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1、华中科技大学 硕士学位论文 基于反常霍尔效应的薄膜磁滞回线测量系统的研究 姓名：周卓作 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：李震 2011-01-18 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘 要 磁性薄膜的应用越来越广泛，使得人们更加关注薄膜的磁性能表征。在磁性薄 膜的很多应用中，其薄膜的厚度变得越来越薄，使得薄膜磁特性参数的测量变得越来 越困难。 本文首先针对传统测量方法在测量膜厚很薄样品时的困难，研究了基于反常霍 尔效应的测量方法。在硬件方面，研究和设计了总体方案，其中，采用基于 PCI 总线 的数据采集卡
2、完成磁场数据的获取和传送，采用高精度电流源和纳伏表获取反常霍尔 电压数据，通过 GPIB 接口传送。在软件方面，选用 LabView 虚拟仪器编程平台，研 究和设计了数据实时滤波、曲线调理和特征参数提取算法等。实测结果表明，设计和 搭建的基于反常霍尔效应的薄膜磁滞回线测量系统能高效的进行数据采样、数据显 示、数据处理和特征参数提取。 本文还对测试系统的误差进行了详细的分析，从硬件和软件两方面着手，研究和 分析了影响系统测量精度的原因。实验结果表明，测试样品的放置角度和测试点位置 等均对测试结果有明显影响，在分析的基础上，提出了提高测试精度的方法。 理论分析和实测结果均表明，对于厚度很薄的薄膜磁
3、滞回线的测量，相对于传统 技术，基于反常霍尔效应的测量方法具有显著优势。 关键词：反常霍尔效应 磁滞回线 LabView 虚拟仪器 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract With the increasingly wider application of the magnetic thin-films, people pay much more attention on the magnetic characterization of the thin-films. The thickness of the thi
4、n-films becoming much thinner in many applications ,which make the measurement of the magnetic property parameters of the thin-fims more and more difficult. According to the disadvantages of the traditional test methods,the paper firstly reasearched a method based on extraordinary hall effect.Then a
5、 hardware designing scheme focused on the requirements of the experiments was proposed,including using a data acquisition circuit based on PCI bus to acquire and transmitt the data of magnetic field,and some high precision devices to acquire the data of the extraordinary hall voltage,then transmit i
6、t through GPIB interface . Then a software developing scheme was proposed,including choose LabView as the development platform to execute the real-time filtering,curve moving and parameters computing. Finally, the experiment results showed that the system could sample, display and process data in hi
7、gh efficiency. In the thesis, the test deviation of the system was analyzed in details from hardware and software aspects,the reason which influence the accuracy was found and a solution was proposed. The results of experiments demonstrated that many factors such as the angle of putting the sample,
8、and the measurement location will effect the accuracy in the test. Through analysis, the method to improve the accuracy of the system is proposed. Theory analysis and the experiment results all showed that,compared to the traditional technology,the test method based on extraordinary hall effect had
9、a huge advantage when testing the hysteresis loop of a very thin film. Keywords: Extraordinary Hall Effect Hysteresis loop LabView virtual instrument 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。
10、 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本 论 文 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学
11、 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 研究的目的和意义 从上个世纪 40 年代开始，薄膜材料的磁性得到广泛的研究。到现在，许多薄膜 材料都表现出十分优良和独特的磁性，如各向同性磁电阻。此外，人工设计的超晶格 (常称之为多层膜)、三层膜、隧道结膜，以及基于磁电阻效应的磁电子学也开始出现。 磁性薄膜在磁记录和磁光存储技术方面得到了广泛的应用， 已经形成了巨大的产业1。 高性能薄膜或多层膜、颗粒膜新材料可用来制作各类微磁器件，薄片式和编织式 电感，微型变压器磁芯及其集成组件，还可以制作高密度磁记录和磁光记录设备中不 可缺少的磁头、存贮介质磁盘、磁带以及磁量子器件、微型传感器、高精度检测元件 等。用薄
12、膜做计算机高密度磁头，可使硬盘面密度提高数倍，使信息高速公路上图象 传输通道的“ 瓶颈” 得以突破。这些元器件具有短小轻薄、一体化、集成度高、可 靠稳定、能耗低等优点，成为当代信息多媒体技术、大容量、小型化计算技术、高密 度磁记录和磁光记录技术、高频电力电子技术、智能化传感技术等的发展基础2。 随着磁性薄膜的应用越来越广泛，人们越来越关注其性能表征。为了得到特定性 能指标的磁性薄膜，对磁性薄膜的好坏做出准确的判断，并且准确的测试薄膜的磁性 能参数就显得尤为重要。通常人们所关心的参数主要包括饱和磁化强度、剩余磁化强 度、矫顽力、起始磁化率、磁能积、剩磁比、磁各向异性常数等等。随着对薄膜的结 构、
13、制备工艺、理论研究的持续发展深入，研究人员将焦点集中在了准确客观地评价 薄膜的性能上。磁滞回线作为一个包含了许多参数信息的曲线，成为众多测试方法所 进行测试的对象，其中目前应用最为成熟和广泛的方法包括振动样品磁强计（VSM） 、 交变梯度磁强计（AGM）以及磁光克尔效应磁强计（MOKE） 。 然而随着薄膜制备工艺的提高，制备出的薄膜厚度越来越薄，其所包含的磁矩信 号也随之减小。这给传统的测量方法带来了一定的难度，如依靠测量磁矩信号从而获 得磁滞回线的 VSM 系统，对于超薄薄膜的测量已显得有些力不从心。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论
14、文 2 反常霍尔效应8由于其特有的特点，给铁磁超薄薄膜的磁滞回线的测量提供了又 一个有力的手段。反常霍尔效应来源于霍尔效应中与薄膜本征磁性有关的部分，其所 产生的反常霍尔电压信号与薄膜厚度成反比，与薄膜磁化强度成正比。样品越薄，可 测量的其反常霍尔电压越大，对于膜厚很薄的样品，测量其反常霍尔电压就变成一件 比较容易的事情，而其反常霍尔电压与样品的磁化强度成正比，通过简单的线性变换 后，测量的磁场强度与反常霍尔电压（MVH）的关系曲线就可以表征为磁场强度与 磁化强度（MH）的关系曲线，也即传统意义上的磁滞回线。反常霍尔效应测量系统 精度高，并且可同时测量输运性质，因此，搭建基于反常霍尔效应的磁滞
15、回线测量系 统有着重要的实际意义。 同时，搭建基于反常霍尔效应的磁滞回线测量系统，还可对薄膜的反常霍尔效应 进行评价，探讨和研究。霍尔效应在当今科学技术的许多领域都有着广泛的应用，如 测量技术、电子技术、自动化技术等。近年来，由于新型半导体材料和低维物理学的 发展使得人们对霍尔效应的研究取得了许多突破性进展。由于霍尔效应提供了载流子 的类型、浓度等关键信息，因而在电子输运行为等基础研究中成为有力的工具。利用 半导体元件霍尔效应大，线性度好的优点，在磁传感器中霍尔元件有着广泛的应用。 正常金属由于载流子浓度远大于半导体，霍尔效应较小，但在铁磁金属中存在与磁化 强度 M 相关的比正常金属霍尔系数大
16、两个数量级的反常项，称为反常霍尔效应 （EHE） 。六十年前，人们就提出了把反常霍尔效应应用在磁传感器和非易失性磁随 机存储器中，但是到目前为止还没有重大进展。其主要原因是它的灵敏度还远远没有 达到 GMR 和自旋阀的水平。近年来随着在多种材料中发现了大的反常霍尔效应，其 场灵敏度可以达到 1200V/A T，这一结果使反常霍尔效应传感器的磁场灵敏度首次超 过半导体霍尔器件的灵敏度9,10,11。基于反常霍尔效应的磁传感器和磁随机存储器具 有热稳定性好；制备过程工艺和膜层结构简单；成本低；灵敏度高等优点12。另外， 反常霍尔效应是探测和确定给定温度下材料体系铁磁态最基本的表征工具之一。因 此，无论从器件性能还是经济效应考虑，基于反常霍尔效应的自旋电子器件都将在未 来磁传感器和磁随机存储器中具有广阔的应用前景。 因此，无论是从常规磁滞回线测量方法的角度，还是从研
