各向异性磁电阻巨磁电阻测量

1、实验10.1 各向异性磁电阻、巨磁电阻测量一. 实验目的(1) 初步了解磁性合金的AMR，多层膜的GMR，掺碱土金属稀土锰氧化物的CMR；(2) 初步掌握室温磁电阻的测量方法。二实验原理一般磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。通常将磁场引起的电阻率变化写成=（H）-（0），其中（H）和（0）分别表示在磁场H中和无磁场时的电阻率。磁电阻的大小常表示为： 其中可以是（0）或（H）。绝大多数非磁性导体的MR很小，约为，磁性导体的MR最大为3%5%，且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻，简记为AMR。1988年，在分子束外延制备的Fe/Cr多

2、层膜中发现MR可达50%，并且在薄膜平面上磁电阻是各向同性的。人们把这称之为巨磁电阻，简记为GMR。1994年，人们又发现隧道结在4.2K的MR为30%，室温达18%，这种大的磁电阻效应，人们将之称为隧道结磁电阻，简记为TMR。20世纪90年代后期，人们在掺碱土金属稀土锰氧化物中发现MR可达，称之为庞磁电阻，简记为CMR。1. 各向异性磁电阻(AMR)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过程的相应的电阻变化。外加磁场与电流方向的夹角不同，饱和磁化时的电阻率不一样，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，即有和。若退磁状态下磁畴是各

3、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，则与平均值相等。大多数材料，故 AMR通常定义为 如果，则说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性。图10.1 - 3是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的的磁电阻曲线，很明显，各向异性明显。图中双峰是材料的磁滞引起的。图10.1 - 4是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。2. 多层膜的巨磁电阻(GMR)巨磁电阻效应首次在Fe/Cr多层膜中发现，其室温下的MR约11.3%，4.2K时约为42.7%；Co/Cu多层膜室温MR可达60%80%，远大于AMR，故称为巨磁电阻。这种巨磁电阻的特点是：(1) 数值比AMR

4、大得多。(2) 基本上为各向同性。图中高场部分的双线分别对应于和，其差值为AMR的贡献。该多层膜在300K和4.2K下分别为0.35%和2.1%。约为其GMR的二十分之一。(3) 多层膜磁电阻按传统定义是负值，恒小于100%；常采用另一定义，用此定义数值为正，且可大于100%。(4) 中子衍射直接证实，前述多层膜相邻铁磁层的磁化为反铁磁排列，来源于层间的反铁磁耦合。无外磁场时，各层反平行排列，电阻最大；加外磁场后，各层平行排列，电阻最小。如图10.1 - 6 所示。(5) 多种磁性材料多层膜都有GMR，但并不是所有多层膜都有大的磁电阻，有的很小，甚至只观察到AMR。图10.1 - 5为这种多层

5、膜的磁电阻曲线。图10.1 - 7是多层膜的磁电阻曲线。3. 掺碱土金属稀土锰氧化物的庞磁电阻(CMR)图10.1 - 8是薄膜样品的电阻率、磁电阻随温度变化关系。该样品的。到目前为止，对，在x=0.20.5范围内都观测到CMR和铁磁性。这种CMR的特点为：(1) 数值远大于多层膜的GMR；(2) 各向同性；(3) 负磁电阻性，即磁场增大，电阻率降低；(4) CMR总是出现在居里温度附近，随温度升高或降低，都会很快降低；(5) 目前只有少部分材料的居里点高于室温；(6) 观察这类材料CMR的外加磁场比较高，一般需Tesla量级。图10.1 - 9是一种掺银的La-Ca-Mn-O样品的室温磁电阻

6、曲线。 三. 实验内容1. 实验仪器亥姆霍兹线圈，电磁铁，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2. 实验步骤(1) 将样品垂直于磁场方向摆放；(2) 打开电源，将精密恒流源调至6 mA，给样品通过恒定电流；(3) 将大功率恒流电源输出电流调至6.00 A，使电磁铁产生磁场；(4) 逐步单向调整大功率恒流电源输出电流至-6.00 A，在此过程中注意找极值点，随时调整电流变化步长，记录调整过程中稳定的电流值和相应的微伏表的电压值；(5) 反向调整大功率恒流电源输出电流由-6.00 A至6.00 A，同上记录数据；(6) 将样品平行于磁场方向放置，重复(3)(5)，

7、记录数据；(7) 将所有恒流源输出调至零，关闭电源。四. 实验结果与分析1. 数据记录（1）当样品电流与外磁场相互垂直时，记录数据如下表：输出电流6A -6A：U/mv5.7755.7765.7775.7805.7835.7875.7915.7945.7965.797I/A65.505.154.543.582.982.542.312.061.89U/mv5.7985.8005.8035.8055.8075.8105.8155.8175.8205.826I/A1.821.701.481.351.170.940.610.520.380.13U/mv5.8305.8355.8385.8425.843

8、5.8455.8475.8525.8575.860I/A0.03-0.15-0.22-0.32-0.34-0.38-0.4-0.49-0.55-0.60U/mv5.8635.8715.8775.8835.8725.8425.8355.8205.8145.811I/A-0.63-0.74-0.79-0.82-0.87-0.95-1.07-2.08-3.09-4.02U/mv5.8095.8085.807I/A-4.86-5.27-6.12 对应U-I曲线： 输出电流 -6A6AU/mv5.8095.8135.8165.8205.8255.8285.8345.8395.8445.848I/A-6-

9、5.23-4.73-4.58-3.33-2.70-1.66-1.16-0.81-0.51U/mv5.8525.8565.8605.8655.8745.8805.8865.8935.8985.906I/A-0.43-0.23-0.050.120.330.460.550.660.720.82U/mv5.8745.8655.8535.8435.8405.8375.8355.8335.8305.829I/A0.910.951.232.042.533.043.514.045.105.92U/mv5.829I/A6.10对应U-I曲线：将两图合并到同一图中有：（2） 当样品电流与外磁场相互平行时，记录数据

10、如下表： 输出电流6A -6A：U/mv6.1216.1166.1116.1036.0896.0706.0576.0346.0216.004I/A6.044.743.873.001.891.000.580.07-0.14-0.34U/mv5.9995.9935.9855.9775.9725.9665.9605.9565.9505.961I/A-0.40-0.46-0.53-0.59-0.62-0.68-0.72-0.74-0.79-0.82U/mv6.0146.0356.0486.0736.0866.0966.1176.1276.1326.134I/A-0.89-0.96-1.06-1.46-

11、1.82-2.21-3.65-4.79-5.75-6.16 对应U-I曲线： 输出电流 -6A6AU/mv6.1366.1356.1296.1206.1086.0896.0586.0456.0406.030I/A-6.06-5.63-4.50-3.33-2.21-1.14-0.27-0.040.040.19U/mv6.0266.0186.0065.9965.9865.9775.9725.9665.9605.967I/A0.250.360.470.560.630.690.730.760.800.84U/mv6.0286.0486.0856.1106.1166.1266.1306.1346.138

12、6.138I/A0.911.001.592.573.013.904.605.185.936.01对应U-I曲线：合并到同一图中有：2. 数据分析计算：当扫描电源电流按照6A -6A 6A变化，不论电流方向与磁场方向垂直还是平行，图像都会出现双峰，且峰值没有与零点重合，这是由于材料的磁滞现象引起的。由于电流I保持不变，为6mA，电压V的变化亦为电阻R的变化。对于给定的合金材料，在测量中，忽略温度导致的线度改变，可以认为电阻率变化的比值与电阻变化的比值相等同。因此R-H曲线亦可用U-I曲线表示。 电流与磁场垂直时，峰值为样品完全退磁时的电阻，即，对应；电阻随磁场变化趋于的稳定值为样品的垂直磁电阻，

13、即，对应。对两个峰值和四个稳定值分别求平均，可得：， 电流与磁场平行时，谷值为样品完全退磁时的电阻，即，对应；电阻随磁场变化趋于的饱和值为样品的平行磁电阻，即，对应。对两个谷值和四个饱和值分别求平均，可得：，分析： (1) 由以上数据，易得 ，可见，和并不相等，这说明样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布并非完全各向同性。(2) 由图，显然随着测量时间的推移，测得的磁电阻曲线有明显向高电阻方向移动的趋势。这是由于样品通电后会产生焦耳热，随着时间的推移，样品温度逐渐升高，电阻率变大，热效应不再可以忽略，以至当一个测量周期完成时，电阻率增幅可高达到1%左右，而实验最终的AMR也不过才3.3%，可见

14、测量时间越长，由热效应引起的误差越大越不可忽略。(3) 试验并没有直接测量没有外磁场时样品的电阻，这是由于样品此前已经过多次实验，有一定的不确定剩磁，因而实验采用测量曲线中的峰值或谷值作为样品完全退磁时的电阻。但在实验中，峰值或谷值附近电阻变化极大，测量选择的步长并不能保证实验恰好记录到真正的峰值或谷值，从而给实验带来误差。(4) 样品的剩磁会使外磁场为零时的磁电阻并不对应于样品完全退磁时的电阻，因而磁电阻曲线会出现双峰或双谷。在理想情况下，双峰或双谷应关于原点对称，但在该实验中，双峰和双谷关于原点有明显的偏移，这可能由样品的磁滞回线不对称引起，也可能由仪器的系统误差引起。有一点需要注意，即样

15、品退磁方向相同时，其磁电阻取极值的电磁铁电流总是相等的(电流增加时，磁电阻总是在0.60 A左右取极值；电流减小时，磁电阻总是在-1.00 A左右取极值)，但由于样品在磁场中的取向已旋转了90，因而我更倾向于认为双峰或双谷关于原点的不对称性是由仪器的系统误差引起的。(5) 实验中，、和求均值时，不同数据对应的温度实际上已经发生了较大变化，但由于两个峰值或谷值总是在测量过程的前后各四分之一处左右得到，而四个稳定值或饱和值总是在测量过程的起始处、二分之一处和终点处得到，如果认为样品线性升温，其电阻率随温度变化也是线性的话，将两个峰(谷)值和四个稳定(饱和)值分别平均，将得到测量过程大约二分之一处时

16、的所对应温度的各个电阻值，这样所得的数据误差应该比仅取其中部分数据进行平均所得数据的误差为小。五. 实验思考题1. 测量AMR后计算出的，是否相同，如不同说明什么问题？答：由数据分析中计算出的值可知，不同，说明样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布并非完全各向同性，而是各向异性的。2. 按前述步骤手动测出的磁电阻曲线与自动测出的磁电阻曲线有何异同，为什么？答：手动测出的磁电阻曲线相对于自动测出的磁电阻曲线有明显的基线漂移，即随着测量时间的增加，测得的曲线明显向高电阻方向移动。原因在于手动测量时间长，电流通过样品产生的热效应不可忽略，样品温度有显著升高，使其电阻率明显变大。3. 手动测量与自动测

17、量时，如何更好地选取流过样品的测量电流大小？答：手动测量时，测量电流不应太大，否则热效应带来的影响过于突出；自动测量时，由于测量时间短，测量电流可以较大，以达到较好的实验精度。4. 测量中如何减小热效应对测量的影响？ 答：（1）. 测量应尽量迅速；（2）. 测量时样品应处于良好通风环境中；（3）. 必要时可以采用有关的恒温设备5. 样品夹具采用材料有何要求？材料应该不具有铁磁性，在外加磁场的作用下，其磁性变化应越小越好。六实验讨论1、观察实验测得图像，对比书上的图像，可以看出本次实验的误差还是很大的。其中最显著一点就是实验测得的电阻随时间变化具有明显的上升趋势。至于造成测量电阻随时间变化而上升的原因，应该主要