南京大學(xué)近代物理實(shí)驗(yàn)2014版——各向異性磁電阻的測量實(shí)驗(yàn)

1、各向異性磁電阻的測量實(shí)驗(yàn)摘 要：材料的磁電阻效應(yīng)被應(yīng)用的非常廣泛，本文闡述了各向異性磁電阻的特性，介紹了室溫磁電阻的測量方法，分別測量了電流方向與磁場方向平行和垂直兩種情況下電阻隨磁場的變化，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行討論分析。 關(guān)鍵字:各向異性磁電阻，AMR曲線，四探針樣品夾具，磁電阻的測量。引 言 一般所謂磁電阻是指在一定磁場下材料電阻率改變的現(xiàn)象。1988年，在分子束外延制備的多層膜中發(fā)現(xiàn)可達(dá)50。并且在薄膜平面上，磁電阻是各向同性的。人們把這稱之為巨磁電阻（簡記為GMR），90年代，人們又在、和等納米多層膜中觀察到了顯著的巨磁電阻效應(yīng)。 1992年人們又發(fā)現(xiàn)在非互溶合金（如、與、等在平衡態(tài)不能形成合

2、金）顆粒膜如-、-中存在巨磁電阻效應(yīng)，在液氮溫度可達(dá)55%，室溫可達(dá)到20，并且有各向同性的特點(diǎn)。1994年，人們又發(fā)現(xiàn)23隧道結(jié)在4.2的為30，室溫達(dá)18，之后在其他一些鐵磁層非鐵磁層鐵磁層隧道結(jié)中亦觀察到了大的磁電阻效應(yīng)，人們將此稱為隧道結(jié)磁電阻（簡記為TMR）。目前室溫達(dá)24的材料已制成，用材料已制成計(jì)算機(jī)硬盤讀出磁頭，其靈敏度比普通磁頭高10倍，比磁頭高數(shù)倍。 20世紀(jì)90年代后期，人們在摻堿土金屬稀土錳氧化物中發(fā)現(xiàn)可達(dá)103%106%，稱之為龐磁電阻（簡記為CMR）。目前錳氧化物CMR材料的磁電阻飽和磁場較高，降低其飽滿和場是將之推向應(yīng)用的重要研究課題。利用磁電阻效應(yīng)可以制成計(jì)算機(jī)

3、硬盤讀出磁頭；可以制成磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（）；還可測量位移、角度、速度、轉(zhuǎn)速等。1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）初步了解磁性合金的AMR，多層膜的GMR，摻堿土金屬稀土錳氧化物的CMR。（2）初步掌握室溫磁電阻的測量方法。2 實(shí)驗(yàn)原理21各向異性磁電阻一些磁性金屬和合金的與技術(shù)磁化相對應(yīng)，即與從退磁狀態(tài)到趨于磁飽和的過程相應(yīng)的電阻變化。外加磁場方向與電流方向的夾角不同，飽和磁化時(shí)電阻率不一樣，即有各向異性。通常取外磁場方向與電流方向平行和垂直兩種情況測量。即有（）及（）。若退磁狀態(tài)下磁疇是各向同性分布的，疇壁散射變化對磁電阻的貢獻(xiàn)較小，將之忽略，則（）與平均值av（）相等。大多數(shù)材料（），故計(jì)算公式為 常定義為

4、如果av，則說明該樣品在退磁狀態(tài)下有磁疇織構(gòu)，即磁疇分布非完全各向同性。如下圖一是曾用作磁盤讀出磁頭和磁場傳感器材料的Ni81Fe19的磁電阻曲線，很明顯，各向異性明顯。如下圖二一些鐵磁金屬與合金薄膜的各向異性磁電阻曲線2.2 多層膜的巨磁電阻 巨磁電阻效應(yīng)首次在多層膜中發(fā)現(xiàn)。圖12.1-5為這種多層膜的磁電阻曲線。由圖四可見，多層膜室溫下的約11.3，4.2時(shí)約42.7。多層膜室溫可達(dá)，遠(yuǎn)大于，故稱為巨磁電阻，這種巨磁電阻的特點(diǎn)是：（1）數(shù)值比大得多。（2）基本上是各向同性的。圖六中高場部分的雙線分別對應(yīng)于（）和（），其差值為的貢獻(xiàn)。該多層膜在和4.2下分別為0.35和2.1，約為其GMR的

5、二十分之一。（3）多層膜的磁電阻按傳統(tǒng)定義（）（）（）×100是負(fù)值，恒小于。常采用另一定義（）（）（）×100，用此定義數(shù)值為正，且可大于。（4）中子衍射直接證實(shí)，前述多層膜相鄰鐵磁層的磁化為反鐵磁排列，來源于層間的反鐵磁耦合。無外磁場時(shí)各層s反平行排列，電阻最大，加外磁場后，各層s平行排列，電阻最小。如圖五所示。（5）除多層膜外，人們已在許多系統(tǒng)如、等中觀察到不同大小的，但并不是所有多層膜都有大的磁電阻，有的很小，甚至只觀察到，如多層膜。圖六是NiFe/Cu/Co/Cu多層膜的室溫磁電阻曲線。2.3 摻堿土金屬稀土錳氧化物的龐磁電阻 圖七是0.70.33薄膜樣品的電阻率

6、、磁電阻隨溫度變化關(guān)系。該樣品的6。 到目前為止，對1-xx3（，Pr，Sm；，），在x0.20.5范圍都觀測到和鐵磁性。這種的特點(diǎn)是：（1）數(shù)值遠(yuǎn)大于多層膜的。（2）各向同性。（3）負(fù)磁電阻性，即磁場增大，電阻率降低。（4）總是出現(xiàn)在居里溫度附近（TTc），隨溫度升高或降低，都會(huì)很快降低。這一特性與金屬多層膜的磁電阻有本質(zhì)的差別。（5）到目前為止，只有少部分材料的居里點(diǎn)高于室溫。（6）觀察這類材料的外加磁場比較高，一般需量級(jí)。圖12.1-9是一種摻銀的-樣品的室溫磁電阻曲線。3. 實(shí)驗(yàn)儀器亥姆霍茲線圈、電磁鐵、特斯拉計(jì)、毫特斯拉計(jì)、大功率恒流電源、大功率掃描電源、精密恒流源、數(shù)字微伏表、雙路

7、數(shù)據(jù)采集卡及軟件，計(jì)算機(jī)，四探針樣品夾具。4. 實(shí)驗(yàn)方法 1.將樣品切成窄條，這在測AMR時(shí)是必需的。對磁性合金薄膜，飽和磁化時(shí)，樣品電阻率有如下關(guān)系:                             其中是磁場方向與電流方向的夾角。為保證電流有一確定方向，常用的方法是：（1）將樣品刻成細(xì)線，使薄膜樣品的寬度遠(yuǎn)

8、遠(yuǎn)小于長度。（2）用平行電極，當(dāng)電極間距遠(yuǎn)小于電極長度時(shí)，忽略電極端效應(yīng)，認(rèn)為兩電極間的電流線是平行的。 2.用非共線四探針法測電阻值，如圖八所示。這種方法當(dāng)數(shù)字微伏表內(nèi)阻很大時(shí)，可以忽略探針接觸電阻的影響，已在半導(dǎo)體、鐵氧體、超導(dǎo)體等的電測量中廣泛使用。測量實(shí)驗(yàn)過程1.將大功率恒流源與亥姆霍茲線圈連接。2.將樣品裝上四探針夾具，并作如圖八所示連接。3.將裝好樣品的夾具固定在亥姆霍茲線圈中心，并確保電流方向與磁場方向平行。4.將毫特斯拉計(jì)探頭固定在樣品附近。5.確保所有儀器調(diào)整旋鈕均在輸出為零位置，啟動(dòng)所有測量儀器，預(yù)熱分鐘，并作校準(zhǔn)。6.調(diào)整精密恒流源輸出，使測量電流（流過樣品的電流）為范圍

9、內(nèi)的某個(gè)確定電流，本實(shí)驗(yàn)中將電流調(diào)整為6mA。7.調(diào)節(jié)大功率恒流源輸出電流，從-6A開始，逐點(diǎn)增大，以改變磁場大小，逐點(diǎn)記錄數(shù)字微伏表顯示的電壓值。8.當(dāng)電流調(diào)節(jié)6A時(shí)停止記錄，在調(diào)節(jié)大功率恒流源輸出電流逐點(diǎn)減小至-6A，仍作上述記錄。9.將樣品夾具轉(zhuǎn)°固定好，確保電流方向與磁場方向垂直，再重復(fù)68步測量、記錄。5. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及討論5.1 磁場與電流方向垂直 測量電壓的變化隨磁場的變化如下圖由上圖可以看出，兩條曲線分別對應(yīng)著電流增大和減小兩種情況下的測的電壓隨著電流的變化值。由實(shí)驗(yàn)可知水平方向電流正比于磁場，而豎直方向電壓正比于電阻率，所以上圖可以看作是磁場與電流方向垂直時(shí)待測樣品的

10、AMR曲線。 當(dāng)薄膜的面積大于探針間的距離時(shí)，金屬薄膜的電阻率可以用下式給出：其中d是薄膜的厚度，I是流經(jīng)薄膜的電流，V式薄膜兩探針之間的距離。在本實(shí)驗(yàn)中，I是恒定值I=6mA。而電壓是實(shí)驗(yàn)中測得的值，因而只要知道了薄膜的厚度，就能準(zhǔn)確測到對應(yīng)磁場下金屬薄膜的電阻率。 由上圖可以看出，兩條峰并沒有重合，而且峰值并沒有在零點(diǎn)，說明所測得的樣品波某磁疇等不非完全各向同性，也就是說，薄膜是各向異性的，出現(xiàn)雙峰是由于磁滯現(xiàn)象引起的。由公式可以得出 =5.2 磁場與電流方向平行測量電壓的變化隨磁場的變化如下圖 水平情況下同樣出現(xiàn)雙峰，且峰值沒有與零點(diǎn)重合，原因與垂直情況下相同，上面已經(jīng)分析， 同樣由公式

11、可以計(jì)算出 =+再由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出垂直時(shí) 的電壓為5.603mv， 平行時(shí)的電壓為5.589mv ，對于平均值 由公式可以算出 av的電壓值為5.598mv在通過公式可以算出所測磁電阻的AMR=0.014/5.598=0.25%由于電壓值正比于電阻率，所以上述計(jì)算中全部以電壓值代替。由下面公式只要知道了薄膜的厚度就可以計(jì)算出電阻率。薄膜的厚度在實(shí)驗(yàn)中可以測得。實(shí)驗(yàn)中由于采用了手動(dòng)調(diào)節(jié)磁場的大小，通過電流的大小來調(diào)節(jié)磁場，而在調(diào)節(jié)過程中，實(shí)驗(yàn)儀器的精確度和計(jì)數(shù)的精確度給實(shí)驗(yàn)帶來了一定的誤差。對于計(jì)數(shù)的步距，當(dāng)電壓變化比較小時(shí)，步距可以大一些，在實(shí)驗(yàn)中步距是按照0.5mv計(jì)數(shù)的。同樣,當(dāng)電流靠近

12、零點(diǎn)時(shí),此時(shí)電壓的變化值比較大，因而步距要減小，實(shí)驗(yàn)中剛開始是以0.2mv為步距的，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)誤差比較大，因而后面減小步距，改為0.1mv計(jì)量。減小實(shí)驗(yàn)的誤差，但是通過上圖的實(shí)驗(yàn)圖可以看出實(shí)驗(yàn)的誤差還是比較大，因而最好再次減小步距，但受限于實(shí)驗(yàn)儀器本身的精確度和人工計(jì)數(shù)的不便，因而實(shí)驗(yàn)中最好將掃描電流和所測電壓通過電腦XY記錄儀與電腦相連，通過電腦來計(jì)數(shù)而減小誤差。在調(diào)節(jié)電流的過程中，手最好不要離開旋轉(zhuǎn)按鈕，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)手離開的瞬間，電流值由一定的波動(dòng)，給實(shí)驗(yàn)測量帶來不便。5. 實(shí)驗(yàn)討論與實(shí)驗(yàn)思考題5.1討論實(shí)驗(yàn)誤差，本次實(shí)驗(yàn)中有很多因素會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)有誤差，首先溫度會(huì)影響測量，測量過程中溫度是一直變

13、化的，所以會(huì)導(dǎo)致測量得到的曲線不對稱。另外，磁場是近似認(rèn)為是均勻場，實(shí)際上不是，這也會(huì)造成誤差。同時(shí)在放置樣品是與磁場平行或垂直都是目測的，這樣也有可能造成測量的結(jié)果有誤差。5.2實(shí)驗(yàn)思考題（1）測量AMR后計(jì)算出的0和av是否相同，如不同說明什么問題？答：從上面計(jì)算結(jié)果上看0和av可以認(rèn)為是相同的，這表明該樣品在退磁狀態(tài)下磁疇的分布是各向同性的，如果不相同則說明退磁狀態(tài)下磁疇的分布是各向異性的。（2）按前述步驟手動(dòng)測量的磁電阻曲線與自動(dòng)測量出的磁電阻曲線有何異同，為什么？答：手動(dòng)測量時(shí)如實(shí)驗(yàn)結(jié)果中圖示，磁電阻曲線不對稱，這主要是由于測量的時(shí)間比較長，測量的環(huán)境（主要是周圍的溫度）變化所致，手

14、動(dòng)測量時(shí)測量的周期比較長，環(huán)境變化比較大，如果改用自動(dòng)測量，而且自動(dòng)測量的周期比較短的話，那么就可以有效的減少環(huán)境變化對測量結(jié)果的影響，另外，手動(dòng)測量時(shí)有一個(gè)好處就是，我們可以在電阻隨磁場變化比較大的區(qū)域，讓線圈電流變化的慢一些，突出這一區(qū)域的變化關(guān)系，而自動(dòng)的卻很難做到這點(diǎn)。（3）手動(dòng)測量時(shí)如何更好的選擇測量電流？答：當(dāng)流過線圈的電流很大時(shí)，線圈發(fā)熱的厲害，容易燒毀線圈，而磁電阻在磁場比較大時(shí)變化比較緩慢，故在手動(dòng)測量時(shí)，我們在電流比較大的區(qū)域，電流變化的快一些，在電流比較小時(shí)，線圈發(fā)熱不明顯，我們可以慢慢測量，并且這一區(qū)域是磁電阻變化比較快的，所以在電流較小時(shí)，我們應(yīng)適當(dāng)減小線圈電流的變化

15、步長，使得在這一區(qū)域測量的點(diǎn)多一些。（4）測量中如何減小熱效應(yīng)對測量的影響？答：減小測量的周期，測量周期越長，溫差越大，對測量的影響就越大，我們可以改用自動(dòng)測量的方法，這樣可以省去讀數(shù)記數(shù)的時(shí)間。采用降溫的方法，有一種可行的方法就是用氣冷，將樣品和線圈置于風(fēng)扇下，這樣可以有效的減小前后溫差（5）樣品夾具采用的材料有何要求？答：首先要是絕緣材料，另外不能是鐵磁或亞鐵磁性的材料，最好選用抗磁材料，順磁的也可以。參考文獻(xiàn)近代物理實(shí)驗(yàn) 第二版 黃潤生 沙振舜 唐濤 編 南京大學(xué)出版社原始數(shù)據(jù)磁場與電流平行的情況（I=6mA）線圈電流I/mA樣品度數(shù)V/mA線圈電流I/mA樣品度數(shù)V/mA6.000 5

16、.736 -6.000 5.760 5.030 5.733 -5.040 5.758 4.060 5.731 -4.060 5.755 3.020 5.724 -3.010 5.751 2.000 5.716 -2.030 5.741 1.000 5.694 -1.020 5.720 0.500 5.677 -0.490 5.701 0.180 5.661 -0.280 5.687 0.000 5.652 -0.040 5.670 -0.130 5.642 0.080 5.660 -0.300 5.632 0.200 5.650 -0.400 5.638 0.280 5.640 -0.510

17、5.610 0.330 5.635 -0.600 5.600 0.360 5.630 -0.670 5.588 0.400 5.625 -0.710 5.580 0.440 5.620 -0.810 5.576 0.480 5.615 -0.820 5.578 0.500 5.610 -0.840 5.623 0.550 5.601 -0.860 5.638 0.560 5.607 -0.880 5.644 0.610 5.664 -0.900 5.655 0.640 5.675 -0.920 5.661 0.660 5.681 -0.970 5.669 0.680 5.687 -1.000

18、5.673 0.700 5.690 -1.360 5.698 0.790 5.703 -1.640 5.710 1.020 5.718 -2.030 5.719 2.000 5.748 -2.990 5.733 3.010 5.758 -4.060 5.745 4.010 5.765 -5.030 5.753 5.000 5.769 -6.000 5.760 6.000 5.772 磁場與電流垂直的情況（I=6mA）線圈電流I/mA樣品度數(shù)V/mA線圈電流I/mA樣品度數(shù)V/mA6.000 5.503 -6.000 5.517 5.030 5.506 -5.020 5.519 4.040 5.511 -4.020 5.523 2.960 5.514 -3.000 5.527 2.020 5.519 -2.000 5.533 1.020 5.534 -1.010 5.544 0.490 5.543 -0.490 5.551 0.000 5.552 -0.160 5.560 -0.350 5.560 0.050 5.565 -0.510 5.572 0.1