(shí), 巨磁電阻效應(yīng)也被認(rèn)為是納米技術(shù)的首次真正應(yīng)用. 巨磁電阻效應(yīng)發(fā)現(xiàn)的另一重大意義在于打開了一扇通向新技術(shù)世界的大門自旋電子學(xué). GMR作為自旋電子學(xué)的開端具有深遠(yuǎn)的科學(xué)意義. 傳統(tǒng)的電子學(xué)是以電子的電荷移動為基礎(chǔ)的, 電子自旋往往被忽略了. 巨磁電阻效應(yīng)表明電子自旋對于電流的影響非常強(qiáng)烈, 電子的電荷與自旋兩者都可能載運(yùn)信息. 自旋電子學(xué)的研究和發(fā)展引發(fā)了電子技術(shù)與信息技術(shù)的一場新的革命. 目前電腦, 音樂播放器等各類數(shù)碼電子產(chǎn)品中所裝備的

9、硬盤磁頭, 基本上都應(yīng)用了巨磁電阻效應(yīng). 利用巨磁電阻效應(yīng)制成的多種傳感器, 已廣泛應(yīng)用于各種測控領(lǐng)域. 除利用鐵磁膜-金屬膜-鐵磁膜的GMR效應(yīng)外, 由兩層鐵磁膜夾一極薄的絕緣膜或半導(dǎo)體膜構(gòu)成的隧穿磁阻(TMR)效應(yīng), 已顯示出比GMR效應(yīng)更高的靈敏度. 此外, 在單晶和多晶等多種形態(tài)的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的稀土錳酸鹽, 以及一些磁性半導(dǎo)體中, 都發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng). 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解GMR效應(yīng)的原理.2 測量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線.3 測量GMR的磁阻特性曲線.4 測量GMR開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線.5 用GMR傳感器測量電流.6 用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移, 了解G

10、MR轉(zhuǎn)速傳感器的原理.7 通過實(shí)驗(yàn)了解磁記錄與讀出的原理.實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)導(dǎo)電的微觀機(jī)理, 電子在導(dǎo)電時(shí)并非沿電場直線前進(jìn), 而是不斷和晶格中的原子產(chǎn)生碰撞（又稱散射）, 每次散射后電子都會改變運(yùn)動方向, 總的運(yùn)動是電場對電子的定向加速與這種無規(guī)散射運(yùn)動的疊加. 電子在兩次散射之間走過的平均路程稱為平均自由程, 電子散射幾率小, 則平均自由程長, 電阻率低. 在電阻定律 R=rl/S中, 電阻率r可視為常數(shù), 與材料的幾何尺度無關(guān). 這是因?yàn)橥ǔ２牧系膸缀纬叨冗h(yuǎn)大于電子的平均自由程（例如銅中電子的平均自由程約34nm）, 可以忽略邊界效應(yīng). 然而, 當(dāng)材料的幾何尺度小到納米量級且只有幾個(gè)原子的厚度

11、時(shí)（例如, 銅原子的直徑約為0.3nm）, 電子在邊界上的散射幾率大大增加, 此時(shí)可以明顯觀察到厚度減小, 電阻率增加的現(xiàn)象.電子除本身攜帶電荷外, 還具有自旋特性. 自旋磁矩又分為平行或反平行于外磁場方向的兩種不同取向. 在自旋磁矩與材料的磁場方向平行的情況下, 電子散射的幾率遠(yuǎn)小于二者反平行條件下的散射幾率. 與此相應(yīng), 材料的電阻在自旋磁矩與外磁場方向平行時(shí)將遠(yuǎn)小于二者反平行時(shí)的阻值. 事實(shí)上, 材料的總電阻可視為兩類自旋電流的并聯(lián)電阻, 因此總電流則為兩類自旋電流之和, 此即兩電流模型. 如圖2所示, 無外磁場時(shí), 多層膜結(jié)構(gòu)中的上下兩層磁性材料反平行（反鐵磁）耦合. 當(dāng)施加足夠強(qiáng)的外

12、磁場后, 兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向一致, 外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合. 電流的方向在多數(shù)應(yīng)用中與膜面方向平行.事實(shí)上, 有兩類與自旋相關(guān)的散射對巨磁電阻效應(yīng)有貢獻(xiàn): 其一, 界面上的散射. 在無外磁場條件下, 上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反, 無論電子的初始自旋狀態(tài)如何, 從一層鐵磁膜進(jìn)入另一層鐵磁膜時(shí)都面臨狀態(tài)改變（平行反平行, 或反平行平行）, 電子在界面上的散射幾率很大, 對應(yīng)于高電阻狀態(tài); 在有外磁場存在時(shí), 上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致, 電子在界面上的散射幾率很小, 對應(yīng)于低電阻狀態(tài). 其二, 鐵磁膜內(nèi)的散射. 即使電流方向平行于膜面, 由于無規(guī)散射, 電子也

13、有一定的幾率在上下兩層鐵磁膜之間穿行. 在無外磁場時(shí), 上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反, 無論電子的初始自旋狀態(tài)如何, 在穿行過程中都會經(jīng)歷散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ雌叫校﹥煞N過程, 兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似兩個(gè)中等阻值的電阻的并聯(lián), 對應(yīng)于高電阻狀態(tài). 在有外磁場時(shí), 上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致, 自旋平行的電子散射幾率小, 自旋反平行的電子散射幾率大, 兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相似一個(gè)小電阻與一個(gè)大電阻的并聯(lián), 對應(yīng)于低電阻狀態(tài). 多層膜GMR結(jié)構(gòu)簡單, 工作可靠, 磁阻隨外磁場線性變化的范圍大, 在制作模擬傳感器方面得到廣泛應(yīng)用. 在數(shù)字記錄與讀出領(lǐng)域, 為進(jìn)一步提高靈敏度, 發(fā)

14、展了自旋閥結(jié)構(gòu)的GMR. 如圖3所示. 自旋閥結(jié)構(gòu)的SV-GMR(Spin valve GMR)由釘扎層, 被釘扎層, 中間導(dǎo)電層和自由層構(gòu)成. 其中, 釘扎層使用反鐵磁材料, 被釘扎層使用硬鐵磁材料, 鐵磁和反鐵磁材料在交互耦合作用下形成一個(gè)偏轉(zhuǎn)場, 此偏轉(zhuǎn)場將被釘扎層的磁化方向固定, 不隨外磁場改變. 自由層使用軟鐵磁材料, 它的磁化方向易于隨外磁場轉(zhuǎn)動. 這樣, 很弱的外磁場就會改變自由層與被釘扎層磁場的相對取向, 對應(yīng)于很高的靈敏度. 制造時(shí), 使自由層的初始磁化方向與被釘扎層垂直, 磁記錄材料的磁化方向與被釘扎層的方向相同或相反（對應(yīng)于0或1）, 當(dāng)感應(yīng)到磁記錄材料的磁場時(shí), 自由層

15、的磁化方向就向與被釘扎層磁化方向相同（低電阻）或相反（高電阻）的方向偏轉(zhuǎn), 檢測出電阻的變化, 就可確定記錄材料所記錄的信息, 硬盤所用的GMR磁頭就采用這種結(jié)構(gòu). 實(shí)驗(yàn)儀器一. 主體名稱：ZKY-巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)成及功能：電流表部分：做為一個(gè)獨(dú)立的電流表使用. 兩個(gè)檔位：2mA檔和200mA檔, 可通過電流量程切換開關(guān)選擇合適的電流檔位測量電流. 電壓表部分：做為一個(gè)獨(dú)立的電壓表使用. 兩個(gè)檔位：2V檔和200mV檔, 可通過電壓量程切換開關(guān)選擇合適的電壓檔位. 恒流源部分：可變恒流源. 實(shí)驗(yàn)儀還提供GMR傳感器工作所需的4V電源和運(yùn)算放大器工作所需的±8V電源.二 各種

16、組件1. 基本組件：基本特性組件由GMR模擬傳感器, 螺線管線圈及比較電路, 輸入輸出插孔組成. 用以對GMR的磁電轉(zhuǎn)換特性, 磁阻特性進(jìn)行測量. GMR傳感器置于螺線管的中央. 螺線管用于在實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生大小可計(jì)算的磁場, 由理論分析可知, 無限長直螺線管內(nèi)部軸線上任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為: B = 0nI . 式中n為線圈密度, I為流經(jīng)線圈的電流強(qiáng)度, 為真空中的磁導(dǎo)率. 采用國際單位制時(shí), 由上式計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為特斯拉（1特斯拉10000高斯）.2. 電流測量組件：電流測量組件將導(dǎo)線置于GMR模擬傳感器近旁, 用GMR傳感器測量導(dǎo)線通過不同大小電流時(shí)導(dǎo)線周圍的磁場變化, 就可確定電

17、流大小. 與一般測量電流需將電流表接入電路相比, 這種非接觸測量不干擾原電路的工作, 具有特殊的優(yōu)點(diǎn).3. 角位移測量組件: 角位移測量組件用巨磁阻梯度傳感器作傳感元件, 鐵磁性齒輪轉(zhuǎn)動時(shí), 齒牙干擾了梯度傳感器上偏置磁場的分布, 使梯度傳感器輸出發(fā)生變化, 每轉(zhuǎn)過一齒, 就輸出類似正弦波一個(gè)周期的波形. 利用該原理可以測量角位移（轉(zhuǎn)速, 速度）. 汽車上的轉(zhuǎn)速與速度測量儀利用的就是這一原理. 4. 磁讀寫組件：磁讀寫組件用于演示磁記錄與讀出的原理. 磁卡做記錄介質(zhì), 磁卡通過寫磁頭時(shí)可寫入數(shù)據(jù), 通過讀磁頭時(shí)將寫入的數(shù)據(jù)讀出來.巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 年 月 日 二、樣品

18、：巨磁阻基本特性組件, 磁讀寫組件, 電流測量組件, 角位移測量組件, 巨磁阻試件, 磁卡以及巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀（01-001）. 三、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1、了解巨磁電阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理； 2、了解巨磁阻的模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性； 3、了解巨磁阻的磁阻特性； 4、通過實(shí)驗(yàn)了解磁記錄與磁讀寫的原理. 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量：表1 磁阻兩端電壓4V勵磁電流I1(mA)磁感應(yīng)強(qiáng)度B輸出電壓U（mV）勵磁電流I1(mA)磁感應(yīng)強(qiáng)度B輸出電壓U（mV）10089.98069.76049.8403020151050-5-10-15.1-20-30.1-40.7-50.2-60-7

19、6.8-80.1-90-100=4×10-7H/m （1） n= 24000 T/m（2） （3）輸出電壓與磁感應(yīng)強(qiáng)度B之間的關(guān)系曲線：輸出電壓磁感應(yīng)強(qiáng)度B與輸出電壓U之間的關(guān)系曲線02575100125150175200225250275-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.0磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁場減小時(shí)B-U關(guān)系曲線磁場增大時(shí)B-U關(guān)系曲線50U(V) 圖（1）2、GMR磁阻特性測量：由式（3）可得磁感應(yīng)強(qiáng)度B, 巨磁阻兩端電壓為4V, 則由歐姆定律可得磁阻R. 表2 磁阻特性測量 磁阻兩端電壓4V勵磁電流I1(mA)磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁阻電流 I（mA

20、）磁阻R（）勵磁電流 I1(mA)磁感應(yīng)強(qiáng)度 B磁阻電流 I（mA）磁阻R（）10030.1 -100-30.1 9027.1 -90-27.1 8024.1 -80-24.1 69.521.0 -70-21.1 6018.1 -60-18.1 49.815.0 -50-15.1 39.111.8 -40.1-12.1 309.0 -30-9.0 206.0 -19.8-6.0 14.84.5 -15-4.5 103.0 -10-3.0 51.5 -5-1.5 00.0 00.0 -5.1-1.5 51.5 -10.1-3.0 103.0 -15-4.5 15.34.6 -20.2-6.1 2

21、06.0 -30.5-9.2 309.0 -40.1-12.1 40.112.1 -50-15.1 5015.1 -60-18.1 6018.1 -70.1-21.1 7021.1 -80-24.1 8024.1 -90-27.1 9027.1 -100-30.1 10030.1 R-B關(guān)系曲線磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線：420043004400450046004700480049005000-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.0磁感應(yīng)強(qiáng)度B磁阻R磁場減小時(shí)R-B關(guān)系曲線磁場增大時(shí)R-B關(guān)系曲線 圖（2）3、GMR開關(guān)（數(shù)字）傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量表3勵磁電流I（mA）輸出電壓U(V)勵磁電流I（mA）輸出電壓U(V)50-5040-4030-3020-2019.4-17.519.4-17.510-1000-1010-2020-22.924.3-22.924.3-3030-4040-5050開關(guān)特性曲線00.20.40.60.811.21.41.61.82-60-40-200204060勵磁電流I（mA）磁場減小時(shí)巨磁阻開關(guān)特性曲線磁場增大時(shí)巨磁阻開關(guān)特性曲線輸出電壓U（V）4、用GMR模擬傳感器測量電流 表4低磁偏置25mV低磁