各向異性磁電阻、巨磁電阻測(cè)量

1、實(shí)驗(yàn)10.1 各向異性磁電阻、巨磁電阻測(cè)量一. 實(shí)驗(yàn)?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(cè)量方法。二實(shí)驗(yàn)原理一般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成=（H）-（0），其中（H）和（0）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： 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(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，稱之為各向異性磁電阻，簡(jiǎn)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(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(jiǎn)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(dá)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(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)，稱之為龐磁電阻，簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)，即與從退磁狀態(tài)到趨于磁飽和過(guò)程的相應(yīng)的電阻變化。外加磁場(chǎng)與電流方向的夾角不同，飽和磁化時(shí)的電阻率不一樣，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(duì)磁電阻的貢獻(xiàn)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(shuō)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(chǎng)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(shí)約為42.7%；Co/Cu多層膜室溫MR可達(dá)60%80%，遠(yuǎn)大于AMR，故稱為巨磁電阻。這種巨磁電阻的特點(diǎn)是：(1) 數(shù)值比AMR

4、大得多。(2) 基本上為各向同性。圖中高場(chǎng)部分的雙線分別對(duì)應(yīng)于和，其差值為AMR的貢獻(xiàn)。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(fù)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(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)，各層反平行排列，電阻最大；加外磁場(chǎng)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(duì)，在x=0.20.5范圍內(nèi)都觀測(cè)到CMR和鐵磁性。這種CMR的特點(diǎn)為：(1) 數(shù)值遠(yuǎn)大于多層膜的GMR；(2) 各向同性；(3) 負(fù)磁電阻性，即磁場(chǎng)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(huì)很快降低；(5) 目前只有少部分材料的居里點(diǎn)高于室溫；(6) 觀察這類材料CMR的外加磁場(chǎng)比較高，一般需Tesla量級(jí)。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(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)步驟(1) 將樣品垂直于磁場(chǎng)方向擺放；(2) 打開(kāi)電源，將精密恒流源調(diào)至6 mA，給樣品通過(guò)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(chǎng)；(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(guò)程中注意找極值點(diǎn)，隨時(shí)調(diào)整電流變化步長(zhǎng)，記錄調(diào)整過(guò)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析1. 數(shù)據(jù)記錄（1）當(dāng)樣品電流與外磁場(chǎng)相互垂直時(shí)，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(duì)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(duì)應(yīng)U-I曲線：將兩圖合并到同一圖中有：（2） 當(dāng)樣品電流與外磁場(chǎng)相互平行時(shí)，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(duì)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(duì)應(yīng)U-I曲線：合并到同一圖中有：2. 數(shù)據(jù)分析計(jì)算：當(dāng)掃描電源電流按照6A -6A 6A變化，不論電流方向與磁場(chǎng)方向垂直還是平行，圖像都會(huì)出現(xiàn)雙峰，且峰值沒(méi)有與零點(diǎn)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(duì)于給定的合金材料，在測(cè)量中，忽略溫度導(dǎo)致的線度改變，可以認(rèn)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(chǎng)垂直時(shí)，峰值為樣品完全退磁時(shí)的電阻，即，對(duì)應(yīng)；電阻隨磁場(chǎng)變化趨于的穩(wěn)定值為樣品的垂直磁電阻，

13、即，對(duì)應(yīng)。對(duì)兩個(gè)峰值和四個(gè)穩(wěn)定值分別求平均，可得：， 電流與磁場(chǎng)平行時(shí)，谷值為樣品完全退磁時(shí)的電阻，即，對(duì)應(yīng)；電阻隨磁場(chǎng)變化趨于的飽和值為樣品的平行磁電阻，即，對(duì)應(yīng)。對(duì)兩個(gè)谷值和四個(gè)飽和值分別求平均，可得：，分析： (1) 由以上數(shù)據(jù)，易得 ，可見(jiàn)，和并不相等，這說(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) 由圖，顯然隨著測(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，樣品溫度逐漸升高，電阻率變大，熱效應(yīng)不再可以忽略，以至當(dāng)一個(gè)測(cè)量周期完成時(shí)，電阻率增幅可高達(dá)到1%左右，而實(shí)驗(yàn)最終的AMR也不過(guò)才3.3%，可見(jiàn)

14、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。(3) 試驗(yàn)并沒(méi)有直接測(cè)量沒(méi)有外磁場(chǎng)時(shí)樣品的電阻，這是由于樣品此前已經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，有一定的不確定剩磁，因而實(shí)驗(yàn)采用測(cè)量曲線中的峰值或谷值作為樣品完全退磁時(shí)的電阻。但在實(shí)驗(yàn)中，峰值或谷值附近電阻變化極大，測(cè)量選擇的步長(zhǎng)并不能保證實(shí)驗(yàn)恰好記錄到真正的峰值或谷值，從而給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)誤差。(4) 樣品的剩磁會(huì)使外磁場(chǎng)為零時(shí)的磁電阻并不對(duì)應(yīng)于樣品完全退磁時(shí)的電阻，因而磁電阻曲線會(huì)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(diǎn)對(duì)稱，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)稱引起，也可能由儀器的系統(tǒng)誤差引起。有一點(diǎn)需要注意，即樣

15、品退磁方向相同時(shí)，其磁電阻取極值的電磁鐵電流總是相等的(電流增加時(shí)，磁電阻總是在0.60 A左右取極值；電流減小時(shí)，磁電阻總是在-1.00 A左右取極值)，但由于樣品在磁場(chǎng)中的取向已旋轉(zhuǎn)了90，因而我更傾向于認(rèn)為雙峰或雙谷關(guān)于原點(diǎn)的不對(duì)稱性是由儀器的系統(tǒng)誤差引起的。(5) 實(shí)驗(yàn)中，、和求均值時(shí)，不同數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的溫度實(shí)際上已經(jīng)發(fā)生了較大變化，但由于兩個(gè)峰值或谷值總是在測(cè)量過(guò)程的前后各四分之一處左右得到，而四個(gè)穩(wěn)定值或飽和值總是在測(cè)量過(guò)程的起始處、二分之一處和終點(diǎn)處得到，如果認(rèn)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(gè)峰(谷)值和四個(gè)穩(wěn)定(飽和)值分別平均，將得到測(cè)量過(guò)程大約二分之一處時(shí)

16、的所對(duì)應(yīng)溫度的各個(gè)電阻值，這樣所得的數(shù)據(jù)誤差應(yīng)該比僅取其中部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行平均所得數(shù)據(jù)的誤差為小。五. 實(shí)驗(yàn)思考題1. 測(cè)量AMR后計(jì)算出的，是否相同，如不同說(shuō)明什么問(wèn)題？答：由數(shù)據(jù)分析中計(jì)算出的值可知，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，而是各向異性的。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？答：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)

17、量時(shí)，如何更好地選取流過(guò)樣品的測(cè)量電流大??？答：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)量電流可以較大，以達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)精度。4. 測(cè)量中如何減小熱效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響？ 答：（1）. 測(cè)量應(yīng)盡量迅速；（2）. 測(cè)量時(shí)樣品應(yīng)處于良好通風(fēng)環(huán)境中；（3）. 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。六實(shí)驗(yàn)討論1、觀察實(shí)驗(yàn)測(cè)得圖像，對(duì)比書上的圖像，可以看出本次實(shí)驗(yàn)的誤差還是很大的。其中最顯著一點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電阻隨時(shí)間變化具有明顯的上升趨勢(shì)。至于造成測(cè)量電阻隨時(shí)間變化而上升的原因，應(yīng)該主要