各向异性磁电阻的测量

1、各向异性磁电阻.巨磁电阻测量摘 要：本文阐述了各向异性磁电阻的实验原理及测量方法，分别测量了电流方向与磁场方 向平行和垂直两种情况下电阻虽磁场的变化,最后对本实验进行了讨论。关键字:各向异性磁电阻，AMR曲线，四探针样品夹其，磁电阻的测呈。引言一般所谓磁电阻是指在一定磁场卜材料电阻率改变的现彖。1988年，在分子束外延制 备的Fe/Cr多层膜中发现MRuf达50%。并II在薄膜平面上，磁电阻是各向同件的。人们把 这称之为巨磁电阻（简记为GMR）, 90年代，人们又在Fe/Cu、Fe/Al、Fe/Ag、Fe/Au、Co/Cu、 Co/Ag和Co/Au等纳米多层般中观察到了显著的巨磁电阻效应。19

2、92年人们又发现在非互溶合金（如Fe、Co与Cu、Ag.Au等在平衡态不能形成合金） 颗粒膜如CoAg、Co-Cu中存在巨磁电阻效应，在液氮温度可达55%,室温可达到20%, 并且有各向同性的特点。1994 4年,人们又发现Fe/A12O3/Fe隧道结在4.2K的M R为30%, 室温达18%,之后在英他一些铁磁层/非铁磁层/铁磁层隧道结中亦观察到了大的磁电阻 效应，人们将此称为隧道结磁电阻（简记为TMR）。目前MR室温达24%的TMR材料已 制成，用TMR材料已制成计算机殺盘读出磁头，其杲敏度比普通M R磁头高10倍，比G MR磁头高数倍。20世纪90年代后期，人们在掺碱土金属稀土镭氧化物中

3、发现M R可达103%106%, 称之为庞磁电阻（简记为CMR）。冃前镒氧化物CMR材料的磁电阻饱和磁场较高，降低其 饱满和场是将之推向应用的重要研究课题。利用磁电阻效应町以制成计算机硬盘读出磁头：可以制成磁随机存储器（MRAM）：还 可测量位移、角度、速度、转速等。一、实验目的（1）初步了解磁性介金的AMR,多层膜的GMR,掺碱土金属稀土怯氧化物的CMR。（2）初步掌握室温磁电阻的测量方法。二、实原理1、并向异性磁电阻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

4、场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR。即/=p / p （0）及Ap丄=卩丄一p （ 0 ）o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p （ 0 ）与平均值p av= 1 / 3 （p + 2p丄）相 等。大多数材料p /p （ 0 ）,故计算公式为込=。丄-入0。丄二几AMR常定义为心丽pr=込一込Pq Po Po如果p OHp av,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。 如卜图一是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fel9的磁电阻曲线，很明显, pL p(0),各向异性明显。(三 Jqnd24.0524 g门

5、“23.9023.8523 8023 7523.70-23 65-200100 0100 200 300A/(Oe) (*4 3 2 10 9d 333332-2 2 2 2 2 222 2300 2001000 IW) 200 300A/(Oe)(a)医nihytW般的破电PHIU线(a)电流方向与谥场方向平行 (!电流方向与磁场方向乖H如卜图二一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阳曲线W2SVA/(Oe)图一些铁磁金属与合金薄膜的AMR曲线,实线和虚线分别表示横向和纵向的磁电阻多层膜的巨磁电阻巨磁电阻效应首次在F e / C r多层膜中发现。图12 1-5为这种多层膜的磁电阻曲线。 由图四

6、可见，F e / C r多层膜室温下的M R约11 3%, 42K时约427%。C o / C u多 层!室温MR可达6 0%8 0%,远人于AMR,故称为巨磁电阻，这种巨磁电阻的特点 是：数值比AMR大得多。基本上是各向同性的。图六中高场部分的双线分别对应于(MR) 和(MR)丄, 其差值为AMR的贡献。该多层膜在3 0 0 K和42K卞分别为035%和21%,约为其GMR 的二十分之一。12R 4 o(爱10%3、掺碱土金属桶土镭氧化物的庞磁电阻图七是NdO.7S r03MnO3薄膜样品的电阻率.磁电阻随温度变化关系。该样品的 M R 1 06%。0.180;0.175-0.1700.16

7、50.1600.1550.150 1.51.0 6.50 00.51.0/(kOe)图一种掺银La-Ca- M n-O样品的室温磁电阻曲线到目前为止，对 R EbxTxM n03 （RE = La, Pr N d , Sm； T = C a , S B a, P b）,在x=0.20.5范围都观测到CMR和铁磁性。这种CMR的特点是： （1）数值远大于多层膜的GMRo（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（TVTc）,随温度升高或降低，都会很快降低。这 一特性与金属多层膜的磁电阻有本质的差别。（5）到目前为止，只有少部分材料的居里点高于室

8、温。（6 ）观察这类材料CMR的外加磁场比较高，一般需Te s 1 a量级。图12 1-9是一 种掺银的L a-C a-M n0样品的室温磁电阻曲线。三、实验仪器亥姆霍兹线圈、电磁铁、特斯拉计、亳特斯拉计、人功率恒流电源、人功率打描电源、 稱密恒流源、数字微伏表、双路ADC数据采集卡及软件，计算机，四探针样品夹宾。四、实验步骤1将样品切成窄条，这在测AL1R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e是磁场方向与电流方向的夹角。?用非共线四探针法测电阻值，如图所示。3.将人功率恒流源4亥姆縞兹线圈连接。4将样品装上四探针夹具。5将装好样品的夹具固定在亥姆霍兹线圈中 心，

9、并确保电流方向与磁场方向平行。6将亳特斯拉计探头固定在样品附近。7确保所有仪器调整旋钮均在输出为零位置, 启动所有测量仪器，预热51 5分钟，并作校 准。8.调整精密怛流源输出，使测屋电流（流过样品的电流）为II 0 0 mA范用内的某 个确定电流，本实验中将电流调整为6mA。9调节人功率恒流源输出电流，从-6A开始，逐点增人，以改变磁场人小，逐点记录数 字微伏表显示的电压值。10当电流调节6A时停止记录，在调节大功率恒流源输出电流逐点减小至6A,仍作上 述记录。11将样品夹具转9 0固定好，确保电流方向与磁场方向垂直,再重复6一8步测最、 记录。数据记录与处理1、磁场与电流方向平行测量电压的

10、变化随磁场的变化如卜图：ES.3巧.25. 16.26.16.6 6-6-4-20246l/A由上图町以看出，两条曲线分别对应着电流减小和增大两种情况卜-的测的电压随着电流的变 化值。由实验可知水平方向电流正比于磁场，而竖直方向电压正比于电阻率，所以上图可以 看作是磁场与电流方向平行时待测样品的AMR曲线，谷值表示退磁时的电压，即U。，两个谷值分别为6 090mV和6 1O5mV:电压随磁场变化趋于的饱和值为样品的平行磁电阻对应的电压值，即Uy分别为6 14mV、6 25 mV、6 255 mV和6 265 mV。分别求平均得：= 6.098mVif = 6.254mVW为电流为1=6 OmA

11、,所以町得电阻为：石二石/I，R=uZ/i把纵坐标转化为电阻R,因磁场与电流成正比，横坐标可表示磁场人小，可得RH曲线。 如卜图所示。R-H IlliH由上图可以看出，两条峰并没有朿合，而R峰值并没有在零点，说明所测得的样品波某 磁畸等不非完全各向同性，也就是说，薄膜是各向异性的，出现双峰是由于磁滞现象引起的。2、磁场与电流方向垂直测量电压的变化随磁场的变化如卜图：62 1 226.016 6.06.04.026.6.6.5.98-6-4-202468I/A垂直情况卜同样出现双峰，且峰值没有与零点重介，原因与平行悄况卜相同，上面已经 分析。峰值表示退磁时的电压，即U。，两个峰值分别为6.095

12、mV和6 096mV；电压随磁场变化趙于的饱和值为样品的平行磁电阻对应的电斥值，即U丄，分别为5 983mV. 6 003mV.5 998mV和6 001 mV。分别求平均得：UT = 6.0961I1VU 丄=5.996111V因为电流为1=6 OmA，所以町得电阻为:石吨/I，瓦二兀/I；同理，把纵坐标转化为电阻R,因磁场与电流成正比，横坐标可表示磁场人小，町得R-H 曲线。如下图所示。R-H曲线H综合和2,可知,玩=U +U。丄=6.097111V ;u u丄U。6.254-5.9966.097= 4.232%所以右%=几/1 =l016Q且U“ = i（u + 2U丄）=6.082in

13、Vv- = Uav/I=1.014Q;因为c s US p = R= i n截而积S和长度1为定值，电流均为6 0mA,所以在计算AMR时可以带入U计算。若知道截面积s和长度1,则可求几“ M、厶。丄等值。六、实验讨论实验中由于采用了手动调节磁场的大小，通过电流的人小来调节磁场，而在调节过程 中，实验仪器的箱确度和计数的精确度给实验带來了一定的误差。此外，磁场是近似认为是 均匀场，实际上不是，这也会造成误差。同时在放道样品是与磁场平行或垂总都是目测的, 这样也有可能造成测最的结果有误差。対于计数的步距，实验中采用电压等距的方法，每一次测量分别记了人约30组数据， 这样既町以记录较多的数据，也可

14、以把峰或谷值附近的变化反应出來。在调节电流的过程中， 于最好不要离开旋转按钮，实验中发现于离开的瞬间，电流值rt!定的波动，给实验测量带 来不便。由前面作图町以看出，随看测量时间的推移，测得的磁电阻曲线有明显向高电阻方向移 动的趙势。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 率变人，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%,可见测最时间越长，由热效应引起的误差越大越不町 忽略，这也会致使所测得的曲线不对称。试验并没竹直接测屋没仃外磁场时样品的电阻，这足由丁样品此前己经过多次实验，有 一定的不确定

15、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人，测最选择的步长并不能保证实验恰好记录到貞正 的峰值或谷值，从而给实验带来误差。另外，实验中，R丄、內和R。求均值时，不同数据对 应的温度实际上已经发生了较人变化,但由丁两个峰值或谷值总足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)值和个稳 定(饱和)值分别平均，将得到测量过程人约二分之一处时的所対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

16、据进行平均所得数据的误差为小。样品的剩磁会使外碗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。在理想情况卜，双峰或双谷应关于原点对称，但在该实验中，双峰 和或谷关于原点有明显的偏移，这町能由样品的磁滞回线不对称引起，也町能由仪器的系统 误差引起。七、思考题1、测量AMR后计算出来的和0(0)是否相同，如不同说明什么问题？答：由上述计算过程可以得出：=1/1= 1.016Q,= Uav/I =1.014Q由/9=Ry町知，亿丫和p(0)的计算值不相等，说明该样品在退磁状态卜有磁畴织构， 即磁畴分布非完全各向同性。2、按前述步骤手动测最的磁电阴曲线与自动测最的磁

17、电阴曲线有何异同，为什么？答：实验中只进行了手动测量，而因为手动测量时间上要长一些,首先热效应明显，其 次记录时也令误差：而我们猜测，若是自动测量的话，误差比较小，由于实验中并没有口动 测量，实验图无法得知。手动测出的磁电阻曲线冇明显的基线漂移，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。原丙任于手动测磧时仙长，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、手动测量与自动测量时如何更好的选择流过样品的电流的大小？答：力测量时，因时间较长，对于选取的电流根据样品的的情况和测量仪表的桥度所 决定，电流值不能太人，否则会引起样品的发热而引起实验误差，本实验中选取的电流值为 6mA。自动测量时，由于测最时间短，测量电流可以较人，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测最应尽量迅速，否则由电流长时间会引起热效应：2通过样品的恒流不能太人，要适中，电流越人，引起的热效应越明显；3调