各向异性磁电阻测量-南京大学.docx

实验10.1 各向异性磁电阻测量南京大学物理学院一、实验目的（1）初步了解磁性合金的各向异性磁电阻（AMR）；（2）初步掌握室温磁电阻的测量方法。二、实验原理一些磁性金属和合金的AMR与技术磁化相对应，即与从退磁状态到趋于磁饱和的过程相应的电阻变化。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 及 。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，则 。对于大多数材料，故AMR常定义为： 如果，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。图1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，各向异性明显。图中的双峰是材料的磁滞引起的。图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。图1 Ni81Fe19薄膜的磁电阻曲线图2 一些铁磁金属与合金薄膜的AMR曲线，实线和曲线分别表示横向和纵向的磁电阻二、实验仪器亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字微伏表、四探针样品夹具。四、实验内容1. 方法（1）将样品切成窄条，这在测AMR时是必需的。对磁性合金薄膜，饱和磁化时，样品电阻率有如下关系： 其中是磁场方向与电流方向的夹角。为保证电流有一确定方向，常用的方法是： 将样品刻成细线，使薄膜样品的宽度远远小于长度。 用平行电极，当电极间距远小于电极长度时，忽略电极端效应，认为两电极间的电流线是平行的。（2）用非共线四探针法测电阻值，如图3所示。这种方法当数字微伏表内阻很大时，可以忽略探针接触电阻的影响，已在半导体、铁氧体、超导体等的电测量中广泛使用。图3 四探针法示意图2. 测量（1）将大功率恒流源与亥姆霍兹线圈连接，将样品装上四探针夹具并按图4连接好。将装好样品的夹具固定在亥姆霍兹线圈中心，使电流方向与磁场方向平行。启动仪器，预热校准。（2）调整精密恒流源输出，使测量电流（流过样品的电流）为1100mA范围内的某个确定电流，本实验为6mA。（3）调节大功率恒流源输出电流，从-6A开始，逐点增大至6A，并记录大功率恒流源输出电流值、数字微伏表显示的电压值。注意在0A附近时磁场变化的步距要小。（4）调节大功率恒流源输出电流，从6A到-6A，记录对应的电流值和电压值（同上）。（5）将样品夹具转90固定好，是电流方向与磁场方向垂直，再重复（3）-（4）步，测量记录电流值和电压值。（6）将测量记录的数据，绘制R-H曲线（H与记录的电流值I成正比，R与记录的电压值V成正比，由于AMR是一种相对变化量，这里可以直接用I代替H，V代替R）。（7）根据R-H曲线计算出，相对饱和电阻率，以及AMR（计算时可用R代替）。五、实验数据测量得到电流值和电压值，下面对测量得到的数据作出R-H曲线，并计算相应量。1. 磁场方向与电流方向平行时得到的R-H曲线如图所示，图4 磁场方向与电流方向平行时的R-H曲线从图中可以看到，平行情况下，随着磁场的增大，电阻值也逐渐增大，直到饱和。而且在零磁场的两边，出现了双峰，这与前面的讨论也是吻合的。但是这里的R-H曲线呈现了一种奇怪的形状，即同支曲线的两边是不等高的，如下面那支曲线（从-6A到+6A扫描）的右边比左边明显要高，而且两支曲线在竖直方向上也错开了一段距离。我们在实验中观察到的一种现象，即在特定的H值下，我们保持H值不变，但是此时的R值却会随时间逐渐增大，这说明有某种磁场以外的因素使得R值随时间增大。这种增益因子或许可以解释上述曲线的奇怪之处，对于下面的那支曲线，由于我们是从左往右扫描的，随着时间流逝，增益因子使得右边的R值比左边多出了一些，因此曲线右边比左边高。而两支曲线的错位也可以用增益来说明，因为我们先测下面的曲线后测上面的曲线，增益使得上面的曲线产生了一定的“抬升”，因而比下面的曲线要高。但是具体是什么原因导致了这种增益因子，有待于进一步的实验，其中一种可能是热效应的影响。为了使增益因子的影响最小化，我们取下支曲线做计算。下支曲线中，因此，2. 磁场方向与电流方向垂直时R-H曲线如图，图5 磁场方向与电流方向垂直时的R-H曲线从图中可以看到，垂直情况下，随着磁场的增大，电阻值逐渐减小，直到饱和。而且在零磁场的两边，出现了双峰，这与前面的讨论吻合。同样地，曲线的不对称和错位可以用增益因子来解释（见平行情况的讨论）。取下支曲线做计算，其中，因此，3. 和AMR由原理部分可知，由上述分析可知，在这种磁性材料中存在各项异性磁电阻效应，AMR并不大，实验结果为1.87%。六、实验注意事项1、亥姆霍兹线圈中通的电流比较大，因而不能长时间让线圈工作在强电流下，以免烧毁线圈。2、实验结束时要将各个电源归零，关闭数字万用表。3、在记录过程中，在样品电压变化缓慢的区域，线圈电流可以调节得快一些，在样品电压变化快的区域，线圈电流要调节得缓慢。七、思考题（1）测量AMR后计算出的和是否相同，如不同说明什么问题？答：计算得到，从上面计算结果上看0和av可以认为不相同的，这说明退磁状态下磁畴的分布是各向异性的。（2）按前述步骤手动测量的磁电阻曲线与自动测量出的磁电阻曲线有何异同，为什么？答：手动测量时如实验结果中图示，磁电阻曲线不对称，这主要是由于测量的时间比较长，测量的环境（主要是周围的温度）变化所致，手动测量时测量的周期比较长，环境变化比较大，如果改用自动测量，而且自动测量的周期比较短的话，那么就可以有效的减少环境变化对测量结果的影响，另外，手动测量时有一个好处就是，我们可以在电阻随磁场变化比较大的区域，让线圈电流变化的慢一些，突出这一区域的变化关系，而自动的却很难做到这点。（3）手动测量时如何更好的选择测量电流？答：当流过线圈的电流很大时，线圈发热的厉害，容易烧毁线圈，而磁电阻在磁场比较大时变化比较缓慢，故在手动测量时，我们在电流比较大的区域，电流变化的快一些，在电流比较小时，线圈发热不明显，我们可以慢慢测量，并且这一区域是磁电阻变化比较快的，所以在电流较小时，我们应适当减小线圈电流的变化步长，使得在这一区域测量的点多一些。（4）测量中如何减小热效应对测量的影响？答：减小测量的周期，测量周期越长，温差越大，对测量的影响就越大，我