各向異性磁電阻

1、各向異性磁電阻、巨磁電阻測(cè)量l=JI三三侯建強(qiáng)（南京大學(xué)匡亞明學(xué)院理科強(qiáng)化部2010級(jí)，學(xué)號(hào)：101242015）引言一般所謂磁電阻是指在一定磁場(chǎng)下材料電阻率改變的現(xiàn)象。通常將磁場(chǎng)引起的電阻率變 化寫(xiě)成Ap = P（H）一 P（0），其中P（H）和P（）分別表示在磁場(chǎng)H中和無(wú)磁場(chǎng)時(shí)的電阻率。 磁電阻的大小常表示為：MR = Ap x 100%P其中p可以是p （0）或p（H）。絕大多數(shù)非磁性導(dǎo)體的MR很小，約為10-5%，磁性導(dǎo)體的MR最大約為3%5%，且電 阻率的變化與磁場(chǎng)方向與導(dǎo)體中電流方向的夾角有關(guān)，即具有各向異性，稱(chēng)之為各向異性磁 電阻（Anisotropy magnetoresist

2、ance，簡(jiǎn)記為 AMR）。1988年，在分子束外延制備的Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)MR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(chēng)之為巨磁電阻（giant magnetoresesistance，簡(jiǎn)記為 GMR），90年代，人們又在 Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Ag、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag 和 Co/Au 等納米多 層膜中觀(guān)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Fe、Co與Cu、Ag、Au等在平衡態(tài)不能形成合金） 顆粒膜如Co-Ag、Co-Cu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

3、們又發(fā)現(xiàn)Fe/Al2O3/Fe隧道結(jié)在4.2K的MR為30%，室溫達(dá)18%，見(jiàn)圖12.1-2。 之后在其他一些鐵磁層/非鐵磁層/鐵磁層隧道結(jié)中亦觀(guān)察到了大的磁電阻效應(yīng)，人們將此稱(chēng) 為隧道結(jié)磁電阻（Tunneling magnetoresistance 簡(jiǎn)記為 TMR）。20世紀(jì)90年代后期，人們?cè)趽綁A土金屬稀土錳氧化物中發(fā)現(xiàn)MR可達(dá)103%106%，稱(chēng) 之為龐磁電阻（Colossal magnetoresistance，簡(jiǎn)記為CMR）。目前錳氧化物CMR材料的磁 電阻飽和磁場(chǎng)較高，降低其飽滿(mǎn)和場(chǎng)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)硬盤(pán)讀出磁頭；可以制成磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRA

4、M）； 還可測(cè)量位移、角度、速度、轉(zhuǎn)速等。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(cè)量方法。實(shí)驗(yàn)原理各向異性磁電阻一些磁性金屬和合金的AMR與技術(shù)磁化相對(duì)應(yīng)，即與從退磁狀態(tài)到趨于磁飽和的過(guò)程相 應(yīng)的電阻變化。外加磁場(chǎng)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(chǎng)方向與電流方向平行和垂直兩種情況測(cè)量AMR。即有Ap =p 一 p (0)及Ap =p -p (0)。若退磁狀態(tài)下磁疇是各向同性分布的，疇壁散射變化對(duì)磁 電阻的貢獻(xiàn)較小，將之忽略，則p (0)與平均值p av=1/3(p +2p上)相

5、等。大多數(shù)材料 p p (0),故也=PLa,、 0P PA(5 P,gp “ ia, /X。)，C(。)，各向異性明顯。24.0524.00：23.95：23.90i23.8523,8023,75：23.70：23.65j-300 -200 100 0 100 200 300A/(Oe)(a)23.723.623.523.423.323.223.123.022 9-300 -200-100 0100 200 300H(Oe)(b)圖NiFe薄膜的磁電阻曲線(xiàn)(a)電流方向與磁場(chǎng)方向平行(b)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直圖I。.】-3叫職剝膜的磁電阻曲線(xiàn)()v一些鐵磁金屬與合金薄膜的AMR曲線(xiàn), 實(shí)線(xiàn)

6、和虛線(xiàn)分別表示橫向和縱向的磁電阻多層膜的巨磁電阻巨磁電阻效應(yīng)首次在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)。圖12.1-5為這種多層膜的磁電阻曲線(xiàn)。 由圖四可見(jiàn)，F(xiàn)e/Cr多層膜室溫下的MR約11.3%, 4.2K時(shí)約42.7%Co/Cu多 層膜室溫MR可達(dá)6 0%80%,遠(yuǎn)大于A(yíng)MR,故稱(chēng)為巨磁電阻，這種巨磁電阻的特點(diǎn) 是：數(shù)值比AMR大得多?；旧鲜歉飨蛲缘?。圖六中高場(chǎng)部分的雙線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)于(MR) 和(MR), 其差值為AMR的貢獻(xiàn)。該多層膜在3 0 0 K和4.2K下分別為0.35%和2.1%，約為其GMR 的二十分之一。12二二加磁場(chǎng)無(wú)磁場(chǎng)加避場(chǎng)圖Fe/Cr多層膜的GMR曲線(xiàn)多層膜中有無(wú)外磁場(chǎng)磁化分布

7、與電阻變化的示意圖多層膜的磁電阻按傳統(tǒng)定義MR=p (H)-p (0)/p (O)X100%是負(fù)值， 恒小于10 0%。常采用另一定義GMR = p (0)-p (H)/p (H) X100%，用 此定義數(shù)值為正，且可大于10 0%。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(lái)源于層間的反鐵 磁耦合。無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)各層Ms反平行排列，電阻最大，加外磁場(chǎng)后，各層Ms平行排列，電 阻最小。如圖五所示。除Fe/Cr多層膜外，人們已在許多系統(tǒng)如Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Ag、 Fe/Au、Fe/Mo、Co/Cu、Co/Al、Co/Ag、Co/Au、Co/Ru、FeNi/Cu等中觀(guān)察到不

8、同大小的GMR，但并不是所有多層膜都有大的磁電阻，有的 很小，甚至只觀(guān)察到AMR，如Fe/V多層膜。下圖是NiFe/Cu/Co/Cu多層膜的室溫磁電阻曲線(xiàn)。1 000000 000-100 000 (uo.aTid14,214.0-300 -200 -100 01002003002 0 8 6 45.5.4.4.4.11 yTTi.CH/(Oe)1 000wo10100200300溫度(K)23SM圈-tf-o J11 11圖N i Fe/Cu/Co/Cu多層膜的圖Nd0.7Sr0.3MnO3 薄膜摻堿土金屬稀土錳氧化物的龐磁電阻樣品的電阻率和磁電阻隨溫度變化MR106%圖七是Nd0.7Sr0

9、.3MnO3薄膜樣品的電阻率、磁電阻隨溫度變化關(guān)系。該樣品的/(kOe)圖一種摻金艮La-Ca-Mn-O樣品的室溫磁電阻曲線(xiàn)到目前為止，對(duì)RE1-xTxMnO3 (RE = La, Pr,Nd, Sm；T = Ca,Sr,Ba,Pb),在x=0.20.5范圍都觀(guān)測(cè)到CMR和鐵磁性。這種CMR的特點(diǎn)是：數(shù)值遠(yuǎn)大于多層膜的GMR。各向同性。負(fù)磁電阻性，即磁場(chǎng)增大，電阻率降低。CMR總是出現(xiàn)在居里溫度附近(TVTc),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。到目前為止，只有少部分材料的居里點(diǎn)高于室溫。觀(guān)察這類(lèi)材料CMR的外加磁場(chǎng)比較高，一般需Tesla量級(jí)。圖10

10、.1-9是一種摻銀的La-Ca-Mn-。樣品的室溫磁電阻曲線(xiàn)。實(shí)驗(yàn)儀器亥姆霍茲線(xiàn)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ADC數(shù)據(jù)采集卡及軟件，計(jì)算機(jī)，四探針樣品夾具。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容方法：將樣品切成窄條，這在測(cè)AMR時(shí)是必需的。對(duì)磁性合金薄膜，飽和磁化時(shí)，樣品電阻 率有如下關(guān)系：p (9) = p + Ap cos2 90其中e是磁場(chǎng)方向與電流方向的夾角。精密恒電流電源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(xiàn)，使薄膜樣品的寬度遠(yuǎn) 遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度。（2）用平行電極，當(dāng)電極間距遠(yuǎn)小于電極長(zhǎng)度時(shí)，忽略電極端效應(yīng)，認(rèn)為兩電 極間的電流線(xiàn)是

11、平行的。用非共線(xiàn)四探針?lè)y(cè)電阻值，如圖-10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(cè)量中廣泛使用。測(cè)量：1.測(cè)量Fe-Ni薄膜的AMR。將大功率恒流源與亥姆霍茲線(xiàn)圈連接。將樣品裝上四探針夾具，并作如圖-9所示連接。將裝好樣品的夾具固定在亥姆霍茲線(xiàn)圈中心，并確保電流方向與磁場(chǎng)方向平行。將毫特斯拉計(jì)探頭固定在樣品附近。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(cè)量?jī)x器，預(yù)熱515分鐘，并作 校準(zhǔn)。調(diào)整精密恒流源輸出，使測(cè)量電流（流過(guò)樣品的電流）為T(mén)100mA范圍內(nèi)的某個(gè)確定 電流，具體大小視樣品情況與測(cè)量?jī)x表精度決定。調(diào)節(jié)大功率恒流

12、源輸出電流，從零開(kāi)始，逐點(diǎn)增大，以改變磁場(chǎng)大小，逐點(diǎn)記錄大功 率恒流源輸出電流值、毫特斯拉計(jì)顯示的磁場(chǎng)大小、數(shù)字微伏表顯示的電壓值。注意開(kāi)始時(shí) 磁場(chǎng)變化的步距要小。當(dāng)磁場(chǎng)繼續(xù)增大，微伏表顯示電壓值基本不變時(shí)，將大功率恒流源輸出電流逐點(diǎn)減小， 仍作上述記錄。當(dāng)大功率恒流源輸出電流降到零時(shí)，將輸出極性反向。再重復(fù)g、h兩步測(cè)量、記錄。將樣品夾具轉(zhuǎn)90固定好，確保電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，再重復(fù)e-j步測(cè)量、記錄。n.將手動(dòng)測(cè)量記錄的數(shù)據(jù)，繪制R-H曲線(xiàn)（橫坐標(biāo)為磁場(chǎng)大小，縱坐標(biāo)為電阻大?。?。o.計(jì)算出p av，飽和磁化時(shí)間 p 、 p上以及AMR。6.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析實(shí)驗(yàn)中通過(guò)樣品的電流為6 mA，很

13、容易將測(cè)量到的電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電阻。當(dāng)樣品電 流與外磁場(chǎng)相互平行時(shí)，測(cè)得的磁電阻與通過(guò)電磁鐵的電流關(guān)系如圖下所示：1.005 -Eqos0.SB0 -0.S75 -0.S70 -46當(dāng)樣品當(dāng)樣品電流與外磁場(chǎng)相互垂直時(shí)，測(cè)得的磁電阻與通過(guò)電磁鐵的電流關(guān)系如圖下 所示：OSBO = 0S7B-0S76 - 0S74 - 0S72 - 匚 0370- Q 0S6S- 0566-0S64 - 0562 - 0S60 - 0558 - -6-4-2024&I/A由圖可得 R (0) = 0.972。，R =1.004。，鳥(niǎo)(0) = 0.978Q，R廣 0.963Q 所以AR = R - R (0) =

14、 0.032。000Rav = 0.977。AR廣 R - R上(0) = -0.015。AMR = R R = 4.20%R0討論本次實(shí)驗(yàn)的誤差來(lái)源主要有：（1）溫度的影響。測(cè)量時(shí)，實(shí)驗(yàn)器件是在通電發(fā)熱的，這對(duì)測(cè)量電阻會(huì)產(chǎn)生較為明顯 的影響；（2）樣品的放置。放置樣品與磁場(chǎng)平行或垂直都是目測(cè)的，只能做到近似的平行或垂 直；（3）磁場(chǎng)不均勻。本實(shí)驗(yàn)的裝置只是產(chǎn)生一個(gè)近似的均勻磁場(chǎng)，其均勻性與穩(wěn)定性都 不確定。思考題（1）測(cè)量AMR后計(jì)算出來(lái)的P仲和P （0）是否相同，如不同說(shuō)明什么問(wèn)題？答：不同，說(shuō)明樣品在退磁狀態(tài)下有磁疇織構(gòu)，即磁疇分布并非完全各向同性。（2）按前述步驟手動(dòng)測(cè)量的磁電阻曲線(xiàn)與自動(dòng)測(cè)量的磁電阻曲線(xiàn)有何異同，為什么？答：手動(dòng)測(cè)出的磁電阻曲線(xiàn)相對(duì)于自動(dòng)測(cè)出的磁電阻曲線(xiàn)有明顯的基線(xiàn)漂移，即隨著測(cè) 量時(shí)間的增加，測(cè)得的曲線(xiàn)明顯向高電阻方向移動(dòng)。原因在于手動(dòng)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，電流通過(guò)樣 品產(chǎn)生的熱效應(yīng)不可忽略，樣品溫度有顯著升高，使其電阻率明顯變大。（3）手動(dòng)測(cè)量與自動(dòng)測(cè)量時(shí)如何更好的選擇流過(guò)樣品的電流的大??？答：對(duì)于選取的電流根據(jù)樣品的的情況和測(cè)量?jī)x表的精度所決定。手動(dòng)測(cè)量時(shí)，電流值 不能太大，否則會(huì)引起樣品的發(fā)熱而引起實(shí)驗(yàn)誤差，本實(shí)驗(yàn)中選取的電流值為6mA；自動(dòng) 測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量