金属薄膜磁电阻特性综合实验

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1、 实验 x.xx 金属 薄膜磁电阻 特性 综合实验 1988 年 ， 法国物理学家 阿尔贝 费尔 （ Albert Fert） 报道了 Fe/Cr 多层膜在磁场中电阻大幅下降 ， 并称这种效应为巨磁电阻效应 （ GMR）， 很快利用 GMR 效应制作的计算机硬盘读出磁头问世 ， 使计算机硬盘存储密度得到大幅提高 。 因为各自独立的发现了 GMR 效应 ， 费尔和德国科学家彼得 格林贝格尔共同荣获了 2007 年诺贝尔物理学奖 。 本实验利用四探针方法 ， 可以 测量 各种金属 薄膜的磁电阻效应 ， 研究在磁场中 金属 薄膜的电阻变化 、 各向异性磁电阻效应 和隧道结巨磁电阻效应 。 【 实验目

2、的 】 1 了解薄膜材料科学和磁电子学的一些基本概念和知识 。 2 了解各向异性磁电阻产生的原理和应用 。 3 掌握 四探针法测量薄膜磁电阻的方法和原理 。 【 实验仪器 】 亥姆霍兹磁场线圈 、 四探针组件 、 HY1791-10S 直流磁场电源 、 SB118 精密直流电压电流源 、 PZ158A 直流数字电压表 、 薄膜样品 。 如图 x.x-1 所示 ， 薄膜样品所加磁场由亥姆霍兹线圈提供 ， 磁场可从零线性增加到 180Oe，磁场灵敏度可达到 0.5Oe； 样品放在线圈中心的可调样品台上 ， 线圈可在 360 度范围内绕样品旋转 ； 四探针组件是由具有引线的四根 探针组成 ， 这四根

3、探针被固 定在一个架子上 , 相邻两探针的间距为 3 毫米 ， 探针针尖的直径约为 200 微米 。 SB118 精密直流电流源是精密恒流源 ， 它的输出电流在 1A 200mA 范围内可调 ， 其精度为 0.03%。 PZ158A 直流数字电压表是具有 6 位半字长 、 0.1V 电压分辨率的带单片微机处理技术的高精度电子测量仪器 ， 分别具有 200mV、 2V、 20V、 200V、 1000V 的量程 ， 其精度为 0.006%。 HY1791-10S 直流磁场电源的输出电流在 0-10 安培 ， 其精度为 0.1%。 1 亥姆霍兹 线圈 2 四探针装置 3 接线盒 磁场电源 电压表

4、+II+VV恒流源 1 2 3 图 x.x-1 磁电阻测量 装置图 【 实验原理 】 磁电阻效应 MR 是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象 。 表征磁电阻效应大小的物理量为 MR， 其定义为 ： %10000 =rrrrrMR (x.x-1) 其中 和 0 分别表示物质在某一不为零的磁场中和磁场为零时的电阻率 。 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 (OMR)、 各向异性磁电阻效应(AMR)、 巨磁电阻效应 (GMR)和 庞 磁电阻效应 (CMR)等 。 本实验主要测量单层磁性 NiFe 薄膜的各向异性磁电阻 1 各向异性磁电阻效应 在居里点以下

5、， 铁磁金属的电阻率随电流 I 与磁化强度 M 的相对取向而异 ， 称之为各向异性磁电阻效应 。 即 / 。 各向异性磁电阻值通常定义为 ： 0/ /)(/ rrrrr =AMR (x.x-2) 这里 0 为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率 。 不过由于理想的退磁状态很难实现 ， 通常取 3/)2( /0 += rrrr av (x.x-3) 则有 ： avavAMR r rrrr = / (x.x-4) 其中 avr 表示物质在饱和磁场 H 中和磁场为零时的平均电阻率 。 低温 5K 时 ， 铁 、 钴的各向异性磁电阻值约为 1% ， 而坡莫合金 (Ni81Fe19)为 15% ， 室温下坡

6、莫合金的各向异性磁电阻值仍有 %32 。 2 金属多层磁性薄膜中的巨磁电阻效应 金属多层磁性薄膜是人为生长的 、 由金属磁性材料 (铁 、 钴 、 镍及其合金等 )和金属非磁性材料 (铜 、 铬 、 银和金等 )构成的金属超晶格 材料 。 磁性多层膜巨磁电阻具有如下特点 ： 1） 数值远比 AMR 大得多 ； 2） 随磁场增加呈现负电阻值变化 ； 3） 磁电阻效应各向同性 ， 只与铁磁层间磁矩的相对取向有关 ； 4） 磁电阻效应的大小随非磁性层厚度而发生周期性的振荡变化 。 5） GMR 出现的必要条件是 ： 电子自旋要 “识别 ”铁磁层间磁矩是平行排列还是反平行排列 ， 这就要求多层膜的 “

7、 周期 ” 厚度 远远小于 电子平均自由程 。 如果非磁层厚度过大 ， 影响到上述条件 ， 则 GMR 衰减 。 磁性多层膜巨磁电阻的理论解释 ： Mott 提出二流体模型对巨磁电阻给予简单的且有说服力的解释 , 也是最为广 泛应用的模型 。 图 x.x-2 和图 x.x-3 为零场及较大外磁场作用下传导电子的运动情况 。 图 1 对应着零场时传导电子的运动状态 ， 此时多层膜中同一磁性层中原子的磁矩排列方向一致 。 但相邻磁层原子的磁矩反平行排列 。 按照 Mott 的二流体模型 ， 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 ， 而磁层的

8、影响却完全不同 。 当两磁层的磁矩方向相反时 ， 两种自旋状态的传导电子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 ， 宏观上表现为高电阻状态 ； 当外场足够大时 ， 使得磁层的磁矩都沿外场方向排列 (图 x.x-3)， 则自旋与其磁矩方向相同的电子受到的散射小 ， 而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 x.x-2 和图 x.x-3 右侧的图表示对应高阻态和低阻态的等效电路图 。 图 x.x-2 零场时传导电子的运动状态 （ 小箭头代表电子自旋方向 ） SMr RR r 图 x.x-3 强场时传导电

9、子的运动状态 （ 小箭头代表电子自旋方向 ） 铁磁金属薄膜磁的电阻很低 ， 所以 ， 它的电阻率测量需要采用四 端接线法 。 但是 ， 为了满足实际的需要 ， 在生产 、 科研 、 开发中测量金属薄膜电阻率的四端接线法已经发展成四探针法 ， 图 .x.x-43 显示了四探针法测量铁磁金属薄膜磁电阻的原理图 。 1 金属薄膜 2 探针 3 电压表 4 恒流源 图 x.x-4 四探针 法 测量 金属薄膜电阻 原理图 如图 x.x-4 所示 ， 让四探针的针尖同时接触到薄膜表面上 ， 四探针的外侧二个探针同恒流源相连接 ， 四探针的内侧二个探针连接到电压表上 。 当电流从恒流源流出流经四探针的外侧二

10、个探针时 ， 流经薄膜产生的 电压将可从电压表中读出 。 根据测出的电压值计算出 金属薄膜两个电压探针之间的电阻值 。 在薄膜的面积为无限大或远远大于四探针中相邻探针间距离的时候 ， 金属薄膜的电阻率r 可以由下式给出 ： SMrRR r+IIVV123+V4d dIV2lnpr = (x.x-5) 其中 ， d 是薄膜的膜厚 ， I 是流经薄膜的电流 ， V 是电流流经薄膜时 在两个电压探针之间 产生的电压 。 【 实验内容 】 1 打开 直流磁场电源 、 精密直流电 压电流源和 数据采集仪 （ 或 直流数字电压表 ） 的开关 及相关软件 ， 使仪器预热 15 分钟 。 2 认真观察镀有金薄

11、膜的玻璃 或 Si 基片 （ 样品 ）， 确定具有金薄膜的一面 。 3 调整样品台的高低 , 使样品台表面恰在两个亥姆霍兹线圈的中心 ， 以保证样品处于均匀磁场中 。 4 把样品放在样品台上 ， 使具有金薄膜的一面向上 。 让四探针的针尖轻轻接触到金属薄膜的表面 ， 然后拧动四探针架上的螺丝把四探针架固定在样品台上 ， 使四探针的所有针尖同金薄膜有良好的接触 。 注意 ：（ 1） 在拧动四探针架上的螺丝时 ， 用手扶住四探针架 ， 不要让四探针在样品表面滑动 ， 以 免探针的针尖滑伤薄膜 ；（ 2） 在拧动四探针架上的螺丝时 ， 不要拧的过紧 ， 以免四探针的针尖严重划伤薄膜 ， 只要四探针的

12、所有针尖同薄膜有良好的接触即可 。 5 把四探针引线的端子分别正确地插入相应的精密直流电流源的 “电流输出 ”孔和直流数字电压表的 “输入 ”孔中 。 注意电流的方向和电位的高低关系 。 6 使用精密直流电压电流源中的电流源部分 ， 适当选择 “量程选择 ”的按键以及适当调节 “电流调节 ”的 “粗调 ”和 “细调 ”旋钮 。 7 分别在电流与磁场平行和垂直方向加一恒定的电流 , 并使磁场从零慢慢增大到磁电阻不再增加 (即达到饱和 )为止 , 测量不同磁场下对应的电压值 , 再将磁场慢慢降为零 ,测量不同磁场下对应的电压值 , 然后让电流反向 , 重复以上操作 。 注意 ： 在选择电流值时 ，

13、 最大的电流值对应的电压值不能超过 5 毫伏 ， 以免流过薄膜的电流太大导致样品发热 ， 从而影响测量的准确性 。 8 根据饱和磁场下测量的电阻值计算 NiFe 薄膜 的各向异性磁电阻 。 【 数据处理 】 1 将测量时所用的亥姆霍兹线圈磁场的电流值换算为相应的磁场数值 ； 2 分别将测得的 ， 磁场与电流平行时的电压随磁场的变化值和磁场与电流垂直时的电压随磁场的变化值输入计算机并整理 ， 根据测出的电压值计 算出所测薄膜样品在不同磁场下的电阻 ， 同时根据公式 （ x.x-5） 算出所测薄膜的电阻率 ； 3 分别将电流平行 和 垂直 样品磁化方向 时的电阻随磁场的变化值整理 ， 应用公式 (

14、x.x-1)和（ x.x-4) 计算出所测薄膜样品的磁电阻 （ MR） ， 画出磁电阻 （ MR） 随磁场的变化曲线 。 【 注意事项 】 1 换测量样品时 ， 一定要把恒流源的电流调为零 。 2 更换样品要小心 ， 不要滑伤薄膜和弄坏针尖 。 【 思考题 】 1 分析磁电阻随磁场变化的规律 ？ 2 分析平行磁电阻与垂直磁电阻随磁场变化的特点 ？ 3 本实验中测量电压时为什么要求测量同 一电流状况下的正反向电压 ？ 如果不这样做结 果会如何吗 ？ 用实验数据来说明你的观点 。 附件 ： 一 、 测试图 （ 09-08-15 成都 ）： 3 分别将电流平行 和 垂直 样品磁化方向 时的电阻随磁场

15、的变化值整理 ， 应用公式 (x.x-1)和（ x.x-4) 计算出所测薄膜样品的磁电阻 （ MR） ， 画出磁电阻 （ MR） 随磁场的变化曲线 。 由数据表求得 ， 无场时电压均值约 1.5514mV,除以恒流源的电流值 2mA,得到 0 ， 也约等于你另外一张图所测的 ， 即易磁轴平行于场强 。 / 电压均值约 1.5347 mV， 二者差值算AMR 二 、 【 数据处理 】 如下例 ： 1 将测量时所用的亥姆霍兹线圈磁场的电流值换算为相应的磁场数值 ； 骨架线圈外径 直径 0.23 米 骨架线圈内径 直径 0.17 米 线圈平均直径 0.2 米 匝数 400 最大工作电流 1 亥姆霍兹场强 0.003594991 T 样品是坡莫合金 ， 电流不需要扫描到 8 安培 ， 到 1 安培就够了 。 一个励磁扫描循环 0-正最大 1A -0-负最大 1A -0， 时间 82.97 秒 。 4.739 秒时开始加励磁电流 ， 至 87