各向異性磁電阻、巨磁電阻測量

1、實驗10.1 各向異性磁電阻、巨磁電阻測量一. 實驗?zāi)康?1) 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。二實驗原理一般磁電阻是指在一定磁場下材料電阻率改變的現(xiàn)象。通常將磁場引起的電阻率變化寫成=（H）-（0），其中（H）和（0）分別表示在磁場H中和無磁場時的電阻率。磁電阻的大小常表示為： 其中可以是（0）或（H）。絕大多數(shù)非磁性導(dǎo)體的MR很小，約為，磁性導(dǎo)體的MR最大為3%5%，且電阻率的變化與磁場方向與導(dǎo)體中電流方向的夾角有關(guān)，即具有各向異性，稱之為各向異性磁電阻，簡記為AMR。1988年，在分子束外延制備的Fe/Cr多

2、層膜中發(fā)現(xiàn)MR可達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。1994年，人們又發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)在4.2K的MR為30%，室溫達18%，這種大的磁電阻效應(yīng)，人們將之稱為隧道結(jié)磁電阻，簡記為TMR。20世紀90年代后期，人們在摻堿土金屬稀土錳氧化物中發(fā)現(xiàn)MR可達，稱之為龐磁電阻，簡記為CMR。1. 各向異性磁電阻(AMR)一些磁性金屬和合金的AMR與技術(shù)磁化相對應(yīng)，即與從退磁狀態(tài)到趨于磁飽和過程的相應(yīng)的電阻變化。外加磁場與電流方向的夾角不同，飽和磁化時的電阻率不一樣，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AMR，即有和。若退磁狀態(tài)下磁疇是各

3、向同性分布的，疇壁散射變化對磁電阻的貢獻較小，將之忽略，則與平均值相等。大多數(shù)材料，故 AMR通常定義為 如果，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。圖10.1 - 3是曾用作磁盤讀出磁頭和磁場傳感器材料的的磁電阻曲線，很明顯，各向異性明顯。圖中雙峰是材料的磁滯引起的。圖10.1 - 4是一些鐵磁金屬與合金薄膜的各向異性磁電阻曲線。2. 多層膜的巨磁電阻(GMR)巨磁電阻效應(yīng)首次在Fe/Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)，其室溫下的MR約11.3%，4.2K時約為42.7%；Co/Cu多層膜室溫MR可達60%80%，遠大于AMR，故稱為巨磁電阻。這種巨磁電阻的特點是：(1) 數(shù)值比AMR

4、大得多。(2) 基本上為各向同性。圖中高場部分的雙線分別對應(yīng)于和，其差值為AMR的貢獻。該多層膜在300K和4.2K下分別為0.35%和2.1%。約為其GMR的二十分之一。(3) 多層膜磁電阻按傳統(tǒng)定義是負值，恒小于100%；常采用另一定義，用此定義數(shù)值為正，且可大于100%。(4) 中子衍射直接證實，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，各層反平行排列，電阻最大；加外磁場后，各層平行排列，電阻最小。如圖10.1 - 6 所示。(5) 多種磁性材料多層膜都有GMR，但并不是所有多層膜都有大的磁電阻，有的很小，甚至只觀察到AMR。圖10.1 - 5為這種多層

5、膜的磁電阻曲線。圖10.1 - 7是多層膜的磁電阻曲線。3. 摻堿土金屬稀土錳氧化物的龐磁電阻(CMR)圖10.1 - 8是薄膜樣品的電阻率、磁電阻隨溫度變化關(guān)系。該樣品的。到目前為止，對，在x=0.20.5范圍內(nèi)都觀測到CMR和鐵磁性。這種CMR的特點為：(1) 數(shù)值遠大于多層膜的GMR；(2) 各向同性；(3) 負磁電阻性，即磁場增大，電阻率降低；(4) CMR總是出現(xiàn)在居里溫度附近，隨溫度升高或降低，都會很快降低；(5) 目前只有少部分材料的居里點高于室溫；(6) 觀察這類材料CMR的外加磁場比較高，一般需Tesla量級。圖10.1 - 9是一種摻銀的La-Ca-Mn-O樣品的室溫磁電阻

6、曲線。 三. 實驗內(nèi)容1. 實驗儀器亥姆霍茲線圈，電磁鐵，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，四探針樣品夾具2. 實驗步驟(1) 將樣品垂直于磁場方向擺放；(2) 打開電源，將精密恒流源調(diào)至6 mA，給樣品通過恒定電流；(3) 將大功率恒流電源輸出電流調(diào)至6.00 A，使電磁鐵產(chǎn)生磁場；(4) 逐步單向調(diào)整大功率恒流電源輸出電流至-6.00 A，在此過程中注意找極值點，隨時調(diào)整電流變化步長，記錄調(diào)整過程中穩(wěn)定的電流值和相應(yīng)的微伏表的電壓值；(5) 反向調(diào)整大功率恒流電源輸出電流由-6.00 A至6.00 A，同上記錄數(shù)據(jù)；(6) 將樣品平行于磁場方向放置，重復(fù)(3)(5)，

7、記錄數(shù)據(jù)；(7) 將所有恒流源輸出調(diào)至零，關(guān)閉電源。四. 實驗結(jié)果與分析1. 數(shù)據(jù)記錄（1）當樣品電流與外磁場相互垂直時，記錄數(shù)據(jù)如下表：輸出電流6A -6A：U/mv5.7755.7765.7775.7805.7835.7875.7915.7945.7965.797I/A65.505.154.543.582.982.542.312.061.89U/mv5.7985.8005.8035.8055.8075.8105.8155.8175.8205.826I/A1.821.701.481.351.170.940.610.520.380.13U/mv5.8305.8355.8385.8425.843

8、5.8455.8475.8525.8575.860I/A0.03-0.15-0.22-0.32-0.34-0.38-0.4-0.49-0.55-0.60U/mv5.8635.8715.8775.8835.8725.8425.8355.8205.8145.811I/A-0.63-0.74-0.79-0.82-0.87-0.95-1.07-2.08-3.09-4.02U/mv5.8095.8085.807I/A-4.86-5.27-6.12 對應(yīng)U-I曲線： 輸出電流 -6A6AU/mv5.8095.8135.8165.8205.8255.8285.8345.8395.8445.848I/A-6-

9、5.23-4.73-4.58-3.33-2.70-1.66-1.16-0.81-0.51U/mv5.8525.8565.8605.8655.8745.8805.8865.8935.8985.906I/A-0.43-0.23-0.050.120.330.460.550.660.720.82U/mv5.8745.8655.8535.8435.8405.8375.8355.8335.8305.829I/A0.910.951.232.042.533.043.514.045.105.92U/mv5.829I/A6.10對應(yīng)U-I曲線：將兩圖合并到同一圖中有：（2） 當樣品電流與外磁場相互平行時，記錄數(shù)據(jù)

10、如下表： 輸出電流6A -6A：U/mv6.1216.1166.1116.1036.0896.0706.0576.0346.0216.004I/A6.044.743.873.001.891.000.580.07-0.14-0.34U/mv5.9995.9935.9855.9775.9725.9665.9605.9565.9505.961I/A-0.40-0.46-0.53-0.59-0.62-0.68-0.72-0.74-0.79-0.82U/mv6.0146.0356.0486.0736.0866.0966.1176.1276.1326.134I/A-0.89-0.96-1.06-1.46-

11、1.82-2.21-3.65-4.79-5.75-6.16 對應(yīng)U-I曲線： 輸出電流 -6A6AU/mv6.1366.1356.1296.1206.1086.0896.0586.0456.0406.030I/A-6.06-5.63-4.50-3.33-2.21-1.14-0.27-0.040.040.19U/mv6.0266.0186.0065.9965.9865.9775.9725.9665.9605.967I/A0.250.360.470.560.630.690.730.760.800.84U/mv6.0286.0486.0856.1106.1166.1266.1306.1346.138

12、6.138I/A0.911.001.592.573.013.904.605.185.936.01對應(yīng)U-I曲線：合并到同一圖中有：2. 數(shù)據(jù)分析計算：當掃描電源電流按照6A -6A 6A變化，不論電流方向與磁場方向垂直還是平行，圖像都會出現(xiàn)雙峰，且峰值沒有與零點重合，這是由于材料的磁滯現(xiàn)象引起的。由于電流I保持不變，為6mA，電壓V的變化亦為電阻R的變化。對于給定的合金材料，在測量中，忽略溫度導(dǎo)致的線度改變，可以認為電阻率變化的比值與電阻變化的比值相等同。因此R-H曲線亦可用U-I曲線表示。 電流與磁場垂直時，峰值為樣品完全退磁時的電阻，即，對應(yīng)；電阻隨磁場變化趨于的穩(wěn)定值為樣品的垂直磁電阻，

13、即，對應(yīng)。對兩個峰值和四個穩(wěn)定值分別求平均，可得：， 電流與磁場平行時，谷值為樣品完全退磁時的電阻，即，對應(yīng)；電阻隨磁場變化趨于的飽和值為樣品的平行磁電阻，即，對應(yīng)。對兩個谷值和四個飽和值分別求平均，可得：，分析： (1) 由以上數(shù)據(jù)，易得 ，可見，和并不相等，這說明樣品在退磁狀態(tài)下有磁疇織構(gòu)，即磁疇分布并非完全各向同性。(2) 由圖，顯然隨著測量時間的推移，測得的磁電阻曲線有明顯向高電阻方向移動的趨勢。這是由于樣品通電后會產(chǎn)生焦耳熱，隨著時間的推移，樣品溫度逐漸升高，電阻率變大，熱效應(yīng)不再可以忽略，以至當一個測量周期完成時，電阻率增幅可高達到1%左右，而實驗最終的AMR也不過才3.3%，可見

14、測量時間越長，由熱效應(yīng)引起的誤差越大越不可忽略。(3) 試驗并沒有直接測量沒有外磁場時樣品的電阻，這是由于樣品此前已經(jīng)過多次實驗，有一定的不確定剩磁，因而實驗采用測量曲線中的峰值或谷值作為樣品完全退磁時的電阻。但在實驗中，峰值或谷值附近電阻變化極大，測量選擇的步長并不能保證實驗恰好記錄到真正的峰值或谷值，從而給實驗帶來誤差。(4) 樣品的剩磁會使外磁場為零時的磁電阻并不對應(yīng)于樣品完全退磁時的電阻，因而磁電阻曲線會出現(xiàn)雙峰或雙谷。在理想情況下，雙峰或雙谷應(yīng)關(guān)于原點對稱，但在該實驗中，雙峰和雙谷關(guān)于原點有明顯的偏移，這可能由樣品的磁滯回線不對稱引起，也可能由儀器的系統(tǒng)誤差引起。有一點需要注意，即樣

15、品退磁方向相同時，其磁電阻取極值的電磁鐵電流總是相等的(電流增加時，磁電阻總是在0.60 A左右取極值；電流減小時，磁電阻總是在-1.00 A左右取極值)，但由于樣品在磁場中的取向已旋轉(zhuǎn)了90，因而我更傾向于認為雙峰或雙谷關(guān)于原點的不對稱性是由儀器的系統(tǒng)誤差引起的。(5) 實驗中，、和求均值時，不同數(shù)據(jù)對應(yīng)的溫度實際上已經(jīng)發(fā)生了較大變化，但由于兩個峰值或谷值總是在測量過程的前后各四分之一處左右得到，而四個穩(wěn)定值或飽和值總是在測量過程的起始處、二分之一處和終點處得到，如果認為樣品線性升溫，其電阻率隨溫度變化也是線性的話，將兩個峰(谷)值和四個穩(wěn)定(飽和)值分別平均，將得到測量過程大約二分之一處時

16、的所對應(yīng)溫度的各個電阻值，這樣所得的數(shù)據(jù)誤差應(yīng)該比僅取其中部分數(shù)據(jù)進行平均所得數(shù)據(jù)的誤差為小。五. 實驗思考題1. 測量AMR后計算出的，是否相同，如不同說明什么問題？答：由數(shù)據(jù)分析中計算出的值可知，不同，說明樣品在退磁狀態(tài)下有磁疇織構(gòu)，即磁疇分布并非完全各向同性，而是各向異性的。2. 按前述步驟手動測出的磁電阻曲線與自動測出的磁電阻曲線有何異同，為什么？答：手動測出的磁電阻曲線相對于自動測出的磁電阻曲線有明顯的基線漂移，即隨著測量時間的增加，測得的曲線明顯向高電阻方向移動。原因在于手動測量時間長，電流通過樣品產(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. 手動測量與自動測

17、量時，如何更好地選取流過樣品的測量電流大小？答：手動測量時，測量電流不應(yīng)太大，否則熱效應(yīng)帶來的影響過于突出；自動測量時，由于測量時間短，測量電流可以較大，以達到較好的實驗精度。4. 測量中如何減小熱效應(yīng)對測量的影響？ 答：（1）. 測量應(yīng)盡量迅速；（2）. 測量時樣品應(yīng)處于良好通風(fēng)環(huán)境中；（3）. 必要時可以采用有關(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，在外加磁場的作用下，其磁性變化應(yīng)越小越好。六實驗討論1、觀察實驗測得圖像，對比書上的圖像，可以看出本次實驗的誤差還是很大的。其中最顯著一點就是實驗測得的電阻隨時間變化具有明顯的上升趨勢。至于造成測量電阻隨時間變化而上升的原因，應(yīng)該主要