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1、 实验42 巨磁电阻效应及其应用 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg) 于明确提出铁磁性有序状态源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。后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。直接交换作用的特征长度为0.10.3nm，间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度，所以1970年之后，科学家就探索人工微结构中的磁性交
2、换作用。 1986年德国尤利希科研中心的物理学家彼得 格伦贝格尔( Peter Grunberg )采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铬层，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场，发现膜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) 。换言之，对于非铁磁层铬的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁磁层磁矩是反平行的，这个新现象成为巨磁电阻( Giant magneto resistance，简称GMR)效应出现的前提。格伦贝格尔接下来发现，两个磁矩反平行时对应高电阻状态，平行时对应低电阻状态，两
3、个电阻的差别高达10%。 1988年巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝费尔(Albert Fert)的小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格，也称为周期性多层膜。发现当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，即磁电阻比率达到50%。他们把这个前所未有的电阻巨大变化现象称为巨磁电阻，并用两电流模型解释这种物理现象。 1990年IBM公司的斯图尔特帕金( S. P. Parkin ) 首次报道了除铁 -铬超晶格，还有钴-钌和钴 -铬超晶格也具有巨磁电阻效应。在随后的几年，帕金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中，找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系。 巨磁
4、电阻效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展，引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑，音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头，基本上都应用了巨磁电阻效应。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量和控制领域。 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻效应的发现者，法国物理学家阿尔贝费尔和德国物理学家彼得格伦贝格尔。诺贝尔奖委员会说明:“这是一次好奇心导致的发现，但其随后的应用却是革命性的，因为它使计算机硬盘的容量从几百兆，几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。” 本实验介绍多层膜 GMR效应的原理
5、，并通过实验让学生了解GMR传感器的结构、特性及应用。 【实验目的】 1. 了解GMR效应的原理。 2. 测量GMR的磁阻特性曲线。 3. 了解GMR模拟传感器的结构、特点，采用GMR传感器测量电流。 1 【实验仪器】 巨磁阻实验测试仪 基本特性组件 电流测量组件 【实验原理】 1 GMR效应的原理根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。电阻定律 R=l/S中，
6、把电阻率视为常数，与材料的几何尺度无关，这是忽略了边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的厚度时（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，可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。 电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年，就有理论指出，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子，所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。 在图1所示的多层膜结构中，无外磁场时，上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的
7、。施加足够强的外磁场后，两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致，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是平行于膜面的。 有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。 其一，界面上的散射。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行反平行，或反平行平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。 其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外
8、磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，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似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。 图2是图1结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 R/R 达百分之十几，加反向
9、磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。 所有多层膜结构的GMR都靠外磁场改变两铁磁层磁场的相对取向实现巨磁电阻效应，但结构及无外磁场时的耦合状态不一定如图1。如自旋阀结构的GMR，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换 2 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，不随外磁场改变。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，很弱的外磁场就会改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，硬盘所
10、用的GMR磁头就采用这种结构。 无外磁场时顶层磁场方向 顶层铁磁膜 中间导电层 底层铁磁膜 无外磁场时底层磁场方向 图1 多层膜GMR结构图 2 GMR磁阻特性测量图3 磁阻特性测量实验原理图 将GMR置于螺线管磁场中，磁场方向平行于膜平面，磁阻两端加5伏电压。GMR铁磁膜初始磁化方向垂直于磁场方向，调节线圈电流，从负到正逐渐增大磁场强度，记录磁阻电流并计算磁阻。再逐渐减小磁场强度，记录对应数值。不同外磁场强度时电阻的变化反映了GMR的磁阻特性，同一外磁场强度下磁阻的差值反映了材料的磁滞特性。 3 GMR模拟传感器结构及电流测量在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一
11、般采用桥式结构，图4是某型号传感器的结构。 对于电桥结构，如果4个GMR电阻对磁场的响应完全同步，就不会有信号输出。图4中，将处在电桥对角位置的两个电阻R 3、R 4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁场对它们的影响，而R 1、R 2 阻值随外磁场改变。设无外磁场时4个GMR电阻的阻值均为R，R 1、R 2 在外磁场作用下电阻减小R，简单分析表明，输出电压： 图2 某种GMR材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯电阻 欧姆 3 ()/2outinUURRR= 屏蔽层同时设计为磁通聚集器，它的高导磁率将磁力线聚集在R 1、R 2电阻所在的空间,进一步提高了R 1、R 2 的磁灵敏度。从图4
12、的几何结构还可见，巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。 图4 GMR模拟传感器结构图 R2R1 R4 R3 输出输出输入 输入 b电路连接 a几何结构 磁通聚集器 GMR模拟传感器在一定的范围内输出电压与磁场强度成线性关系，且灵敏度高于其它磁传感器，可以方便的将GMR制成磁场计，测量磁场强度或其它与磁场相关的物理量。作为应用示例，可以用它来测量电流。用GMR传感器测量电流不用将测量仪器接入电路，不会对电路工作产生干扰，既可测量直流，也可测量交流，具有广阔的应用前景。 图5 模拟传感器测量电流实验原理图 由理论分析可知，通有电流
13、I的无限长直导线，与导线距离为r的一点的磁感应强度为： 70/2210/BIrI= 磁场强度与电流成正比，在r已知的条件下，测得B，就可知I 。 在实际应用中，为了使GMR模拟传感器工作在线性区，提高测量精度，还常常预先给传感器施加一固定已知磁场，称为磁偏置，其原理类似于电子电路中的直流偏置。 4 【实验内容与步骤】 一、GMR磁阻特性测量1. 将 GMR模拟传感器置于螺线管内中心位置，功能切换按钮切换为“巨磁阻测量” 2. 将测试仪“5V 电压源” 串接电流表后接基本特性组件“ 巨磁电阻供电 ”； 3. 调节“恒流调节旋钮 ”，使输出电流从100mA到0mA，反接插头后从0mA调到100mA，记录电流表读数；(从100mA 到-100mA) 4. 调节“恒流调节旋钮 ”，使输出电流从100mA到0mA，反接插头后从0mA调到100mA，记录电流表读数；(从-100mA 到 100mA) 5. 由步骤3、4得出的数据根据公式B = 0nI 计算出螺线管内的磁场强度B； 表1 GMR磁阻特性的测量 磁阻两端电压5V 外磁场强度（高斯） 增大磁场 减小磁场 励磁电流 磁场强度 磁阻电流磁阻 磁阻电流 磁阻
