巨磁电阻实验

巨 磁 电 阻 效 应 及 其 应 用巨磁电阻(Giantmagnetoresistance,简称GMR)效应表示在一个巨磁电阻系统中,格外弱小·费尔(AlbertFert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(PeterGrunberg)因分别独立觉察巨磁阻效应而共同荣膺2023年诺贝尔物理学奖.GMR是一种量子力学和分散态物理 学现象,是磁阻效应的一种,可以在磁性材料和非磁〔几个纳米厚构造中观看到.在(W.Heisenberg,尔奖得主)明确提出铁磁性有序状态源于

性材料相间量子力学出1932年诺贝铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用,这个交换作用是短程的,称为直接交换作用.随后,科学家们又1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.反铁磁性通过化合物中的氧离子(或其他非金属离子)将最近的磁性原子的磁矩耦合起来,属于间接交换作用.此外,在稀土金属中也消灭了磁有序,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4f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,这就是RKKY型间接交换作用.直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm,间接交换作用可以长达1nm以上.据此美国IBM试验〔或两种以上组分〔或导电类型尺度样品技术的消灭使得金属超晶格成为争论前沿.因此分散态物理工作者对这类人工材料的磁有序,层间耦合,电子输运等进展了广泛的根底方面的争论.其中相关的代表性争论工作简介如下.其一是德国尤利希科研中心的物理学家彼得格伦贝格尔.他始终致力于争论铁磁性金属薄膜外表和界面上的磁有序状态,其争论对象是一个三明治构造的薄膜,两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm的铬层.之所以选择选择这一材料系统,首先是由于金属铁和铬是周期表上相近的元素,具有类似的电子壳层,简洁实现两者的电子状态匹配.其次,金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数一样,它们之间晶格构造相匹配.这两类匹配格外有利于对根本物理过程进展探究.尽管如此,长期以来该课题组所获得的三明治薄膜仅为多晶体.随着制备薄膜技术的进展,分子束外延(MBE)方法的应用才使得构造完整的单晶样品得以问世,其成分照旧是铁-铬-铁三层膜.此后,试验过程中,薄膜上的外磁场被逐步减小直至消逝.结果觉察,在铬层厚度为0.8nm的铁-铬-铁三明治中,两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下).亦即,对于非铁磁层铬的某个特定厚度,在无外磁场时,两边铁磁层磁矩处于反平行状态,这一现象成为巨磁电阻效应消灭的前奏.在对这一现象的进一步争论过程中,格伦贝格尔等觉察当两个磁矩反平行时,铁-铬-铁三明治呈现高电阻状态.而当两个磁矩平行时,则对应与其低电阻状态,且两种不同状态下的阻值差高达10%.之后,格伦贝格尔将此结果写成论文,并申请了将这种效应和材料应用于硬盘磁头的专利.另一位科研工作者是巴黎十一大学固体物理试验室物理学家阿尔贝50%.为巨磁电阻现象,并用两电流模型予以合理解释.明显,该周期性多层膜可视为假设干个格伦贝格尔三明治的重叠,因此德国和法国的这两个独立觉察实属同一个物理现象.IBM公司的斯图尔特S.P.Parkin)将GMR的制作材料做了进一步推广,为其工业化应用奠定了根底.他于1990年首次报道了铁-铬超晶格系列之外的钴-钌和钴-铬超晶格体系亦有巨磁电阻效应,并且随着非磁层厚度增加,其磁电阻值振20种左右不同的体系均存在巨磁电阻振荡现象.帕金的工作首先为查找更多的GMR材料开拓了宽阔空间,为查找适合硬盘的GMR材料供给了可能,1997年制成了GMR磁头即是其成功之一.其次,在薄膜制备方法上帕金承受较一般的磁控溅射技术用以替代周密的MBE巨磁电阻效应觉察的另一重大意义在于翻开了一扇通向技术世界的大门—自旋电子学.GMR电子自旋往往被无视了.巨磁电阻效应说明电子自旋对于电流的影响格外猛烈,电子的电荷与自利用巨磁电阻效应制成的多种传感器,已广泛应用于各种测控领域.除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外,由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应,已显示出比GMR一些磁性半导体中,都觉察了巨磁电阻效应.试验目的了解GMR效应的原理.测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线.测量GMR的磁阻特性曲线.测量GMR开关〔数字〕传感器的磁电转换特性曲线.用GMR传感器测量电流.用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移,了解GMR转速传感器的原理.通过试验了解磁记录与读出的原理.试验原理依据导电的微观机理,电子在导电时并非沿电场直线前进,而是不断和晶格中的原子产生碰〔又称散射〕平均自由程长,电阻率低.在电阻定律R=l/S中,电阻率可视为常数,与材料的几何尺度无关.〔例如铜中电子的平均自由程约34nm〕〔例如,铜原子的直径约为0.3nm〕,电子在边界上的散射几率大大增加,此时可以明显观看到厚度减小,电阻率增加的现象.电子除本身携带电荷外,还具有自旋特性.自旋磁矩又分为平行或反平行于外磁场方向的两种不同取向.在自旋磁矩与材料的磁场方向平行的状况下,电子散射的几率远小于二者反平行条件下的散射几率.与此相应,材料的电阻在自旋磁矩与外磁场方向平行时将远小于二者反平行时如图2〔反铁磁足够强的外磁场后,两层铁磁膜的方向都与外磁场方向全都,外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合.电流的方向在多数应用中与膜面方向平行.事实上,有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有奉献:界面上的散射无外磁场〔平行〕,高电阻状态有外磁场存在对应于低电阻状态.铁磁膜内的散射无外磁场〔平行和散射几率大〔反平行〕高电阻有外磁场两层铁磁膜的磁场方向全都,自旋平行的电子散射几率小,自旋反平行的电子散射几率大,两类自旋电流的并联电阻相像一个小电阻与一个大电阻的并联,对应于低电阻状态.多层膜GMR到广泛应用.在数字记录与读出领域,为进一步提高灵敏度,进展了自旋阀构造的GMR.如图3所示.valveGMR)由钉扎层,被钉扎层,中间导电层和自由层构成.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互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,不随外磁场转变.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,很弱的外磁场就会转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〔对应于0或1〕向就向与被钉扎层磁化方向一样〔低电阻〕〔高电阻〕可确定记录材料所记录的信息,硬盘所用的GMR磁头就承受这种构造.试验仪器一.主体名称：ZKY-巨磁电阻效应及应用试验仪构成及功能：电流表局部：做为一个独立的电流表使用.两个档位：2mA200mA档,可通过电流量程切换开关选择适宜的电流档位测量电流.电压表局部：做为一个独立的电压表使用.两个档位：2V200mV档,可通过电压量程切换开关选择适宜的电压档位.恒流源局部：可变恒流源.试验仪还供给GMR传感器工作所需的4V电源和运算放大器工作所需的±8V电源.根本组件：根本特性组件由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的磁电转换特性,磁阻特性进展测量.GMR传感器置于螺线管的中心.螺线管用于在试验过程中产生大小可计算的磁场,由理论分析可知,无限长直螺线管内部轴线上任一点的磁B=nI.式中I0107H/m承受国际单位制时,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〕.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四周的磁场变化,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,具有特别的优点.角位移测量组件: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利用的就是这一原理.磁读写组件：磁读写组件用于演示磁记录与读出的原理.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.巨磁电阻效应及其应用试验报告一、试验时间：年月日二、样品：巨磁阻根本特性组件,磁读写组件, 电流测量组件, 角位移测量组件, 巨磁阻试件,磁卡以及巨磁电阻效应及应用试验仪〔01-001〕.三、试验目的：1、了解巨磁电阻效应试验原理；2、了解巨磁阻的模拟传感器磁电转换特性；3、了解巨磁阻的磁阻特性；4、通过试验了解磁记录与磁读写的原理.四、试验内容：1、GMR模拟传感器的磁电转换特性测量：1励磁电流磁感应强输出电压U励磁电流4V磁感应强 输出电压UI1(mA)B〔mV〕I1(mA)度B 〔mV〕10089.98069.76049.8403020151050-5-10-15.1-20-30.1-40.7-50.2-60-76.8-80.1-90-100μ=4π×-H/m〔1〕 n=24000B之间的关系曲线：

B 0

〔3〕磁感应强度BU275磁场250275磁场250减小225B-200U175系曲150线125100磁场75增大50B-25U0系曲线0.010.020.030.040.0U(V)-40.0

-30.0 -20.0

磁感应强度B2、GMR磁阻特性测量：

图〔1〕由式〔3〕可得磁感应强度B, 则由欧姆定律可得磁阻R.表2 磁阻特性测量 磁阻两端电压4V励磁电流磁感应强磁阻电流R励磁电流磁感应强磁阻电流RI1(mA)100B30.1I〔mA〕〔Ω〕I1(mA)-100B-30.1I〔mA〕〔Ω〕9027.1-90-27.18024.1-80-24.169.521.0-70-21.16018.1-60-18.149.815.0-50-15.139.111.8-40.1-12.1309.0-30-9.0206.0-19.8-6.014.84.5-15-4.5103.0-10-3.051.5-5-1.500.000.0-5.1-1.551.5-10.1-3.0103.0-15-4.515.34.6-20.2-6.1206.0-30.5-9.2309.0-40.1-12.140.112.1-50-15.15015.1-60-18.16018.1-70.1-21.17021.1-80-24.18024.1-90-27.19027.1-100-30.110030.1磁阻与磁感应强度关系曲线：R-B关系曲线5000490048004700磁阻R 46004500440043004200-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.0磁感应强度B图〔2〕3、GMR开关〔数字〕传感器的磁电转换特性曲线测量3

磁场减小时R-B磁场增大时R-BI〔mA〕输出电压U(V)I〔mA〕输出电压U(V)50-5040-4030-3020-2019.4-17.519.4-17.510-1000-1010-2020-22.924.3-22.924.3-3030-4040-5050输出电压U〔V输出电压U〔V励磁电流I〔mA〕21.8磁场减小1.6时巨磁阻1.4开关特性1.2曲线10.8磁场增大0.60.4时巨磁阻开关特性曲线0.20-60-40-2002040604GMR模拟传感器测量电流4低磁偏置25mV低磁偏置150mV励磁电流输出电压 励磁电流输出电压励磁电流输出电压 励磁电流输出电压I〔mA〕U〔mV〕 I〔mA〕U〔mV〕I〔mA〕U〔mV〕 I〔mA〕U〔mV〕300-300300-300200-200200-200100-100100-1000.10.10.10.1-100100-100100-200200-200200-300300-300300待测电流与输出电压关系曲线：180.0180.0160.025mV磁电流减小时I-U140.0120.0100.025mV磁电流增大时I-U80.060.0150mV励磁电流减小时I-U40.020.0偏置电压150mV励磁电流增大时I-U0.0-400-2000200400图〔3〕偏执电压越大U-I直线斜率越大, 灵敏度越高.转动角度/度036912151821输出电压/mV转动角度/度24转动角度/度036912151821输出电压/mV转动角度/度2427303336394245输出电压/mV齿轮角位移的测量：转动角度与