巨磁电阻效应及其应用(42014030708323483)

1、巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻效应的发现和应用获得2007年诺贝尔物理学奖。本实验重点理解磁性对电子散射的影响、双电流模型、RKKY理论和巨磁电阻效应产生的物理机理，了解巨磁电阻效应的实际应用领域和应用时所采用的技术设计。 【思考题】1什么是磁电阻效应和巨磁电阻效应？巨磁电阻效应的发现对物理学和技术应用有什么重要贡献?2为什么铁磁材料中电子散射与电子自旋状态有关？3为什么非磁性层的厚度会影响巨磁电阻效应大小？用RKKY理论理解此现象。4如何用双电流模型解释磁性多层膜的巨磁电阻效应？该模型除解释巨磁电阻效应外还有哪些应用？5磁性多层膜与自旋阀磁电阻在薄膜结构、性能与应用方面有什么不同？6磁硬盘记录

2、的原理是什么？为什么磁电阻的应用能大大提高磁记录的密度和读写速度？7将多层膜制成GMR元件时一般将其几何结构光刻成微米宽度迂回形状，目的是什么？8将GMR元件用作传感器时，采用桥式电路有什么好处？9在GMR桥式电路中，有时在电桥对角位置的两个电阻表面加磁屏蔽，有时不加，其原因是什么？10如何提高GMR传感器的灵敏度？如何用磁电阻效应测量导线中的电流？11对磁性样品测量应注意哪些问题？为什么先将样品磁化到饱和再进行测量？如何判断样品已经被磁化到饱和状态？12你认为巨磁电阻效应的发现者能获得诺贝尔物理学奖的理由是什么？13如果你自己要制备一个有巨磁电阻效应的磁性多层膜，薄膜结构应满足那些条件？【引

3、言】2007年12月10日，法国物理学家阿尔贝费尔（Albert Fert）和德国物理学家彼得格伦贝格（Peter Crnberg）分别获得了一枚印着蓝白红标志的2007年诺贝尔物理奖章,他们各自独立发现的巨磁阻效应（giant magnetoresistance, GMR）1，2。早在一百多年前， 人们对铁磁金属的输运特性受磁场影响的现象，就做过相当仔细的观测。 莫特的双电流理论，把电子自旋引入对磁电阻的解释，而巨磁电阻恰恰是基于对具有自旋的电子在磁介质中的散射机制的巧妙利用。目前巨磁电阻传感器已应用于测量位移、角度等传感器、数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等很多领域，与光电等传感

4、器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。巨磁电阻薄膜材料的广泛应用， 也是纳米材料的第一项实际应用， 它使得人们对磁性尤其是纳米尺寸的磁性薄膜介质之输运特性的研究有了突飞猛进的发展，由此带来计算机存储技术的革命性变化， 从而深刻地改变了整个世界。【实验目的】通过纳米结构层状薄膜的巨磁电阻效应及不同结构的GMR传感器特性测量和自旋阀磁电阻测量，了解磁性薄膜材料和自旋电子学的有关知识

5、，并由磁电阻和巨磁电阻的历史发展， 及关键人物解决问题的思想方法，认识诺贝尔物理奖项目巨磁电阻的原理、技术，和对科学技术发展的重要贡献。体会实验的设计与实施，理解其原理和方法，体验科学发现的精髓与快乐，促进学生逐步形成系统的物理思想，期望由此启发学生对物理科学和高新技术的浓厚兴趣。【实验原理】一 磁电阻与巨磁电阻效应磁电阻MR（magneto-resistance 的缩写符号）效应是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。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(Ordinary MR: OMR)、各向异性磁电阻效应(Anisotropic MR: AMR)、巨磁电

6、阻效应(giant MR: GMR)和庞磁电阻效应(Colossal MR: CMR)等。表征磁电阻效应大小的物理量为MR，其定义有两种，分别为： （1）式中R(0)为外加磁场为零时样品电阻，R(H )为不同外加磁场下样品电阻，R ( Hs )为外加磁场使薄膜磁化饱和时样品的电阻。第一种定义的磁电阻比率低于100%，认为电阻的变化起源于反铁磁性的电阻，缺点是H = 0时并不总是完全反铁磁耦合态。第二种定义认为电阻的变化起源于铁磁态电阻，更常用于计算。巨磁电阻效应是指在一定的磁场下材料电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。为了强调磁电阻的显著变化，在 “磁

7、电阻”之前加上“巨”（“giant”），称为“巨磁电阻”（“GMR”）。图1 A. Fert小组制备的3个Fe/Cr超晶格在温度为4.2K时的磁电阻曲线 巨磁电阻效应是在1988年由 A. Fert 研究团队的Baibich 等人和 Grunberg 团队的 Binash 等人同时发现。两个团队都是利用分子束外延分别生长Fe/Cr 超晶格和 Fe/Cr/Fe三层膜系统，当邻近两层 Fe 层的磁化方向随外加磁场由反平行转变为平行状态时，薄膜电阻迅速下降的现象。图 1 是Baibich 等人所观察到 Fe/Cr 超晶格在 4.2 K 下电阻随磁场的变化关系。由于该电阻下降的值非常明显，被称为巨磁电

8、阻效应。之后人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag 和Co/Au 等很多纳米结构的多层膜中都观察到显著的巨磁阻效应。注意到图 1 中非磁性层的厚度对巨磁电阻效应有明显的影响。Parkin 等人在 1990 年观察到Fe/Cr 多层膜中，MR 值随相邻磁性层的交换耦合而变化3。交换耦合是指两种不同的磁性材料彼此密切接触，或被一个足够薄的层（一般小于 6 nm）分隔，自旋信息可以在两种磁性材料间传递，使它们的磁矩有一优先的相对取向。若它们的自旋方向相同，为铁磁性耦合，若其自旋方向相反，则为反铁磁性耦合。在磁性多层膜中，只有当 Cr 层厚度使零磁场时相邻磁性层成

9、反铁磁性耦合，磁电阻达最大值。如果非磁性隔层的厚度比平均电子自由程大得多时，GMR效应会消失。之后 Parkin 等系统研究了以 3d 金属 Fe, Co, Ni 及其合金作为铁磁层 （FM） 层的 FM/NM/FM 结构( 其中 NM 为非磁性层)多层膜中非磁性层厚度对巨磁电阻效应的影响。 发现当改变非磁性层厚度时,相邻铁磁层间交换耦合存在长程振荡效应，而且这种经过非磁性 NM 层的交换耦合随 NM 层厚度的变化而振荡的现象被证明是普遍的。图 2 为 不同温度制备的三种 Fe/Cr 结构系统中 GMR 比率随着铬层厚度的变化曲线3。图 2 不同温度制备的三种Fe/Cr结构系统中GMR比率（4

10、.5 K）随铬层厚度的变化 ( S.S. Parkin et al )为什么被非磁性隔开的磁性多层膜系统具有巨磁电阻效应？为什么非磁性层的厚度会影响磁性层之间的交换耦合？要理解这些现象，就需要了解铁磁材料中与电子自旋相关的散射、莫特的双电流模型理论和 RKKY 交换作用。二 巨磁电阻效应的物理起源及理论解释1 物质磁性对电阻的影响电阻的本质是电子在物体中运动时受到散射。导电材料电阻率的大小是由其中自由电子的平均自由程决定的。材料中自由电子的平均自由程越短， 其电阻率越大；反之，自由电子的平均自由程越长，材料的电阻率越小。要讨论铁磁性对电阻的影响，必须引入电子自旋的概念。 作为费米子，电子可以取

11、正负1/2 两种自旋。典型的铁磁物质为过渡族元素，例如铁、锰、钴。这些元素的3d 电子壳层都未填满，它们的自旋取向服从洪德定则，即总自旋值（所有电子自旋之和）在泡里原理允许的条件下， 取最大值。例如锰有5个 3d 电子，正好填充3d 壳层的一半，他们都会取正1/2 自旋。这样就会空出另外5 个负1/2 自旋的电子态。注意所谓正负取向，是针对一个参照体系而言。在有外加磁场时，这个磁场就是参照方向。磁化，就是 3d 电子的自旋沿磁场取向。铁磁金属晶体的原子磁矩来自其未满 d 壳层电子的自旋，价电子为传导电子，均匀分布于晶体中，并可以在整个晶体中传播。 d 电子把材料磁性与电子的输运性质联系起来，空

12、 d 态可被与 d 轨道上电子自旋方向相反的 4s传导电子暂时占据，导致一个与电子自旋相关和轨道角动量相关的散射过程。铁磁材料中承担输运的 4s 电子正（负） 1/2 自旋各占一半，因为泡利不相容原理和洪特规则，只有某些特定自旋的传导电子有很大的几率弛豫到3d 壳层的负（正）1/2 自旋态，而3d 电子被束缚于原子处，不参与导电，所以这个弛豫过程，使自由电子变成了束缚电子， 就成为磁性材料中一种重要的散射机制而影响电阻率。 铁磁材料中4s传导电子向3d 局域态的弛豫，称为磁散射或s d 散射。在铁磁材料中，电阻率 r 有三部分的贡献，分别源于杂质缺陷 rr,晶格振动 rL(T), 和磁散射 r

13、M(T), 表示为：r (T) = rr + rL(T) + rM(T) （2）2 N. F. Mott 理论和磁性多层膜巨磁电阻的理论解释巨磁电阻效应是由于不同自旋极化电子具有不同电传输行为所产生，这种不同性首次在1936年被Mott观察到4。在一般非磁性材料中，不同自旋方向的传导电子在传输过程中是无法分辨的。铁磁性金属材料在足够低温下，电子自旋弛豫长度（即移动中电子自旋方向保持不变的距离）远远大于平均自由程，因此在讨论电子输运过程时，假定散射过程中移动的电子自旋方向保持不变是合理的。于是将铁磁金属材料中电子按自旋取向分成两类处理，与本体材料磁化方向平行与反平行的自旋电子在传输过程是可以分辨

14、的，且平行与反平行自旋通道以并联方式贡献电导率，此效应称为双电流模型（the two-current model）。总电流是两类自旋电流之和；总电阻是两类自旋电流的并联电阻。GMR效应的物理起源为电子自旋对电子在铁磁性材料中传导过程的影响。Mott提出由于铁磁性材料中自旋能带的分裂，导致不同自旋的电子有不同的传导行为。过渡金属中的电导率sn = nne2tn/mn，其中 n 表示自旋向上或向下，nn为费米能级上电子态密度，tn为自旋弛豫时间，mn为有效质量。sn与费米能级上电子状态有关。费米能级上有两类电子：一类是巡游性强的s 电子，它的能带宽，有效质量接近自由电子；另一类是比较局域的 d 电

15、子，其能带窄，有效质量大于自由电子，所以，电流主要由s 电子传递。但是，s 电子态密度远小于 d 电子。 因此， s-s 电子间散射可以忽略；s-d 电子间散射过程才是主导的机制。因为铁磁金属 d 电子的两种自旋取向的电子数目不等，散射过程必须保证自旋守恒，所以 s-d 电子散射过程就与电子间自旋的相对取向有关，这个过程称为自旋极化的电子输运过程。这就是1936年N.F.Mott提出的过渡金属电子输运的物理模型。在N.F.Mott与H.Jones合著的名著“The Theory of the properties of Metals and Alloys”中， 即用上述物理模型解释过渡金属的电

16、导率5：“我们对过渡金属的电导率有了如下认识： 电流由 s 电子传递，其有效质量近于自由电子。然而电阻则取决于电子从s 带跃迁到d 带的散射过程。因为跃迁几率与终态态密度成正比，而局域性的d 带在费米面上态密度是很大的，这就是过渡金属电阻率高的原因。” “ 这种 s-d 散射率取决于s 电子与 d 电子自旋的相对取向。” A . Fert 在发现 GMR 效应的论文2中引述了Mott 的上述理论来解释他所观察到的巨磁电阻效应，之后Mott理论成为巨磁电阻和相关效应的物理基础。按照Mott的双电流模型，传导电子分为自旋向上和自旋向下的电子，多层膜中非磁性层对这两种状态的传导电子的影响是相同的，而

17、磁层的影响却完全不同。当相邻铁磁层反平行时，如果s 电子的自旋与第一铁磁层中局域 d 电子的自旋平行，则几乎不受散射，但它与相邻铁磁层中局域d 电子的自旋反平行，就受到强烈的散射（即填充到空置的与自己自旋相同的态）。所以两相邻磁层的磁矩方向相反时，两种自旋状态的传导电子， 或者在第一个磁层即因磁矩与之相反而到强烈散射， 或者在穿过磁矩与其自旋方向相同的磁层后，必然在下一个磁层处遇到与其方向相反的磁矩，并受到强烈的散射作用，这样两种自旋态的电子分别在某一层受到强散射， 宏观上表现为高电阻状态（图3-1）；如果施加足够大的外场，使得磁层的磁矩都沿外场方向排列（图3-2），则自旋与其磁矩方向相同的电

18、子受到的散射小，只有方向相反的电子受到的散射作用强，宏观上表现出低电阻状态。图 3-1和图 3-2中右侧的图表示对应高阻态和低阻态的等效电路图。图3-1 零磁场时传导电子的运动状态图 3-2 磁场使磁性层磁化饱和时传导电子的运动状态巨磁电阻起因是建立在电子自旋保持不变(不发生反转)的前提下,若存在自旋反转，巨磁电阻效应将很大减弱。因而,磁电子学或自旋电子学的器件的特征长度应该小于自旋扩散长度,才能保证有效工作。自旋扩散长度通常在几十到几百纳米范围,因具体材料而不同。半导体的自旋扩散长度比金属的要长,磁性杂质和磁有关的元激发容易导致自旋反转和自旋扩散长度减小，由此可以理解自旋输运和巨磁电阻的概念

19、和纳米结构是紧密相关的。3 RKKY交换作用人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg，1932年诺贝尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，其来源是相邻原子波函数存在着电子交换而引起的能量，称为交换积分，通常用 J 表示。只有当当两原子靠近，电子云有交叠时才有不等于零的交换积分 J， 因此这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。一般只能发生在固体中的最近邻原子之间，直接交换作用的特征长度为0.10.3nm。若 J 0，存在交换作用的电子自旋平行排列时系统能量低，表现为铁磁性。 若 J 0

20、, 则电子自旋反平行时系统能量低，表现为反铁磁性。图 4 反铁磁有序后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如图 4 所示。磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4

21、f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来。局域电子之间通过传导电子作媒介产生间接交换作用的机制由 Ruderman, Kittel, Kasuya 和 Yosida 各自独立建立的模型来描述，通常被称为RKKY模型。由于局域电子与传导电子的交换作用，使局域电子所在处及其周围自旋向上的电子密度与自旋向下的电子密度不同，导致传导电子的自旋产生极化。传导电子在空间的自旋极化由两种自旋的电子密度差决定。若以磁性原子为中心，距离磁性原子 R 处两种自旋电子的密度差用 Dr（R） = r ( R ) - r ( R )表示。RKKY交换模型给出6: R =n 1 9

22、nEF JSZF2KFR (3)其中n 为 自旋向上和向下的电子浓度， F x = sin x -xcos( x )x4 (4)这个方程描述了传导电子自旋密度从源点随距离变化的阻尼振荡。在距离较大时可近似为： n2EF J cos( 2 kF R)( kF R )3 (5)图 5 RKKY交换作用示意图（a）在中心局域电子附近新增加的传导电子波函数；（b）两种自旋的密度差随离开中心局域电子距离的变化图 5 给出两种自旋的密度差随离开中心局域电子距离的变化7。由此可见，如果以局域电子为中心，传导电子的自旋极化随距离的变化振荡式衰减，这是一种长程振荡过程。产生这种振荡自旋极化的势能是中心磁性粒子定

23、域化的磁矩，它与传导电子自旋相关的交换作用 J 对自旋向上和向下电子有不同影响。中心磁性原子的局域电子使其周围的传导电子产生自旋极化，自旋极化的传导电子又会和邻近磁性原子中的局域电子发生波函数重叠，产生直接交换作用。这种直接交换积分为一正值，所以参与直接交换作用的两个电子的自旋应平行取向。于是第二个磁性原子中局域电子自旋的方向便由其所在位置决定：当它的位置在 Dr 为正的范围内时，它的自旋向上，与第一个磁性原子中的局域电子的自旋方向相同，表现为铁磁性；反之，当它的位置在 Dr 为负的范围内时，它的自旋方向向下，与第一个磁性原子中的局域电子自旋的方向相反，表现为反铁磁性。这就是RKKY 交换作用

24、的基本物理过程7。RKKY交换作用有两个最重要的特点：（1）交换耦合作用是长程的。耦合长度远大于直接交换作用要求的波函数直接叠交的原子间距；（2）原子间距相对于传导电子自旋密度周期分布的微小变化可能使间接交换强度发生大的变化甚至改变符号。因此RKKY 相互作用随原子间距变化可以产生铁磁性、反铁磁性的自旋有序极化。从RKKY 交换作用和双电流模型分析呈现巨磁电阻效应的纳米磁性多层膜，很容易理解非磁性层的厚度对巨磁电阻效应的影响。磁性层间的交换耦合作用随层间间距即非磁性层厚度而出现震荡衰减，导致巨磁电阻效应随非磁性层厚度出现震荡衰减现象。4 自旋阀磁电阻多层膜GMR结构简单，工作可靠，磁阻随外磁场

25、线性变化的范围大，在制作模拟传感器方面得到广泛应用。在数字记录与读出领域，为了使GMR 材料的饱和磁场( Hs) 降低, 人们除了采用降低耦合强度及选用优质软磁作为铁磁层等途径外,还提出了非耦合型夹层结构。 1991 年,B. Dieny利用反铁磁层交换耦合,提出了自旋阀结构8 ,并首先在(NiFe/ Cu/ NiFe/ FeMn) 自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。图6自旋阀SV-GMR结构及磁电阻变化自旋阀是 GMR 效应的一个具体应用。它由一个非磁性导体分隔两个磁性层。与 Fe/Cr 一类多层膜系统中通常很强的反铁磁交换作用相比，自旋阀的磁性层不耦合或弱耦合。因此，可以使磁电阻在几

26、十个奥斯特而不是几千个奥斯特的磁场中发生变化。自旋阀结构的SV-GMR(Spin valve GMR)由钉扎层，被钉扎层，中间导电层和自由层构成，如图 6 所示。其中，钉扎层使用反铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场将被钉扎层的磁化方向固定，不随外磁场改变。自由层使用软铁磁材料，它的磁化方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向，对应于很高的灵敏度。制造时，使自由层的初始磁化方向与被钉扎层垂直，磁记录材料的磁化方向与被钉扎层的方向相同或相反（对应于0或1），当感应到磁记录材料的磁场时，自由层的磁化方向就向

27、与被钉扎层磁化方向相同（低电阻）或相反（高电阻）的方向偏转，检测出电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所用的GMR磁头就采用这种结构。这种自旋阀具有如下优点:1) 磁电阻变化率R/ R 对外磁场的响应呈线性关系, 频率特性好; 2) 饱和场低, 灵敏度高.【实验仪器与实验方法】实验仪器包括 GMR 传感器、巨磁电阻实验仪稳压电源、恒流源、螺线管、电压表、电流表、基本特性测量组件、电流测量组件、角位移组件、磁卡读写组件。巨磁电阻实验仪包括稳压电源、恒流源、电压表、电流表。稳压电源提供测量所需要的电压，恒流源为螺线管供电提供测量所需的磁场，电压表和电流表分别用于测量 GMR 的电压或电流

28、。在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构，图 7是某型号传感器的结构。对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。图 7 中，将处在电桥对角位置的两个电阻R3、R4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R1、R2 阻值随外磁场改变。设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R，R1、R2 在外磁场作用下电阻减小R，简单分析表明，输出电压：UOUT = UINR/（2R-R） （6）屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R1、R2电阻所在的空间,进一步提高了R1、R2 的磁灵敏度。从图 7

29、的几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。 测量所用磁场可以用电磁铁，也可以用螺线管。本实验用螺线管线圈提供变化磁场。GMR传感器置于螺线管的中央。由理论分析可知，无限长直螺线管内部轴线上任一点的磁感应强度为：B = 0nI （7）式中 n 为线圈密度，I 为流经线圈的电流强度，为真空中的磁导率。采用国际单位制时，由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（1特斯拉10000高斯）。 基本特性组件由GMR模拟传感器，螺线管线圈及比较电路，输入输出插孔组成。用以对GMR的磁阻特性和磁电转换特性进行测量。测量时GMR传感器置

30、于螺线管的中央。一 MR磁阻特性曲线测量与分析为加深对巨磁电阻效应的理解，我们对构成 GMR 模拟传感器的磁阻进行测量。将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”，此时被磁屏蔽的两个电桥电阻R3,R4被短路，而R1,R2并联。将电流表串连进电路中，测量不同磁场时回路中电流的大小，就可计算磁阻。测量原理如图 8 所示。图8磁阻特性测量原理图由于巨磁阻传感器具有磁滞现象，在实验中应注意恒流源只能单方向调节，不可回调。否则测得的实验数据将不准确。测量磁电阻特性曲线时注意测出零磁场附近电流或电阻转折点的数值。根据螺线管上标明的线圈密度，由公式（7）计算出螺线管内的磁感应强度B。由欧姆定律R=U/

31、I 计算不同磁场下的电阻。以磁感应强度B作横坐标，电阻为纵坐标作出磁阻特性曲线。根据磁电阻定义计算其GMR的值。观察曲线特点，用物理原理解释其变化规律。应该注意，由于模拟传感器的两个磁阻是位于磁通聚集器中，使磁阻灵敏度大大提高。二 GMR模拟传感器的磁电转换特性测量图9模拟传感器磁电转换特性实验原理图 9 是磁电转换特性的测量原理图。理论上讲，外磁场为零时，GMR传感器的输出应为零，但由于半导体工艺的限制，4个桥臂电阻值不一定完全相同，导致外磁场为零时输出不一定为零，在有的传感器中可以观察到这一现象。根据螺线管上标明的线圈密度，由公式（7）计算出螺线管内的磁感应强度B。以磁感应强度B作横坐标，

32、电压表的读数为纵坐标作出磁电转换特性曲线。图 10 是某 GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线。同一外磁场强度下输出电压的差值反映了材料的磁滞特性。三 GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量将GMR模拟传感器与比较电路，晶体管放大电路集成在一起，就构成GMR开关（数字）传感器，结构如图 11 所示。比较电路的功能是，当电桥电压低于比较电压时，输出低电平。当电桥电压高于比较电压时，输出高电平。选 择适当的GMR电桥并结合调节比较电压，可调节开关传感器开关点对应的磁场强度。图 12 是某种GMR开关传感器的磁电转换特性曲线。当磁场强度的绝对值从低增加到12高斯时，开关打开（输出高电平），当

33、磁场强度的绝对值从高减小到10高斯时，开关关闭（输出低电平）。实验装置：巨磁阻实验仪，基本特性组件。将GMR模拟传感器置于螺线管磁场中，功能切换按钮切换为“传感器测量”。按实验说明书接好电路，测量输出电压与磁场电流的关系。根据螺线管上标明的线圈密度，由公式（7 ）计算出螺线管内的磁感应强度B。以磁感应强度B作横坐标，电压读数为纵坐标作开关传感器的磁电转换特性曲线并进行分析。利用GMR开关传感器的开关特性已制成各种接近开关，当磁性物体（可在非磁性物体上贴上磁条）接近传感器时就会输出开关信号。广泛应用在工业生产及汽车，家电等日常生活用品中，控制精度高，恶劣环境（如高低温，振动等）下仍能正常工作。四

34、 用GMR模拟传感器测量电流从图 10 可见，GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，且灵敏度高，线性范围大，可以方便的将 GMR 制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例，我们用它来测量电流。由理论分析可知，通有电流I的无限长直导线，与导线距离为r的一点的磁感应强度为： B = 0I/2r =2 I10-7/r （8）磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，测得B，就可知I。在实际应用中，为了使GMR模拟传感器工作在线性区，提高测量精度，还常常预先给传感器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。图13 模拟传感器测量电流实验

35、原理图实验装置：巨磁阻实验仪，电流测量组件电流测量组件将导线置于GMR模拟传感器近旁，用 GMR 传感器测量导线通过不同大小电流时导线周围的磁场变化，就可确定电流大小。与一般测量电流需将电流表接入电路相比，这种非接触测量不干扰原电路的工作，具有特殊的优点。按实验说明书接好电路，分别测不同偏置磁场下（低磁偏置和适当磁偏置）待测电流与输出电压的关系。以电流读数作横坐标，电压表的读数为纵坐标作图，分析不同磁偏置对灵敏度和磁滞的影响。用GMR传感器测量电流不用将测量仪器接入电路，不会对电路工作产生干扰，既可测量直流，也可测量交流，具有广阔的应用前景。五 GMR梯度传感器的特性及应用将GMR电桥两对对角

36、电阻分别置于集成电路两端，4个电阻都不加磁屏蔽，即构成梯度传感器，如图 14 所示。这种传感器若置于均匀磁场中，由于4个桥臂电阻阻值变化相同，电桥输出为零。如果磁场存在一定的梯度，各GMR电阻感受到的磁场不同，磁阻变化不一样，就会有信号输出。图 15 以检测齿轮的角位移为例，说明其应用原理。将永磁体放置于传感器上方，若齿轮是铁磁材料，永磁体产生的空间磁场在相对于齿牙不同位置时，产生不同的梯度磁场。a位置时，输出为零。b位置时，R1、R2 感受到的磁场强度大于R3、R4，输出正电压。c位置时，输出回归零。d位置时，R1、R2 感受到的磁场强度小于R3、R4，输出负电压。于是,在齿轮转动过程中,每

37、转过一个齿牙便产生一个完整的波形输出。这一原理已普遍应用于转速（速度）与位移监控，在汽车及其它工业领域得到广泛应用。实验装置：巨磁阻实验仪、角位移测量组件。将实验仪4V电压源接角位移测量组件“巨磁电阻供电”，角位移测量组件“信号输出”接实验仪电压表。测量齿轮转动输出电压变化2个周期时齿轮转动度数与当输出电压值，并作图分析。角位移测量组件用巨磁阻梯度传感器作传感元件，铁磁性齿轮转动时，齿牙干扰了梯度传感器上偏置磁场的分布，使梯度传感器输出发生变化，每转过一齿，就输出类似正弦波一个周期的波形。利用该原理可以测量角位移（转速，速度）。汽车上的转速与速度测量仪， 就是利用该原理制成的。六 磁记录与读出

38、磁记录是当今数码产品记录与储存信息的最主要方式，由于巨磁阻的出现，存储密度有了成百上千倍的提高。在当今的磁记录领域，为了提高记录密度，读写磁头是分离的。写磁头是绕线的磁芯，线圈中通过电流时产生磁场，在磁性记录材料上记录信息。巨磁阻读磁头利用磁记录材料上不同磁场时电阻的变化读出信息。磁读写组件用磁卡做记录介质，磁卡通过写磁头时可写入数据，通过读磁头时将写入的数据读出来。磁记录原理详见附录。同学可自行设计一个二进制码，按二进制码写入数据，然后将读出的结果记录下来。实验装置：巨磁阻实验仪，磁读写组件，磁卡。实验仪的4伏电压源接磁读写组件“巨磁电阻供电”， “电路供电”接口接至基本特性组件对应的“电路

39、供电”输入插孔，磁读写组件“读出数据”接至实验仪电压表。将磁卡插入，设置好写入区域的“0” 或“1”，按“写确认”键。为保证均匀磁化，写确认时间可稍微长一些，并在区域内缓慢移动磁卡。移动磁卡至读磁头处，根据刻度区域在电压表上读出电压，记录二进制数字与读出电压的关系。了解磁记录的原理。七 自旋阀磁电阻的测量装置与方法对于一般阻值较高的电阻的测量，原则上可以采用两端法，即给样品通一电流，测量该电阻两端的电压，电压除以电流即为电阻。两端法中，只需两根导线与样品连接。虽然在整个测量回路中存在导线电阻和接触电阻，因为样品的阻值较高，对电阻测量的影响可以忽略。如果待测样品电阻率较低，导线电阻和接触电阻的影

40、响变得突出，甚至比样品电阻本身还要大，此时两端法不再适用，应采用四端法。四端法的测量方式如图16所示，电压表V测量的电压只是由待测样品本身的电阻产生的，恒流在导线电阻和接触电阻上产生的电压降没有加到测量电压表上，对测量不产生影响。虽然在电压测量的回路中也存在导线电阻和接触电阻，但一般电压表的输入阻抗相当高，电流很小，在导线电阻和接触电阻上引起的电压降很小，可以认为加在电压表上的电压全部由样品电阻产生。电压除以恒流 即为样品的电阻。图16四端法测量电阻原理图由于铁磁金属磁性薄膜的电阻很低，所以，它的电阻率测量也需要采用四端接线法。 将自旋阀样品固定在磁场中间的样品台上，按四端法接线，与测量磁性多

41、层膜样品的磁电阻曲线方法相同，分别测量样品和磁场两种不同取向时自旋阀样品的磁电阻曲线。比较自旋阀样品的磁阻曲线和磁性多层膜样品的磁阻曲线的异同点，用双电流模型解释。【实验内容】1 了解GMR效应的原理；根据磁阻变化设计表格，测量GMR的磁阻特性曲线；观察曲线特点，理解磁阻曲线所反映的物理原理。2 分别测量GMR模拟传感器和GMR数字开关传感器的磁电转换特性曲线；比较两种磁电转换曲线的异同，了解GMR做不同传感器应用时技术处理和电路结构特点，体会物理原理到技术应用的实验设计思想。3 用GMR模拟传感器测量电流，分析偏置磁场对传感器应用的影响及原因。4 用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GM

42、R转速（速度）传感器的结构和原理。5 通过实验了解磁记录与读出的原理。6 测量自旋阀的磁电阻曲线，与多层膜磁电阻曲线比较，分析其异同及原因。【注意事项】1磁性样品测量数据时先将样品磁化到饱和再进行测量，且测量过程中磁场只能单向调节，注意转折点数据的准确测量。2 磁记录组件不能长期处于“写”状态。实验过程中，实验环境不得处于强磁场中。3 自旋阀磁电阻和各向异性磁电阻达到磁饱和的磁场比较小，测量时不必将磁场线圈电流调至最大，因为大电流会导致线圈发热，注意不能在大电流状态长时间测量。【参考文献】1 P. Grunberg ,R. Schreiber, Y. Pang et al Phys. Rev.

43、 Lett. 61, 2442(1986).2 M.N.Baibich, J.M.Broto, A. Fert et al Phys. Rev. Lett. 61，2472（1988）.3 S. S. P. Parkin, N. More, K. P. Roche, Phys. Rev. Lett. 64, 2304 (1990).4 N. F. Mott, Proc. Roy. Soc. London Ser.A 153, 699 (1936).5 N. F. Mott, H. Jones 著. 付正元，马元德译. 金属与合金性质的理论.北京：科学出版社，19586 R.C.奥汉德利. 现代

44、磁性材料原理和应用. 北京：化学工业出版社, 20047 姜寿亭，李卫. 凝聚态磁性物理，科学出版社. 20038 B. Dieny, V. Speriousu, S. S. P. Parkin et al Phys. Rev. B 43, 1297 (1991).【附录：】附录1 薄膜电阻率与厚度的关系当薄膜的膜厚很小时， 其两个表面对电子的散射将影响自由电子的平均自由程，即膜厚将影响薄膜材料的电阻率，形成薄膜的尺寸效应。 图24给出薄膜尺寸效应的示意图。图1中薄膜的膜厚为d。电场E是沿着-X方向。假定自由电子从O点出发到达薄膜的表面H点，OH的距离同体材料中自由电子的平均自由程B相等，即：

45、OH=B，自由电子的运动方向与Z轴（薄膜膜厚方向）的夹角为0，在0所对应的立体角范围内（图24中显示的B区），由O点出发的自由电子运动到薄膜表面并同其发生碰撞时所走过的距离小于自由电子的平均自由程B。这意味着，在B区中的自由电子可能在同声子和缺陷发生碰撞之前就同薄膜的表面发生碰撞。 但是，大于0所对应的立体角范围内（图中显示的A区），由O点出发的自由电子运动到薄膜表面并同其发生碰撞时所走过的距离大于自由电子的平均自由程B，即自由电子的平均自由程没有受到薄膜表面的影响。膜厚d0A区B区HXZEO图1 说明薄膜电阻率尺寸效应的示意图综合上述分析，薄膜材料中有效自由电子平均自由程是由A区和B区两部分组成，由于B区中自由电子的平均自由程小于块体材料中自由电子的平均自由程，所以薄膜材料中有效自由电子平均自由