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物理与电子系   物理升华专业1201班

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实验时间20##年5月25日，第十三周，星期日

 

第二篇：《各向异性磁电阻》报告

各向异性磁电阻测量

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各向异性磁电阻测量

引言

磁电阻（MR）效应是指物质在磁场作用下电阻发生变化的现象。按磁电阻效应的机理和大小，磁电阻效应一般可以分为：正常磁电阻（OMR）效应，各向异性磁电阻（AMR）效应，巨磁电阻（GMR）效应。

磁阻材料在高密度读出磁头磁传感器、微弱磁场测量、各类运动的检测等领域有着宽广的应用，从而成为国际上引人瞩目的研究领域。图1为早期报道的Co-Cu颗粒膜磁电阻曲线。

磁电阻效应，特别是巨磁电阻效应的理论涉及较多的固体量子知识，CMR等尚未有比较完善的统一理论解释，这里不作介绍。本文仅从纯粹的技术角度上测量各向异性磁电阻，不作物理细节上的深入划分。

实验原理

各向异性磁电阻效应（AMR效应）指在铁磁性的过渡族金属、合金中，即材料的磁阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，即有各向异性。

通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR。即有：

Δρ∥＝ρ∥－ρ（０）

Δρ⊥＝ρ⊥－ρ（０）

这里ρ（０）为铁磁材料在磁场为零状态下的电阻率。

若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，通常取：

其中ρav表示物质在饱和磁场H中和磁场为零时的平均电阻率。

大多数材料ρ∥＞ρ（０），故：

AMR常定义为：

图2是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显ρ∥＞ρ（０），ρ⊥＜ρ（０），各向异性明显。图3是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。图中的双峰是材料的磁滞引起的。

实验内容

1 实验方法介绍

铁磁金属薄膜磁的电阻很低，所以它的电阻率测量需要采用四端接线法。但是，为了满足实际的需要，在生产、科研、开发中测量金属薄膜电阻率的四端接线法已经发展成四探针法。图4显示了四探针法测量铁磁金属薄膜磁电阻的原理图。

图4 四探针法原理图

让四探针的针尖同时接触到薄膜表面上，四探针的外侧二个探针同恒流源相连接，四探针的内侧二个探针连接到电压表上。分别在电流与磁场平行和垂直方向加一恒定的电流，并使磁场从零慢慢增大到磁电阻达到饱和为止，测量不同磁场下对应的电压值，再将磁场慢慢降为零，测量不同磁场下对应的电压值，然后让电流反向重复以上操作。当电流从恒流源流出，流经四探针的外侧二个探针时，流经薄膜产生的电压将可从电压表中读出，由此绘出样品薄膜电压随线圈电流的变化曲线，实际上反映的就是磁电阻随磁场变化的关系。本实验设定恒流源电流为5mA。

2 变化曲线测量

1）样品薄膜中电流方向与磁场方向平行时，样品薄膜电压随线圈电流的变化曲线如图5。

2）样品薄膜中电流方向与磁场方向垂直时，样品薄膜电压随线圈电流的变化曲线如图6。

3 数据处理

数据处理所需的相应数据均可从图5和图6中读出。由于薄膜的几何尺寸未测量，以下各计算中均以电阻取代相应电阻率。

磁场为零状态下的电阻（对应于图5和图6中的四个峰值）为：=  = 0.6367Ω

电流与磁场方向平行时的饱和电阻（对应图5中4个饱和值）为：

R∥=  = 0.6547Ω

故：ΔR∥=R∥－R（０）= 0.0180Ω

电流与磁场方向垂直时的饱和电阻（对应图6中4个饱和值）为：

R⊥=  =0.6295Ω

故：ΔR⊥=R⊥－R（０）= -0.0072Ω

电阻平均值为：

Ni-Fe薄膜的AMR效应为：

实验思考

1）测量AMR后计算出的ρav、ρ（０）是否相同，不同说明什么问题？

如果样品薄膜在退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，则可认为ρ（０）≠ρav。如果ρ（０）≠ρav，则说明该样品薄膜在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性。

本实验中计算得到的R（０）=0.6367Ω，Rav= 0.6379Ω，略有差异，说明样品并非是完全各向同性的。

2）测量中如何减小热效应对测量的影响?

在选择电流值时，最大的电流值对应的电压值不能超过5毫伏，以免流过薄膜的电流太大导致样品薄膜发热，从而影响测量的准确性。

线圈电流应先由最大开始逐渐减小，直至磁电阻饱和后再反向增加线圈电流，这样有利于热量的均衡与散热，有效减小热效应对测量的影响。同时应尽量缩短测量时间，因此，采用计算机数据采集系统自动测量可以有效地较小热效应带来的影响。

3）样品薄膜夹具采用材料有何要求?

由于铁磁金属薄膜的磁电阻很低，这就要求样品薄膜夹具对薄膜导电状态的影响小，尽量选择绝缘性质出色的材料；同时由于夹具处于线圈磁场中，也应当避免对磁场的破坏，即尽量选择非磁性物质。另外夹具也应该具有较好的导热特性，这样可以有效避免与样品薄膜接触的部分产生局部过热，影响测量结果。

4）为了获得准确的实验结果，在实验中须汁意哪些因素?

实验时一定要保证磁场线圈电流调节的单调性。即线圈电流应该单项增加或单项减小。否则受磁滞效应的影响，测得的数据精确性降低。

实际上即使有效消除了上述影响，本实验的结果仍然存在一定的误差。这是由于采用了手动打点式测量，并未采集到反映磁电阻变化趋势的全部数据，数据的缺失使得绘出的变化曲线失真，从而影响了计算的结果。这一点在计算各饱和电阻时体现的尤为明显。避免这一误差的方法是测量尽量密集的数据（例如使用计算机软件采集系统），再通过数据处理软件进行更为精确地曲线拟合。

实验补充

对于Fe-Ni单层薄膜，由实验所测出ρ∥与ρ⊥从而得到磁电阻率ρav、各向异性磁电阻率Δρ（＝ρ∥－ρ⊥）以及各向异性磁电阻率比率Δρ/ρav随膜厚t的变化关系分别见图7。可见：单层Ni-Fe膜的磁电阻特性与膜厚有很大关系。

具体分析如下：

图7（a）Ni-Fe薄膜的ρ-t曲线 （b）Ni-Fe薄膜的△ρ-t曲线 （c）Ni-Fe薄膜的△ρ/ρav-t曲线

1）样品薄膜电阻率与厚度之间的关系

由图7a可见，Ni-Fe薄膜电阻率ρ随膜厚t的增加而减小。这是由于几何R寸的影响。当厚度很小时，使得传导电子的表面散射变得很重要。当传导电子的自由程与膜厚可以相比拟时；膜副成了电子运动的障碍，缩短电子自由程，使得电阻率显著增加。当膜厚超过80nm时，薄膜电阻率超过体电阻率。

2）各向异性磁电阻率△ρ及各向异性磁电阻率比率△ρ/ρav与膜厚t的关系

由图7b可见，Ni-Fe薄膜各向异性磁电阻率△ρ基本不随膜厚变化。当膜厚从30nm增加到150nm时，△ρ在0．06μΩ·cm范围内波动。因为在Ni-Fe磁性薄膜中，电阻率在很大程度上是由4s态电子向3d态跃迁形成能量散射而引起的。在外磁场中电子自旋与轨道耦合的波函数对称性发生变化。那么电子在不对称的跃迁中就有不同的散射，因而相对外磁场呈现出各向异性磁阻率。这样在△ρ随膜厚f变化不大的情况下，决定△ρ/ρav大小的主要因素是△ρ的变化。△ρ/ρav随厚度t变化关系如图1c所示。由图7c可见，随膜厚增加，△ρ/ρav不断增加。