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第五界全国高等学校物理实验教学研讨会,巨磁电阻效应实验仪的研制汇报人：张朝民,一、磁电阻效应与巨磁电阻效应二、巨磁电阻实验仪的设计思路三、巨磁电阻实验仪的使用情况,一、磁电阻效应与巨磁电阻效应,1.磁电阻效应:物质在磁场的作用下，其电阻发生变化的效应。磁电阻：物质在磁场中电阻之改变量，即，此处是在磁场H下样品的电阻率。电阻变化的原因可来自：电荷受洛仑兹力作用改变路径造成电荷与晶格间散射几率增加，此时受磁矩在磁场下电子自旋与磁矩间散射状态改变的影响，若样品是铁磁性材料，其磁矩对电荷自旋之散射几率会因外加磁场的增加而减小，此时其他物理原因。,2.巨磁电阻效应2007年10月16日，由瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖项正式揭晓，物理学奖项由2位不同国籍的科学家共享殊荣，分别是法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼得格林贝格尔，因为他们分别独立的发现了“巨磁效应”这一磁物理领域的特殊现象。,法国科学家阿尔贝费尔,德国科学家彼得格林贝格尔,巨磁电阻效应：是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。,巨磁效应意义：巨磁效应对硬盘磁头读写数据，增加存储密度方面的设计有着重大影响。存储硬盘业是涉足“纳米技术”的先驱，而巨磁电阻正是纳米技术应用于高容量高科技产品的最佳范例。诺贝尔奖的颁发正标志着先进的物理概念能够在短时间内对当今的产品产生巨大的影响。,二、巨磁电阻实验仪的设计思路,一、正常磁电阻（锑化铟InSb）磁电阻效应普遍存在于磁性和非磁性良导体材料中，对非磁性金属磁电阻（OMR）的特点是：磁电阻的相对变化率为正（），其值很小（一般0.01），磁电阻效应来源于载流子在运动中受到磁场导致的洛伦兹力。锑化铟在大于0.12T强的磁场下磁阻器件工作在线性范围，弱磁场阻值变化很小。应用于交通、仪器仪表、医疗器械等领域。,二、坡莫合金磁电阻（各向异性磁电阻）铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场变化；外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，电阻减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。各向异性磁电阻效应依赖于铁磁合金带自发的磁化方向，是铁磁性磁畴在外磁场的作用下，各向异性运动引起的。广泛应用于军事、工业、航空、航海等领域。,由图可知：坡莫合金磁电阻值为正，在0.6mT外磁场时将达到饱和，其电阻变化率的值最大为0.5%,三、巨磁电阻效应巨磁电阻的基本特征与非磁性金属磁电阻相反：磁电阻相对变化率为负（5），巨磁电阻物理机理源于多层磁性薄膜导体中传导电子的自旋相关散射.,由图可看出：巨磁电阻在磁场中其电阻变化率为负值，且值最大为-11%.由实验结果显示，它既不同于锑化铟正常磁电阻MR为正值，且MR很小；又不同于坡莫合金各向异性磁电阻，MR为正其值较大.巨磁阻效应一个重要特点是GMR电阻随外磁场增加而减小，MR为负，其值很大，可以达到电阻相对变化率MR为-30%.根据需要它可以做成MR为-30%-35%巨磁电阻；也可以做成MR为-10%左右的巨磁电阻传感器（保证其灵敏度一致很好），AA002-02型巨磁电阻传感器测量结果MR值为-11%，因此巨磁电阻效应只能用自旋电子学的相关理论进行解释.,为了让学生尽早掌握先进的物理概念，了解物理中纳米技术-巨磁电阻效应在科技产品的应用。及巨磁电阻效应对我们生活产生巨大的影响，我们设计了巨磁电阻实验仪。,创新点：研究巨磁电阻效应起步较早。2005年我们课题组就开始这方面的探所工作，高校中最早采用美国NVE公司生产的基本AA系列巨磁电阻传感器对巨磁效应进行测试。2007年诺贝尔奖项物理学奖项颁发给了发现了“巨磁效应”的两位科学家。,设计了测量巨磁电阻的实验方案与测量方法（比较法等），推导出巨磁电阻阻值的理论计算公式。根据实际测量的需要，设计并制作了两种型号的巨磁电阻实验仪（A，B）（目前还没发现有相关的仪器供参考）实验仪器稳定、实验效果好、测量精度高。一般磁电阻的电阻变化率约为0.1%0.6%,我们研制的巨磁电阻实验仪可大于10%。,应用情况：经上海工程技