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1、薄膜材料磁电阻效应测试仪简介引言：用巨磁电阻（GMR）和各向异性磁电阻（AMR）磁性薄膜材料制作的计算 机硬盘读出磁头和各种弱磁传感器，已经广泛应用于信息技术、工业控制、航海 航天导航等高新技术领域。BKT-1H薄膜材料磁电阻效应测试仪系统控制主机是 专门为薄膜材料磁电阻测试而设计的，它将多块测量仪表及调节指示集于一体， 将复杂的仪表之间连线化为主机内部的 PCB 板集线控制，将仪表之间信号串扰 和外部共模干扰对信号采集处理的影响降到最低，大大提高了仪器测量的精度。 高精度的数据采集器通过流行的USB接口与计算机相连极大地方便了用户的使 用。薄膜材料磁电阻效应测试仪一薄膜材料磁电阻效应测试仪的
2、原理1. 磁性薄膜的磁电阻效应磁电阻效应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MR,其定义为MR=APPP-P0P01)其中P和P0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制的不同可以分为：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）和超巨磁电阻 较硬（CMR）等。（1 ） 正常磁电阻效应正常磁电阻效应（OMR）为普遍存在于所有金属中的磁场电阻效应，它由英国物理学家W.Thomson于1856年发现。其特点是:a. 磁电阻 MR0b. 各向异性，但p p ( p和p分别
3、表示外加磁场忽然电流方向垂直及/丄/丄平行时的电阻率)c. 当磁场不高时，MR正比于H2OMR 来源于磁场对电子的洛仑兹力，该力导致载流体发生偏转或产生螺旋 运动，因而使电阻升高。大部分材料的OMR都比较小。(2) 各向异性磁电阻效应在居里点以下，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, 称为各向异性磁电阻效应。即p工卩。各向异性磁电阻值通常定义为：/丄AMR=如=pp - p/ 丄p02)低温5K时，铁、钻的各向异性磁电阻值约为1%,而坡摸合金(Ni Fe )81 19为 15%，室温下坡莫合金的各向异性磁电阻值仍有 2-3%。图1所示为厚度为200nm 的 NiFe 单层薄膜的
4、磁电阻变化曲线。(3) 磁性金属多层薄膜中的巨磁电阻效应1986年，德国科学家P.Grunberg和法国科学家A.Fert制成Fe/Cr/Fe三层薄膜和 Fe/Cr 超晶格薄膜。其中，每个单层薄膜厚度只有几个纳米。 1988 年Baibich etal报道:低温下(T=4K),外场为20KOe时，用分子外延(MBE) 方法生成(Fe3.0nm/Cr0.9nm)多层膜中电阻的变化率达50%.这种巨大的 磁电阻效应称为巨磁电阻效应，简记为GMR。这种效应立即引起了各国科学家的注意，人们纷纷从理论上和实际上对其加以研究。Binasch等人报道了 (Fe2.5nm/Cr1.0nm/Fe25.9nm )
5、三明治结构当 Cr 层厚度合适时，两 Fe 层 之间存在反铁磁耦合作用。类似的反铁磁耦合和大的磁电阻效应也在 Co/Ru 和 Co/Cr 等多层结构中被观察到。 1991 年 Dieny B 独辟蹊径，提出铁磁层/ 隔离层/反铁磁层自旋阀结构，并首先在 NiFe/Cu/NiFe/FeMn 中发现了一种 低饱和场巨磁电阻效应。随后，人们在纳米颗粒膜、亚稳态合金膜、氧化膜 及磁隧道结多层膜等材料中也发现了 GMR 效应。目前， GMR 的研究正向物理 学的各个领域渗透，并推动纳米材料科学的进一步发展。基于 Mott 的二流体模型可以对这种磁电阻进行简单解释。载流子自旋 方向与铁磁层少数自旋子带电子
6、方向平行时，受到的散射就强，对应电阻值 大；而自旋方向与铁磁层多数自旋子带电子方向平行时，受到的散射就弱， 对应电阻值小。当相邻铁磁层反平行时，在一个铁磁层中受散射较弱的电子 进入另一铁磁层后必定遭受较强的散射，故从整体上说，所有电子都遭受较 强的散射，表现为电阻 RH 较大；而当相邻铁磁层磁矩趋于平行时，虽然和 铁磁层少数自旋子带电子的自旋方向平行的电子受到极大的散射，但是和铁 磁层多数自旋子带电子的自旋方向平行的电子在所有铁磁层中受到的散射 都弱，相当于构成了短路状态，表现为电阻 RL 较小。这两种状态的电阻分 别为：3)4)5)厂RRR = H L-p R +RHLR +RR = H L
7、A p 2R -RMR= pApRAp磁电阻为：(R -RHL,R -RHL2. 磁性薄膜磁电阻的测量由于铁磁金属薄膜的磁电阻较低，所以，它的电阻率的测量需要采用四端接线法，以避免电极接触电阻对测量结果的影响。为了方便四端接线法已经发展成四探针法，测量时让四探针的针尖同时接触到薄膜表面上，对距离相等直线型四探针，恒流源从最外面两个探针流入，从另外两个探针测量电压。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的时候金属薄膜的电阻率p f可以有下式给出：6）兀 Vp =x xdF ln 2 I公式（6）中，d是薄膜的厚度，I是流经薄膜的电流，v是电流流经薄膜时产生的电压。直线型四探针不能测量
8、薄膜的各向异性磁电阻（AMR），必须采用非共线四 探针来测量薄膜各向异性磁电阻效应。JL y【(-xyo)II(x0,y0)Q(-x,0)P(x,0)x图 4 电流探针与电压探针位置图如图 4 所示，四探针测量中两个电流探针位置为 I（-x0,y0） , II（x0,y0）提供电流源，两个电压位置在Q （-X，0）、P（x，0）获取电压。假设恒流 源电流为I，电流探针接触膜面区域为无限小，电流密度J在膜厚度t内是均匀 的，且薄膜为无限大，则薄膜上任一点电势为：y)=I7）(X+X )2 + x( y-y )2 g0lnyg(x-x )2 + ( y-y )20 g 0式中g g分别是金属薄膜在
9、X和y方向的电导率，如果电压探针位置为Q（-X， xy0）、P（X，0），则*（x,0）=9 （x,0）-甲（-x,0）。有（2）式得出（q, p）q Qo(x+x )2 + x y 2I0 o 09(x ,0)(q,p)=2lny2 冗 t、:o oo,x y ( x-x )2+ y 20 o0可以推出M与竺卄之间的关系为P90Ap1PMr9-9(q, p)/(q, p)丄(9+9 )/2(q, p)/(q, p)丄1MrA9(q, p)9010)r = ( x-x ) 2 + y 2 ; r = ( x+x ) 2 + y 2- 0 0 + 0 0二薄膜材料磁电阻效应测试仪的结构图 5 薄
10、膜材料磁电阻效应测试系统框图其中 Mr 为探针因子。1 / r 一 1 / r Mr = yln r ln r- +r 和 r 定义为-+11)薄膜材料磁电阻效应测试系统框图如图 5 所示。恒流源可以提供 0.01-50 毫安的工作电流；电压信号通过2182 纳伏表测定；扫场电源给亥姆霍兹线圈提 供缓变的励磁电流，使之在样品区产生均匀的磁场。亥姆霍兹线圈产生的磁场由取样电阻经过定标后，通过2000毫伏表实时测定；2182和2000通过IEEE-488 标准接口与电脑相连，通过程序控制自动读取数据并输入电脑。样品台与下面的 360 度刻度盘连接，样品可以在水平面内自由旋转。三.磁电阻测试仪(MR
11、 Tes t)操作步骤与注意事项注意：本仪器是精密测量仪器，电压量程在“V量级。整个调节和测量过程中，需小心轻缓，不可倚靠或晃动整个测量台面。1. 依次打开电脑、扫描电源和恒流源，扫描电源和恒流源需预热 1015分钟。2. 放置样品。首先将四探针均匀水平轻轻抬起，接着将样品放置在样品台上， 然后轻轻放下四探针压住样品，尽量使四探针位于样品的中心。放置样品时， 注意使易磁化方向与所加的磁场方向垂直。样品被四探针压好后，不可再移 动样品。3. 打开电脑界面的 MR test 软件。4. 将输入电流开关扳到下档，依据需求在恒流源面板上调节输入电流（不得超 过 4mA ），然后把开关扳上。特别注意：调
12、节时，电流开关必须置于下档。调 好所需的电流后，将电流开关扳到上档，此时禁止再动调节旋钮。电流设置 不得超过4mA。需要重新调节电流大小的话，一定要将电流开关扳下后方可 调节。5. 设置扫描电源。主要调节所需的扫描场的大小（不得超过8A）和扫描速度。 设置最大磁场时，先按“ Max ”按钮，接着通过调节按钮直到达到所需的值， 最后按“enter”按钮保存设置，注意最大设置磁场电流不得超过8A。设置 扫描速度时，先按“ Ra te”按钮，接着通过调节按钮直到达到所需的值，最 后按“enter”按钮保存设置。6. 通过电脑上的 MR Test 软件界面，选择所需的测量模式，将 x 轴比例改为 0.
13、163，再依据需求选择采样间隔，测量电压量程。测量模式中 V-H 模式显示 测量电压随扫描磁场的变化关系；x-t模式显示扫描磁场大小随时间的变化 关系； y-t 模式显示测量电压随时间的变化关系。 x 轴比例为 0.163Oe/mV。 电压量程为测量电压的量程，可根据恒流源上测量电压的显示来判断量程选 择。7. 检查样品已放置好、恒流源已经调节好，并且开关已经扳上、扫描场大小和 速率调节好、软件界面参数选定完毕后，按扫描电源上的“ Scan ”按钮，并 点击软件界面上的“测量”，软件开始自动记录数据。扫描磁场一个周期结束 后，如果有需要可重复点击“ Scan ”按钮，多次记录数据。8. 得到需要的数据后，点击软件界面的“停止”，点击保存将所测数据保存到电 脑。9. 测量结束后，关闭仪器和电脑，。注意：严禁在扫描电源还在扫描过程中关闭 电源。测量结束后，将恒流电源的电流开关扳下。
