磁電阻測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告南京大學(xué)

1、南京大學(xué)物理系實(shí)驗(yàn)報(bào)告題目 實(shí)驗(yàn)10.1 各向異性磁電阻測(cè)量姓名 朱瑛鶯2014_年5月16日 學(xué)號(hào)111120230摘要通過(guò)對(duì)磁性合金的各向異性磁電阻的測(cè)量，初步了解磁電阻的一些特性，同時(shí)掌握室溫磁電阻的測(cè)量方法。關(guān)鍵詞：磁電阻，外磁場(chǎng)，磁滯，熱效應(yīng)一、引言材料的電阻率隨著外加磁場(chǎng)的不同而改變的現(xiàn)象就是磁電阻效應(yīng)。我們把磁場(chǎng)引起的電阻率變化寫(xiě)成其中（H）和（0）分別表示在磁場(chǎng)H中和沒(méi)有磁場(chǎng)時(shí)的電阻率。磁電阻的大小常表示為：其中可以是（H）或（0），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（AMR。此后人們陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了， MR很大的巨磁電阻（GMR效

2、應(yīng)和龐磁電阻（CMR 效應(yīng)，以及隧道結(jié)磁電阻（TMR二、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。三、實(shí)驗(yàn)原理材料的磁電阻和其在磁場(chǎng)中的磁化方向有關(guān)， 即磁阻值是其磁化方向與電流 方向之間夾角的函數(shù)。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，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：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，通常?。簩?duì)于大多數(shù)材料 （0），故：如果0 av，則說(shuō)明該樣品在退磁狀態(tài)下有磁疇結(jié)構(gòu)，即磁疇分布非完全各項(xiàng)同性。圖-1是

3、曾用作磁盤(pán)讀出磁頭和磁場(chǎng)傳感器材料的 NiFew的磁電阻曲 線,各向異性明顯。圖中的雙峰是材料的磁滯引起的。圖-2是一些鐵磁金屬與合金薄膜的各向異性磁電阻曲線。:I T 工T-HT-.-20Q-IOO flJ. 3衛(wèi) J血 *Jr- 王 丄1丄2 Z 2 i rd X仏）電流力向2秘場(chǎng)方向平打Ut）電菠方向與羸場(chǎng)方向基宜圖H） MFV薄眾的戰(zhàn)電陽(yáng)曲線實(shí)驗(yàn)儀器亥姆霍茲線圈、大功率恒流電源、大功率掃描電源、精密恒流源、數(shù)字萬(wàn)用 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、亥姆霍茲線圈中通的電流比較大，因而不能長(zhǎng)時(shí)間讓線圈工作在強(qiáng)電流下， 以免燒毀線圈。所以讀數(shù)時(shí)間需要控制，取樣點(diǎn)不宜過(guò)多；2、實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)要將各個(gè)電源歸零，關(guān)閉

4、數(shù)字萬(wàn)用表。3、在記錄過(guò)程中，在樣品電壓變化緩慢的區(qū)域，線圈電流可以變化的快一些， 在樣品電壓變化快的區(qū)域，線圈電流要緩慢變化。每組取樣點(diǎn)控制在60個(gè)左右4、有時(shí)數(shù)據(jù)有明顯跳動(dòng)，這樣的點(diǎn)不能選取，需要尋找下一個(gè)讀數(shù)穩(wěn)定的點(diǎn)；四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 方法（1）將樣品切成窄條，這在測(cè)AMR寸是必需的。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：其中 是磁場(chǎng)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)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 電極間的電流線是平行的。（2）用非共線四探針?lè)y(cè)電阻值如圖-3所示。

5、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。圖-31.測(cè)量Fe Ni薄膜的AMR將大功率恒流源與亥姆霍茲線圈連接。將樣品裝上四探針夾具，并作如圖-3所示連接。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(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5-15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1-100mA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)大功率恒流源輸出電流，從零開(kāi)始，逐點(diǎn)增大，以改變磁場(chǎng)大小，

6、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度固定好，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。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 電流與磁場(chǎng)方向平行：記錄的數(shù)據(jù)用origin作圖如圖-4 :圖-4平行磁場(chǎng)時(shí)電壓與磁場(chǎng)變化關(guān)系圖由實(shí)驗(yàn)原理可知水平方向電流正比于磁場(chǎng)，而豎直方向電壓正比于電阻率， 所以上圖可以看作是磁場(chǎng)與電流方向垂直時(shí)待測(cè)樣品的A

7、MR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l=6mA而電壓是實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的值，因而電壓與電阻率 成正比，實(shí)驗(yàn)測(cè)得電壓隨磁場(chǎng)的變化與電阻率隨磁場(chǎng)變化情況一樣。圖中的兩個(gè)谷值為 6.632mV和6.652mV,取平均為6.642mV 又電流為6mA, 有：Ro =6.6426= 1.107圖中的三個(gè)飽和值為 6.807mV,6.829mV,6.840mV,取平均為6.825mV,有:6.8256= 1.1375電流與磁場(chǎng)方向垂直: 記錄的數(shù)據(jù)用origin作圖如圖-5所示：圖-5

8、垂直磁場(chǎng)時(shí)電壓與磁場(chǎng)變化關(guān)系圖同樣，圖中兩個(gè)峰值為6.642mV和 6.650mV,取其平均為6.646mV。三個(gè)飽和值為 6.540mV,6.551mV,6.556mV,其平均值為 6.549mV 所以有：結(jié)合平行時(shí)的數(shù)據(jù)，有：數(shù)據(jù)分析：1、在理想情況下，雙峰或雙谷應(yīng)關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，但在該實(shí)驗(yàn)中，雙峰和雙谷關(guān)于原點(diǎn)有明顯的偏移，這可能由樣品的磁滯回線不對(duì)稱(chēng)引起，也可能由儀 器的系統(tǒng)誤差引起。2、其次我們發(fā)現(xiàn)第一次的峰值（谷值）總是比第二次的峰值（谷值）小，這是因?yàn)殡S著測(cè)量時(shí)間的推移，測(cè)得的磁電阻曲線有明顯向高電阻方向移動(dòng)的 趨勢(shì)。這是由于樣品通電后會(huì)產(chǎn)生焦耳熱， 隨著時(shí)間的推移，樣品溫度逐 漸

9、升高，電阻率變大。由于第一次測(cè)量取點(diǎn)較多，時(shí)間較長(zhǎng)，可以看出， 其兩次峰值的差也較多，與理論符合。3、 兩次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和最終的飽和電壓值都不一樣，這也有可能是因?yàn)榇艤木壒蔬€有可能是因?yàn)椴牧显诖穗妷合逻€沒(méi)有能達(dá)到飽和狀態(tài)。 更大的影響也是 因?yàn)榇嬖诮苟鸁釋?duì)電阻率的正作用，導(dǎo)致一定時(shí)間后電阻率增加。由于開(kāi) 始測(cè)量時(shí)熱效應(yīng)較微弱，電壓值也較小，等一個(gè)周期的時(shí)間過(guò)去，熱效應(yīng) 變大，回到起始點(diǎn)時(shí)電壓值也變大。4、 從數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)說(shuō)，在電流平行和垂直于磁場(chǎng)時(shí)，的值相差很小，說(shuō)明數(shù)據(jù)峰谷的讀數(shù)較為準(zhǔn)確。我們?cè)谟?jì)算中用兩次平均值的方式比較合理。5、將實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶入av =1(+2)中有：1 av = (1.137

10、5+2 1.0915)=1.1068，3我們推導(dǎo)AM戀式的時(shí)候做了 av = 0的近似，這樣看來(lái)，近似帶來(lái)了一定的誤差。誤差產(chǎn)生的原因是樣品在退磁狀態(tài)下有磁疇織構(gòu)，即磁疇分布并非完全各向同性。六、誤差分析1實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)儀器存在系統(tǒng)誤差。實(shí)驗(yàn)儀器的精度會(huì)產(chǎn)生一定誤差，還有 讀書(shū)時(shí)有可能數(shù)據(jù)并不穩(wěn)定，也產(chǎn)生了一定的誤差。2、 在計(jì)算中做了近似，比如 av = 0，在本次實(shí)驗(yàn)中這樣的近似，對(duì) AMR生的誤差約為AMF計(jì)算值的1.1068-1.10735 =-0.0005=0.5%?？梢?jiàn)近似產(chǎn)1.1068生的誤差很小，在一般情況下可以忽略。3、前面分析過(guò)，隨著測(cè)量時(shí)間的推移，測(cè)得的磁電阻曲線有明顯向高電

11、阻 方向移動(dòng)的趨勢(shì)。電阻率增幅可高達(dá)到 1%左右，而實(shí)驗(yàn)最終的AMF也不 過(guò)才4.15%，可見(jiàn)測(cè)量時(shí)間越長(zhǎng)，由熱效應(yīng)引起的誤差越大越不可忽略。在讀取平行方向和垂直方向的飽和電壓值時(shí)，我們對(duì)起始點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)的 電壓值取了平均，其實(shí)這并不合理。熱效應(yīng)對(duì)電阻率的影響到時(shí)第一次 讀數(shù)比第二次讀數(shù)更加準(zhǔn)確，取平均導(dǎo)致飽和電壓值偏高。但是由于計(jì)算AMF寸有AMR，分母上兩次飽和電壓值相減，消除了誤差。04、由于有測(cè)量步長(zhǎng)的限制，所取的點(diǎn)不能完全反應(yīng)材料的特性，特別是在 峰值或估值附近，數(shù)據(jù)變化太明顯，雖然減少了步長(zhǎng)，但是并不能準(zhǔn)確 讀出峰值或谷值，仍然存在一定的誤差。七、思考題1、 測(cè)量AMF后計(jì)算出的av

12、， 0是否相同，如不同說(shuō)明什么問(wèn)題？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)出的磁電阻曲線與自動(dòng)測(cè)出的磁電阻曲線有何異同，為什 么？手動(dòng)測(cè)出的磁電阻曲線相對(duì)于自動(dòng)測(cè)出的磁電阻曲線有明顯的基線漂 移，即隨著測(cè)量時(shí)間的增加，測(cè)得的曲線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)，如何更好地選取流過(guò)樣品的測(cè)量電流大??？手動(dòng)測(cè)量時(shí)，測(cè)量電流不應(yīng)太大，否則熱效應(yīng)帶來(lái)的影響過(guò)于突出；自 動(dòng)測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量時(shí)間短，測(cè)量電流可以稍大，以達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)精度。4、

13、測(cè)量中如何減小熱效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響？測(cè)量應(yīng)盡量迅速，控制取點(diǎn)數(shù)目；測(cè)量時(shí)樣品應(yīng)處于良好通風(fēng)環(huán)境中；必要時(shí)可以采用有關(guān)的恒溫設(shè)備。5、樣品夾具采用材料有何要求？材料應(yīng)該不具有鐵磁性，在外加磁場(chǎng)的作用下，其磁性變化應(yīng)越小越好。八、實(shí)驗(yàn)小結(jié)本次實(shí)驗(yàn)鍛煉了我們的動(dòng)手能力，將一定磁場(chǎng)條件下材料電阻率的改變用 電壓，電流等容易測(cè)量的量來(lái)表征。通過(guò)在密集數(shù)據(jù)點(diǎn)處改變步長(zhǎng)，近似求解等 方法，近似測(cè)量了磁電阻，并對(duì)數(shù)據(jù)特征和可能的對(duì)應(yīng)原理進(jìn)行一一分析。九、參考文獻(xiàn)1、黃潤(rùn)生等，近代物理實(shí)驗(yàn)（第二版），南京大學(xué)出版社。附錄：原始數(shù)據(jù)平行垂直I( AU( mVp( A)U( mVI（ A）U( mVI（ A）U（ m

14、V）6.006.807-1.336.7576.006.540-3.636.5614.986.805-1.536.7684.506.546-2.296.5694.066.800-1.926.7832.866.552-1.146.5813.506.797-2.256.7921.426.564-0.566.5912.996.793-2.736.8010.586.575-0.146.6012.536.788-3.456.8100.216.5850.136.6122.066.782-4.496.820-0.136.5960.296.6231.616.774-5.146.824-0.426.6070.36

15、6.6301.306.768-6.106.829-0.546.6140.406.6311.066.762-5.226.826-0.626.6170.466.6360.806.756-3.496.820-0.796.6310.536.6430.756.747-2.996.812-0.906.6380.586.6490.586.743-2.336.804-0.936.6420.626.6500.446.736-1.736.794-0.966.6320.656.6440.246.729-1.326.785-0.996.6330.666.6350.126.724-0.966.773-1.006.6070.706.617-0.046.718-0.636.760-1.026.6010.736.609-0.156.712-0.356.746-1.166.5870.806.596-0.326.703-0.146.734-1.526.5780.996.589-0.426.6940.006.722-2.336.5661.456.580-0.496.6880.186.708-3.796.5582.036.571-0.586.6810.326.693-4.336.5573.136.564-0.636.6750.426.681-4.796.5544.086.562-0.676.6670.496