薄膜材料磁电阻效应实验

王立锦 编

北京科技大学材料学院实验测试中心

20xx年6月

1

薄膜材料磁电阻效应实验

用巨磁电阻（GMR）和各向异性磁电阻（AMR）磁性薄膜材料制作计算机硬盘读出磁头和各种弱磁传感器，已经广泛应用于信息技术、工业控制、航海航天导航等高新技术领域。通过本实验能够使同学们对磁性薄膜材料的知识和磁电子学有所了解，并由此引起对纳米磁性薄膜材料研究和应用的浓厚兴趣。本实验仪器由我校教师设计搭建，采用高精度纳伏表和数控恒流源，计算机自动采集和显示数据，具有结实牢固、操作简便等优点，适用于大专院校教学和科研使用。

一、实验目的

1.

2.

3.

4. 了解磁性薄膜材料科学和磁电子学的一些基本概念和知识； 了解磁电阻（MR），各向异性磁电阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）等一些基本概念； 了解和学会四探针法测量磁性薄膜磁电阻的原理和方法； 分析用四探针法测量薄膜磁电阻时可能产生的误差来源；

二、实验原理

1.磁性薄膜的磁电阻效应

磁电阻效应MR是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。表征磁电阻效应大小的物理量为MR，其定义为：

MR???????0

?0 ??100%

（1）

其中ρ和ρ0分别表示物质在某一不为零的磁场中和磁场为零时的电阻率。磁电阻效应按磁电阻值的大小和产生机理的不同可分为：正常磁电阻效应(OMR)、各向异性磁电阻效应(AMR)、巨磁电阻效应(GMR)和超巨磁电阻效应(CMR)等。

（1）正常磁电阻效应

正常磁电阻效应(OMR)为普遍存在于所有金属中的磁场电阻效应，它由英国物理学家W.Thomson于1856年发现。其特点是：

a.磁电阻MR>0

b.各向异性，但?>?(?和?分别表示外加磁场与电流方向垂直及平行时的电阻////??

率)

c.当磁场不高时，MR正比于H2

OMR来源于磁场对电子的洛伦兹力，该力导致载流体运动发生偏转或产生螺旋运动，因而使电阻升高。大部分材料的OMR都比较小。以铜为例，当H=10-3T时，铜的OMR仅为4?10-8%。

（2）各向异性磁电阻效应

在居里点以下，铁磁金属的电阻率随电流I与磁化强度M的相对取向而异， 称之为各向异性磁电阻效应。即????//。各向异性磁电阻值通常定义为：

AMR???/??(?//???)/?0 （2）

低温5K时，铁、钴的各向异性磁电阻值约为1%，而坡莫合金(Ni81Fe19)为15%，室温下坡莫合金的各向异性磁电阻值仍有2~3%。图1所示为厚度为200 nm的NiFe单层薄膜的磁电阻（MR）变化曲线。

2

图1 NiFe单层薄膜的磁电阻变化曲线

（3）磁性金属多层薄膜中的巨磁电阻效应

19xx年，德国科学家P.Grunberg和法国科学家A.Fert制成Fe/Cr/Fe三层薄膜和Fe/Cr 超晶格薄膜。其中，每个单层膜厚度只有几个纳米。19xx年Baibich etal报道：低温下（T=4K），外场为20KOe时，用分子束外延（MBE）方法生成（Fe3.0nm/Cr0.9nm）多层膜中电阻的变化率达50%。这种巨大的磁电阻效应被称为巨磁电阻效应，简记为GMR。这种效应立刻引起了各国科学家的注意，人们纷纷从理论上和实验上对其加以研究。Binasch等人报道了(Fe25.0nm/Cr1.0nm/Fe25.9nm)三明治结构当Cr 层厚度合适时，两Fe层之间存在反铁磁耦合作用。类似的反铁磁耦合和大的磁电阻效应也在Co/Ru和Co/Cr等多层结构中被观察到。19xx年，Dieny B独辟捷径，提出铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层自旋阀结构（Spin-valve）,并首先在NiFe/Cu/NiFe/FeMn中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。随后，人们在纳米颗粒膜、亚稳态合金膜、氧化物膜及磁隧道结多层膜等材料中也发现了GMR效应。目前，GMR的研究正向物理学的各领域渗透，并将推动纳米材料科学的进一步发展。

基于Mott的二流体模型可以对这种磁电阻进行简单解释。载流子自旋方向与铁磁层少数自旋子带电子的自旋方向平行时，受到的散射就强，对应电阻值大；而自旋方向与铁磁层多数自旋子带电子的自旋方向平行时，受到的散射就弱，对应电阻值小。当相邻铁磁层磁矩反平行时，在一个铁磁层中受散射较弱的电子进入另一铁磁层后必定遭受较强的散射，故从整体上说，所有电子都遭受较强的散射，表现为电阻RH值较大；而当相邻铁磁层磁矩趋于平行时，虽然和铁磁层少数自旋子带电子的自旋方向平行的电子受到极大的散射，但是和铁磁层多数自旋子带电子的自旋方向平行的电子在所有铁磁层中受的散射都弱，相当于构成了短路状态(如图2所示)，表现为电阻RL值较小。两种状态下的电阻分别为:

3

RP?RHRLRH?RL (3)

RAP?RH?RL2 (4)

磁电阻为：

RP?RAP

RAP(RH?RL)(RH?RL)22MR??

(5)

（a）相邻铁磁层的磁化方向反平行 （b）相邻铁磁层的磁化方向平行

图2.多层膜磁矩反平行、平行时自旋电子散射和对应电阻示意图

图3是几种周期性多层膜中的巨磁电阻效应

图3.几种周期性多层膜的巨磁电阻效应

2.磁性薄膜磁电阻的测量

由于铁磁金属薄膜磁的电阻很低，所以，它的电阻率的测量需要采用四端接线法，以以避免电极接触电阻对测量结果的影响。为了方便四端接线法已经发展成四探针法，测量时让四探针的针尖同时接触到薄膜表面上，对距离相等直线型四探针，恒流源从最外面二个探针流入，从另外二个探针测量电压。在薄膜的面积为无限大或远远大于四探针中相邻探针间距离的时候，金属薄膜的电阻率ρF可以由下式给出：

4

?F?

?ln2

?

VI

?d

（6）

公式（6）中，d是薄膜的膜厚，I是流经薄膜的电流，V是电流流经薄膜时产生的电压。

共线四探针不能测量薄膜各向异性磁电阻效应（AMR），必须采用非共线四探针来测量薄膜各向异性磁电阻效应。

y

I (-x0,y0) 。

II (x0,y0) 。

Q (-x,0)

P (x,0)

x

图4.电流探针与电压探针位置图

如图4所示，四探针测量中两个电流探针位置在I（－x0，y0），II（x0，y0）提供电流源，两个电压位置在Q（－x，0），P（x，0）获得取样电压。假设恒流源电流为I，电流探针接触膜面区域为无限小，电流密度J在膜厚度t内是均匀的，且薄膜为无限大，则薄膜上任一点电势为：

I4??tx?

y

(x?x0)?ln

(x?x0)?

2

2

????

xyxy

(y?y0)(y?y0)

2

?(x,y)?

（7）

2

式中?x，?y分别是金属薄膜在x和y方向的电导率， 如果电压探针位置为Q（－x，0），P（x，0），则?(q,p)(x,0)??p(x,0)??Q(?x,0)。由（2）式得出

(x?x0)?ln

y

2

????

xyxy

?(q,p)(x,0)?2

I2??tx?

y0y0

2

（8）

(x?x0)?

22

可以推出

??

与

??(q,p)

之间的关系为

??

1M

r

?0?0

?0

?

?(q,p)//??(q,p)?(?(q,p)//??(q,p)?)/2

?

1M

r

??(q,p)

?0

（9）

其中：Mr是探针因子

5

Mr?1/r??1/r?lnr??lnr?y02 （10）

r?和r?定义为：

r??(x?x0)?y0；r??(x?x0)?y0 （11） 222222

显然对干共线探针，由于y0?0,Mr?0不能测出由??所引起的电压??的变化；对

非共线探针，Mr值取决于探针的相对位置，我们可以求出当x?0.677时

?M

?xrx?0.677?0,Mr?1.038。 （12）

此时，由探针x坐标的偏移所引起的误差为最小。由于平行磁场的电流线在y方向的分布不均匀，探针坐标在y方向的偏移引起的误差较大。如果被测薄膜面积较小，Mr还要作出适

当修正。

三、实验装置

薄膜材料磁电阻效应测试系统的框图如图5所示。恒流源可以提供0.01~50毫安的工作电流；电压信号通过2182纳伏表测定；扫场电源给霍姆亥兹线圈提供缓变的励磁电流，使之在样品区产生均匀的磁场。霍姆亥兹线圈产生的磁场由取样电阻经过定标后，通过2000毫伏表实时测定；2182和2000通过IEEE-488标准接口与微机相联，通过程序控制自动读取数据并输入微机。样品台与下面的360°刻度盘相连，样品可以在水平面内自由旋转。我们设计有直线型四探针头和方型四探针头，实验时可根据薄膜样品的测量要求调换。

图5.薄膜材料磁电阻效应测试系统框图

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四、实验内容与步骤

1. 打开亥姆霍兹线圈自动扫描电源、MODEL4001数控恒流源、2182纳伏表和2000多用表电源开关，使仪器预热15分钟。

2. 认真观察镀有金属薄膜的玻璃衬底，确定具有金属薄膜的一面。

3. 调整样品台的高低，使样品台表面恰在两个亥姆霍兹线圈的中心，以保证样品处于均匀磁场中。

4. 把样品放在样品台上，使具有金属薄膜的一面向上。让四探针的针尖轻轻接触到金属薄膜的表面，只要四探针的所有针尖同薄膜有良好的接触即可。对各向异性磁电阻薄膜，易磁轴方向要与磁场方向平行。

5. 把四探针引线的端口分别相应地与数控恒流源的“电流输出”和2182纳伏表的“输入”相联接。注意电流的方向和电位的高低关系。

6. 将MODEL4001数控恒流源输出的工作电流设置适当大小，一般为几个毫安（设置方法参见该仪器使用说明书）。

7. 打开自动扫描电源的磁场自动扫描开关，调节扫描速度和幅度调节旋钮到适当位置，则磁场自动以一定幅度和速度来回扫描。

8. 打开计算机中的磁电阻测量控制程序，点击“测量”则开始采集数据。

9. 将数据文件用Origin软件处理、打印数据曲线。

五、实验报告要求

1.

2.

3.

4.

5.

实验目的要求 实验原理、仪器结构 主要实验步骤 测试结果曲线及计算结果 回答思考题

六、思考题

1. 简述Mott的二流体模型对GMR解释。

2. 简述四探针法测量材料电阻率的方法和优点。

3. 分析本实验采用的方法测量磁电阻变化率存在的误差及原因。

七、注意事项

1． 应确保各种抗磁干扰能力比较弱的产品远离通电后的亥姆霍兹线圈，以防受到影响

2． 亥姆霍兹线圈自动扫描电源在使用时尽量不要长时间满幅工作，不采集数据时可关掉磁场自动扫描开关，以免亥姆霍兹线圈发热。

3． 换样品时应关掉MODEL4001数控恒流源的电源；对纳米级厚度的薄膜不要设置大的工作电流，以免烧坏样品。

4． 其他注意事项详见各配套仪器说明书。

7

 

第二篇：my-磁阻效应

实验题目：磁阻效应及磁阻传感器的研究

实验目的：

1 了解磁阻效应的基本原理及测量磁阻效应的方法

2 测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系

3 画出锑化铟传感器的电阻变化与磁感应强度的关系并进行相应的曲线和直线拟合

4 学习用磁阻传感器测量磁场的方法

实验原理：

某些金属或半导体的载流子在磁场中收到洛伦兹力，电阻值会随外加磁场的变化而变化。这种效应称为磁阻效应。

横向磁阻效应：当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，则小于此速度的电子将沿霍尔电场作用的方向偏转，而大于此速度的电子则沿相反方向偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，即沿电场方向的电流密度减小，电阻增大，也就是由于磁场的存在，增加了电阻

纵向磁阻效应：对于载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向有关的情形，若作用力的方向不在载流子的有效质量和弛豫时间的主轴方向上，此时，载流子的加速度和漂移移动方向与作用力的方向不相同，也可引起载流子漂移运动的偏转现象，其结果总是导致样品的纵向电流减小电阻增加。

磁阻大小的表示：用电阻率的相对改变表示Δρ/ρ（0），因为Δρ/ρ（0）正比于ΔR/ R（0），所以用磁阻传感器电阻相对改变量ΔR/ R（0）表示磁阻大小

实验预期：外加磁场较弱时，电阻相对变化率ΔR/ R（0）正比于磁感应强度B的二次方；随磁场的加强，ΔR/ R（0）与磁感应强度B呈线性函数关系；当外加磁场超过特定值时，ΔR/ R（0）与磁感应强度B的响应会趋于饱和。

实验步骤：

1、在锑化铟磁阻传感器工作电流保持不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。作ΔR/ R（0）与B的关系曲线，并进行曲线拟合。（实验步骤由学生自己拟定，实验时注意GaAs和InSb传感器工作电流应调至1mA）。

2、用磁阻传感器测量一个未知的磁场强度，与毫特计测得的磁场强度相比较，估算测量误差。

实验数据及数据处理

实验中保持Is=1.00mA得到的数据如下

试验数据：表格（一）

处理：在B<0.06T时对磁阻变化率ΔR/ R（0）与磁感应强度B进行曲线拟合结果如下图

y = Intercept + B1*x^1 + B2*x^2

即ΔR/ R（0）=19.4 （这里略去了小量）

由图和表中中数据可以看出，外加磁场较弱时，电阻相对变化率ΔR/ R（0）确实正比于磁感应强度B的二次方  ，符合实验预期。而且误差（Standard Error）很小。                                    

在B>0.12T时对磁阻变化率ΔR/ R（0）与磁感应强度B进行曲线拟合结果如下图

y = a + b*x

即ΔR/ R（0）=5.4411B-0.33902

为了磁阻传感器的了解测量误差，用以下数据进行计算

计算理论B mT时，由ΔR/ R（0）判断使用那一个函数表达式

表格（二）

外加磁场反向时，得到的数据如下：表格(三）

分析：表格二中显示误差较大原因可能有：

实验过程中，按下切换开关后，磁阻电压表的数字一直跳动变小，一段时间后才相对稳定。

这说明测试架部分有相互影响。主要是工作电流切换继电器、输出信号切换继电器。工作电流切换继电器在霍尔元件和磁阻元件之间切换。当切换到测量磁阻电压时，磁阻元件积累的电压会慢慢减小，于是磁阻电压表的示数就慢慢减小。故读数时要尽量快。表格二中数据较小，可能是因为是等到稳定后才读数导致的。

此外，由表格一的数据，电阻为219.1时，磁场应该在60mT和70mT之间。77mT显然有问题。反而理论值68.6mT更可信。误差有可能来源于仪器的不稳定性。

思考题

1、磁阻效应是怎样产生的？磁阻效应和霍尔效应有何内部联系？

某些金属或半导体的载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。详细说明见实验原理部分。霍尔效应导致了金属或半导体电阻增大的现象，表现为磁阻现象。霍尔效应是本质。

2、实验时为何要保持霍尔工作电流和流过磁阻元件的电流不变？

这样才能保证沿外加电场方向运动的载流子数量保持不变。磁阻电压的变化单一由霍尔效应决定。排除了干扰。

3、不同的磁场强度时，磁阻传感器的电阻值与磁感应强度关系有何变化？

磁场较小时，是二次关系。增大时，是一次关系。实验中，未发现有饱和现象。

4、磁阻传感器的电阻值与磁场的极性和方向有何关系？

由表格三的数据可以看出，磁场反向时励磁电流发生了变化。磁阻传感器电阻只发生了很小的变化，可以认为磁阻效应对外加磁场的极性不灵敏。