《磁阻效應(yīng)演示》課件

磁阻效應(yīng)演示磁阻效應(yīng)是材料在外加磁場(chǎng)作用下電阻發(fā)生變化的物理現(xiàn)象目錄基本概念磁阻效應(yīng)定義、歷史、原理實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量技術(shù)、實(shí)驗(yàn)裝置、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用與發(fā)展什么是磁阻效應(yīng)？定義材料在外加磁場(chǎng)作用下電阻發(fā)生變化的物理現(xiàn)象物理本質(zhì)磁場(chǎng)影響載流子運(yùn)動(dòng)軌跡和散射過程表現(xiàn)形式電阻隨磁場(chǎng)增加而增大或減小磁阻效應(yīng)的歷史11856年威廉·湯姆遜首次發(fā)現(xiàn)普通磁阻效應(yīng)21975年發(fā)現(xiàn)各向異性磁阻效應(yīng)31988年費(fèi)爾特和格林貝格發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)41995年首次發(fā)現(xiàn)隧道磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)的基本原理外加磁場(chǎng)建立磁場(chǎng)環(huán)境載流子運(yùn)動(dòng)電子軌跡受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)散射過程電子與晶格、雜質(zhì)碰撞概率改變電阻變化材料電阻值發(fā)生改變磁阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)磁阻比定義MR=[R(B)-R(0)]/R(0)1材料參數(shù)關(guān)系與材料遷移率μ和磁場(chǎng)強(qiáng)度B相關(guān)2量子效應(yīng)表達(dá)高磁場(chǎng)下需考慮量子效應(yīng)3溫度依賴性需引入溫度T作為參數(shù)4磁阻效應(yīng)的類型1隧道磁阻效應(yīng)基于量子隧穿原理2巨磁阻效應(yīng)多層膜結(jié)構(gòu)中的自旋相關(guān)散射3各向異性磁阻效應(yīng)鐵磁材料中的自旋軌道耦合4普通磁阻效應(yīng)洛倫茲力引起的電子軌道彎曲普通磁阻效應(yīng)物理機(jī)制洛倫茲力使載流子軌道發(fā)生彎曲電子平均自由程減小散射概率增加特點(diǎn)電阻隨磁場(chǎng)增加而增大磁阻比較小，一般為幾個(gè)百分點(diǎn)在半導(dǎo)體和金屬中均可觀察到各向異性磁阻效應(yīng)物理機(jī)制自旋軌道耦合導(dǎo)致1特征表現(xiàn)電阻與電流和磁化方向夾角相關(guān)2典型材料鐵、鎳、鈷等鐵磁性材料3應(yīng)用領(lǐng)域磁傳感器、磁記錄頭4巨磁阻效應(yīng)多層膜結(jié)構(gòu)鐵磁/非磁性/鐵磁交替排列自旋依賴散射電子散射與自旋方向相關(guān)磁場(chǎng)調(diào)控改變磁層磁化方向隧道磁阻效應(yīng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)鐵磁/絕緣體/鐵磁三明治結(jié)構(gòu)物理機(jī)制量子隧穿效應(yīng)與自旋極化性能優(yōu)勢(shì)磁阻比可達(dá)數(shù)百至上千個(gè)百分點(diǎn)主要應(yīng)用MRAM、高靈敏度磁傳感器磁阻效應(yīng)的物理機(jī)制經(jīng)典機(jī)制洛倫茲力導(dǎo)致載流子軌道彎曲散射率變化影響電導(dǎo)率量子機(jī)制自旋極化影響電子輸運(yùn)量子干涉效應(yīng)熱力學(xué)機(jī)制磁場(chǎng)影響電子態(tài)密度能帶結(jié)構(gòu)變化洛倫茲力的作用洛倫茲力公式F=q(v×B)力的大小與速度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比方向垂直于速度和磁場(chǎng)平面對(duì)載流子運(yùn)動(dòng)的影響載流子運(yùn)動(dòng)軌跡彎曲螺旋軌道形成有效平均自由程縮短電子散射機(jī)制晶格散射電子與晶格振動(dòng)相互作用雜質(zhì)散射電子與雜質(zhì)原子碰撞界面散射電子在材料界面發(fā)生散射自旋散射電子自旋與磁矩相互作用自旋依賴散射1自旋極化電流鐵磁材料中電子自旋方向不均勻分布2散射概率差異平行自旋散射弱，反平行自旋散射強(qiáng)3電導(dǎo)通道形成自旋向上和自旋向下形成兩個(gè)電導(dǎo)通道4磁場(chǎng)調(diào)控外磁場(chǎng)改變材料磁化方向，影響散射過程磁阻材料半導(dǎo)體材料銻化銦、碲化汞、砷化鎵金屬材料鐵、鎳、鈷及其合金多層膜材料Fe/Cr、Co/Cu多層膜氧化物材料錳氧化物、鐵氧體半導(dǎo)體磁阻材料窄帶隙半導(dǎo)體InSb、HgTe等，遷移率高，磁阻效應(yīng)明顯磁性半導(dǎo)體摻雜稀磁半導(dǎo)體，如Ga(Mn)As半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣系統(tǒng)，量子阱、量子點(diǎn)金屬磁阻材料鐵鎳合金、鈷薄膜、鉍晶體、坡莫合金是常用金屬磁阻材料重金屬元素鉍在低溫下表現(xiàn)出較大磁阻效應(yīng)多層膜磁阻材料10-80%GMR效應(yīng)大小Fe/Cr、Co/Cu多層膜200%TMR效應(yīng)大小CoFeB/MgO/CoFeB結(jié)構(gòu)5-10nm典型層厚鐵磁層和非磁層厚度磁阻效應(yīng)的測(cè)量方法樣品制備標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀，電極連接磁場(chǎng)施加電磁鐵或超導(dǎo)磁體電流通入恒流源提供穩(wěn)定電流電壓測(cè)量高精度電壓表記錄四探針法原理外側(cè)兩個(gè)探針提供電流內(nèi)側(cè)兩個(gè)探針測(cè)量電壓消除接觸電阻影響適用情況體材料測(cè)量薄膜電阻測(cè)量高精度要求場(chǎng)合范德堡法樣品形狀任意形狀薄片，四個(gè)點(diǎn)接觸1測(cè)量步驟不同電極組合測(cè)量電阻2計(jì)算方法利用范德堡公式計(jì)算電阻率3應(yīng)用優(yōu)勢(shì)適用于霍爾效應(yīng)和磁阻同時(shí)測(cè)量4磁阻效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置磁場(chǎng)系統(tǒng)電磁鐵或超導(dǎo)磁體磁場(chǎng)強(qiáng)度控制系統(tǒng)電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)高精度電源納伏級(jí)電壓表樣品臺(tái)溫度控制系統(tǒng)樣品旋轉(zhuǎn)裝置亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)兩個(gè)半徑相同的環(huán)形線圈間距設(shè)計(jì)線圈間距等于線圈半徑磁場(chǎng)特性中心區(qū)域具有高度均勻磁場(chǎng)控制方式通過調(diào)節(jié)電流控制磁場(chǎng)強(qiáng)度恒流源工作原理輸出恒定電流，不受負(fù)載變化影響常用運(yùn)算放大器構(gòu)建負(fù)反饋穩(wěn)定電流值技術(shù)參數(shù)電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.01%噪聲水平低于1μA溫漂系數(shù)小于10ppm/°C高斯計(jì)霍爾探頭基于霍爾效應(yīng)測(cè)量磁場(chǎng)測(cè)量范圍0.1Gs至20kGs精度測(cè)量精度優(yōu)于0.1%方向測(cè)量可測(cè)三軸方向磁場(chǎng)分量數(shù)字萬用表電阻測(cè)量四線制測(cè)量，消除導(dǎo)線電阻電壓測(cè)量微伏級(jí)分辨率，測(cè)量霍爾電壓電流控制監(jiān)測(cè)電流穩(wěn)定性，確保測(cè)量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)采集通過接口與計(jì)算機(jī)連接，自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)磁阻效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備樣品安裝，儀器連接系統(tǒng)校準(zhǔn)磁場(chǎng)標(biāo)定，電阻基準(zhǔn)測(cè)量測(cè)量過程改變磁場(chǎng)，記錄電阻變化4數(shù)據(jù)分析計(jì)算磁阻比，繪制磁阻曲線樣品準(zhǔn)備薄膜沉積、引線鍵合、樣品固定、電極連接是樣品準(zhǔn)備關(guān)鍵步驟磁場(chǎng)校準(zhǔn)電流(A)磁場(chǎng)(T)線圈電流與磁場(chǎng)強(qiáng)度呈線性關(guān)系，校準(zhǔn)曲線用于實(shí)驗(yàn)中精確控制磁場(chǎng)電阻測(cè)量1零磁場(chǎng)測(cè)量記錄樣品初始電阻R?2施加磁場(chǎng)按步長(zhǎng)逐漸增加磁場(chǎng)強(qiáng)度3多點(diǎn)采集每個(gè)磁場(chǎng)點(diǎn)記錄電阻值R(B)4重復(fù)驗(yàn)證多次測(cè)量取平均值確?？煽啃詳?shù)據(jù)記錄磁場(chǎng)B(T)電阻R(Ω)磁阻比MR(%)0100.000.2105.25.20.4112.712.70.6122.522.50.8134.834.8磁阻效應(yīng)的數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)處理電阻數(shù)據(jù)歸一化磁阻比計(jì)算曲線擬合確定數(shù)學(xué)模型提取物理參數(shù)誤差分析系統(tǒng)誤差評(píng)估隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)磁阻比計(jì)算不同類型材料的磁阻比差異顯著，隧道磁阻效應(yīng)具有最高磁阻比磁阻曲線繪制普通磁阻曲線電阻隨磁場(chǎng)單調(diào)增加各向異性磁阻曲線電阻隨磁場(chǎng)方向變化巨磁阻曲線電阻急劇下降，飽和特性明顯誤差分析系統(tǒng)誤差儀器精度限制1隨機(jī)誤差環(huán)境干擾、溫度波動(dòng)2人為誤差操作不規(guī)范導(dǎo)致3校正方法統(tǒng)計(jì)分析、多次測(cè)量4磁阻效應(yīng)的應(yīng)用未來前沿量子計(jì)算、自旋電子學(xué)專業(yè)領(lǐng)域生物檢測(cè)、航空航天、科學(xué)儀器工業(yè)應(yīng)用自動(dòng)控制、電機(jī)傳感、位置檢測(cè)消費(fèi)電子硬盤讀取頭、電子羅盤、智能設(shè)備磁傳感器工作原理利用磁阻效應(yīng)感知外部磁場(chǎng)變化將磁場(chǎng)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出信號(hào)調(diào)理電路放大處理應(yīng)用領(lǐng)域電子羅盤電流測(cè)量位置和速度傳感器生物磁場(chǎng)檢測(cè)磁記錄頭硬盤存儲(chǔ)GMR技術(shù)使存儲(chǔ)密度大幅提升讀取原理磁頭感知磁盤表面磁化狀態(tài)變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化并放大磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器非易失特性斷電后數(shù)據(jù)不丟失高速讀寫接近DRAM速度無限耐久性寫入次數(shù)無限制低功耗靜態(tài)功耗幾乎為零磁阻效應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用磁免疫分析檢測(cè)生物分子的新方法磁共振成像高靈敏度磁場(chǎng)傳感器芯片實(shí)驗(yàn)室集成磁標(biāo)記檢測(cè)系統(tǒng)磁阻效應(yīng)在航空航天中的應(yīng)用導(dǎo)航系統(tǒng)磁場(chǎng)測(cè)量輔助定位姿態(tài)控制地磁場(chǎng)參考電流監(jiān)測(cè)非接觸式電流測(cè)量接近探測(cè)位置和距離傳感磁阻效應(yīng)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用車輪速度傳感器ABS系統(tǒng)核心組件位置傳感器檢測(cè)踏板、閥門位置轉(zhuǎn)向角度傳感器電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)電池電流監(jiān)測(cè)混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車磁阻效應(yīng)的最新研究進(jìn)展1拓?fù)浯抛栊?yīng)拓?fù)浣^緣體中的新型磁阻現(xiàn)象2超巨磁阻效應(yīng)磁阻比高達(dá)1000%以上3自旋軌道磁阻基于自旋軌道耦合的新機(jī)制4二維材料磁阻石墨烯等二維材料中的磁阻研究自旋電子學(xué)基本概念利用電子自旋自由度超越傳統(tǒng)電子學(xué)關(guān)鍵技術(shù)自旋注入自旋傳輸和操控主要應(yīng)用自旋晶體管自旋邏輯器件拓?fù)浯判圆牧贤負(fù)浔Ｗo(hù)態(tài)邊緣態(tài)對(duì)缺陷不敏感量子化電導(dǎo)非平庸帶隙結(jié)構(gòu)磁性拓?fù)洳牧洗判酝負(fù)浣^緣體軸子磁性材料外爾半金屬二維磁性材料CrI?、Fe?GeTe?、VSe?、MnSe?是典型二維磁性材料單層原子厚度下仍保持磁性，展現(xiàn)獨(dú)特量子行為磁阻效應(yīng)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇技術(shù)挑戰(zhàn)提高材料靈敏度降低噪聲水平擴(kuò)大工作溫度范圍提高穩(wěn)定性和可靠性發(fā)展機(jī)遇量子信息技術(shù)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算可穿戴柔性設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)提高靈敏度材料優(yōu)化新型高靈敏度磁阻材料開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多層膜結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化信號(hào)處理低噪聲放大和數(shù)字濾波系統(tǒng)集成磁通聚集器引導(dǎo)磁場(chǎng)降低功耗自旋軌道力矩(SOT)技術(shù)可大幅降低功耗，未來技術(shù)有望再降低數(shù)倍提高工作溫度范圍-40°C低溫極限航空航天應(yīng)用需求150°C高溫極限汽車發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境200°C研發(fā)目標(biāo)工業(yè)極端環(huán)境400°C理論極限特種材料潛力磁阻效應(yīng)的未來發(fā)展方向1量子磁阻效應(yīng)量子相干效應(yīng)與磁阻的結(jié)合納米尺度器件尺寸效應(yīng)帶來的新物理現(xiàn)象3柔性可穿戴設(shè)備適應(yīng)復(fù)雜形狀的磁傳感器量子磁阻效應(yīng)量子隧穿電子波函數(shù)穿透勢(shì)壘量子干涉電子波相干疊加量子糾纏自旋狀態(tài)非局域關(guān)聯(lián)量子霍爾效應(yīng)電阻量子化的特殊現(xiàn)象人工智能與磁阻效應(yīng)智能材料設(shè)計(jì)AI預(yù)測(cè)最佳材料組合自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)機(jī)器人系統(tǒng)高通量測(cè)試神經(jīng)形態(tài)計(jì)算磁阻器件模擬神經(jīng)元功能柔性磁阻器件柔性基底聚酰亞胺、PET薄膜1磁性薄膜納米尺度柔性磁性層2封裝保護(hù)防氧化、防濕氣層3應(yīng)用場(chǎng)景可穿戴設(shè)備、電子皮膚4磁阻效應(yīng)在教學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)價(jià)值綜合多學(xué)科知識(shí)點(diǎn)展示現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)技能理論與實(shí)踐結(jié)合教學(xué)形式課堂講解演示實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐虛擬仿真實(shí)驗(yàn)研究性學(xué)習(xí)項(xiàng)目磁阻效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)測(cè)量材料磁阻效應(yīng)2實(shí)驗(yàn)原理磁場(chǎng)中電阻變化規(guī)律3實(shí)驗(yàn)器材電磁鐵、樣品、測(cè)量電路4實(shí)驗(yàn)步驟按磁場(chǎng)強(qiáng)度記錄電阻變化5數(shù)據(jù)分析計(jì)算磁阻比，繪制關(guān)系曲線虛擬仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)值模擬磁場(chǎng)與電阻關(guān)系計(jì)算交互操作虛擬調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)參數(shù)