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1、出wstt2007曲一品用巨磁电阻（GMR）和各向异性磁电阻（AMR ）磁性薄膜材料制作运算机硬盘读出磁 头和各类弱磁传感器，已经普遍应用于信息技术、工业操纵、航海航天导航等高新技术领域。 通过本实验能够使同窗们对磁性薄膜材料的知识和磁电子学有所了解，并由此引发对纳米磁 性薄膜材料研究和应用的浓厚爱好。本实验采纳的BKT-1型薄膜材料磁电阻效应测试仪， 该仪器将高精度电压、电流表和可调恒流源设计在主机中，外部连线简单直观，可运算机自 动搜集和显示数据，具有牢固靠得住、操作简便等优势，适用于大专院校实验教学和科研利 用。一、实验目的1. 了解磁性薄膜材料科学和磁电子学的一些大体概念和知识；2.
2、了解磁电阻（MR），各向异性磁电阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）等一些大体概念；3. 了解和学会四探针法测量磁性薄膜磁电阻的原理和方式；4. 分析用四探针法测量薄膜磁电阻时可能产生的误差来源；二、实验原理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转变的物理现象。表征磁电阻效应 大小的物理量为MR其概念为：MR =等=PP0 x 100%其中p和p0别离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）和超巨磁电阻效应（CMR）等。（1）
3、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年发觉。其特点是：a .磁电阻MR0b ,各向异性，但P P （ P和P别离表示外加磁场与电流方向垂直及平行时的电阻 1/1/率）c .当磁场不高时，MR正比于H2OMR来源于磁场对电子的洛伦兹力，该力致使载流体运动发生偏转或产生螺旋运动， 因此使电阻升高。大部份材料的OMR都比较小。以铜为例，当H=10-3T时，铜的OMR仅 为 4 x 10-8%。（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，称之为各向异性磁电阻效应。即P P
4、。各向异性磁电阻值通常概念为：AMR = AP / P = （P P/ P0低温5K时，铁、钻的各向异性磁电阻值约为1%，而坡莫合金（叫即的）为15%，室温 下坡莫合金的各向异性磁电阻值仍有23%。图1所示为厚度为200 nm的NiFe单层薄膜的磁电阻(MR)转变曲线。图1 NiFe单层薄膜的磁电阻转变曲线(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，每一个单层膜厚度只有几个纳米。1988年Baibich etal报导:低温下(T=4K)， 外场为20KOe时，用分子束外延(
5、MBE)方式生成(Fe3.0nm/Cr0.9nm)多层膜中电阻的 转变率达50%。这种庞大的磁电阻效应被称为巨磁电阻效应，简记为GMR。这种效应立刻 引发了各国科学家的注意，人们纷纷从理论上和实验上对其加以研究Binasch等人报导了 (Fe25.0nm/Cr1.0nm/Fe25.9nm)三明治结构当Cr层厚度适合时，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等多层结构中被观看到。 1991年，Dieny B独辟捷径，提出铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层自旋阀结构(Spin-valve), 并第一在NiFe/Cu/NiFe/FeMn中发觉了一种
6、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、氧化物膜及磁隧道结多层膜等材料中也发觉了 GMR效应。目前， GMR的研究正向物理学的各领域渗透，并将推动纳米材料科学的进一步进展。基于Mott的二流体模型能够对这种磁电阻进行简单说明。载流子自旋方向与铁磁层少 数自旋子带电子的自旋方向平行时，受到的散射就强，对应电阻值大；而自旋方向与铁磁层 多数自旋子带电子的自旋方向平行时，受到的散射就弱，对应电阻值小。当相邻铁磁层磁矩 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然蒙受较强的散射，故从 整体上说，所有电子都蒙受较强的散射，表现为电阻RH值较大；而当相邻铁磁层磁矩趋于
7、 平行时，尽管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，可是和铁 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的散射都弱，相当于组成了 短路状态(如图2所示)，表现为电阻RL值较小。两种状态下的电阻别离为：磁电阻为:RAPRRR：+、R+R-H 2 LMR = Rp RRAPAP(R“ R )2(R： + &l )2(a)相邻铁磁层的磁化方向反平行(b)相邻铁磁层的磁化方向平行图2.多层膜磁矩反平行、平行时自旋电子散射和对应电阻示用意图3是几种周期性多层膜中的巨磁电阻效应R Un .1由-W -20 m 01020 MJ 44 HlKCl图3.几种周期性多层膜的巨
8、磁电阻效应由于铁磁金属薄膜磁的电阻很低，因此，它的电阻率的测量需要采纳四端接线法，以 以幸免电极接触电阻对测量结果的阻碍。为了方便四端接线法已经进展成四探针法，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，恒流源从最外面二个探 针流入，从另外二个探针测量电压。在薄膜的面积为无穷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PF能够由下式给出：p =x V X dF ln2 I(6)公式（6）中，d是薄膜的膜厚，/是流经薄膜的电流，V是电流流经薄膜时产生的电压。共线四探针不能测量薄膜各向异性磁电阻效应（AMR），必需采纳非共线四探针来测 量薄膜各向异性磁电阻效应
9、。1（%）11 烫）Q (-x,0)P (x,0)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在I （-X0，y0），II （x0，y0）提供电 流源，两个电压位置在Q （-X，0），P （x，0）取得取样电压。假设恒流源电流为 流探针接触膜面区域为无穷小，电流密度J在膜厚度，内是均匀的，且薄膜为无穷大 薄膜上任一点电势为：/，电那么b(x + x。)2 +侦(y - y。)29 (x, y) =ln4 兀-t、b b、(x-x。)2 +h(y - y0)2(7)0by式中b x , by别离是金属薄膜在x和y方向的电导率，若是电压探针位置为Q(X，0），P （x，0
10、），那么甲（） （x,0）=甲（x,0）-甲q（-x,0）。由（2）式得出光 q，p)(X，0) = 2 2兀.以b(X + X )2 + y2 lnbby 20(8)xb y能够推出性与、q,）之间的关系为 P0Ap_ 1p0Mr中(q:p)/ (q,p)【(中+中 )/2(q, p)/(q, p)上中(q: p)中0(9)其中：M r是探针因子,+和r概念为:1/r 1/ry 2ln r - ln r 0(10)(11)r2 = (x + x )2 + y2 ； r2 = (x x )2 + y2+0000显然对干共线探针，由于y 0 = 0, Mr= 0不能测出由Ap所引发的电压中的转变
11、；对 非共线探针，M,值取决于探针的相对位置，咱们能够求出当x = 0.677时M |dxx=0.677=0,M = 1.038。（12）现在，由探针x坐标的偏移所引发的误差为最小。由于平行磁场的电流线在y方向的散布不 均匀，探针坐标在y方向的偏移引发的误差较大。若是被测薄膜面积较小，M还要作出适当修正。三、实验装置薄膜材料磁电阻效应测试系统的框图如图5所示。系统主机中包括可调恒流源、磁场取 样电压表、信号电压表及运算机数据搜集卡等。恒流源能够提供0.550毫安的工作电流； 电压信号通过4 1/2电压表指示；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
12、生的磁场由电流取样电阻磁场取样电压表指示，通过 定标后可转换为磁场；数据搜集卡也同时搜集磁场取样电压和信号电压，通过USB接口与 微机相联，通进程序操纵自动读取数据并输入微机。样品台与下面的360刻度盘相连，样自动扫描电源USB计算机数据采集处理系统统系统主机品能够在水平面内自由旋转。咱们设计有直线型四探针头和方型四探针头，实验时可依照薄 膜样品的测量要求调换。图5.薄膜材料磁电阻效应测试系统框图四、实验内容与步骤1. 检查仪器之间的连线是不是正确。2. 确认连线无误后打开亥姆霍兹线圈自动扫描电源、主机电源，使仪器预热15分钟。3. 认真观看镀有金属薄膜的玻璃衬底，确信具有金属薄膜的一面。4.
13、 把样品放在样品台上，使具有金属薄膜的一面向上。让四探针的针尖轻轻接触到金 属薄膜的表面，只要四探针的所有针尖同薄膜有良好的接触即可。对各向异性磁电 阻薄膜，易磁轴方向要与磁场方向垂直。5. 调剂恒流源输出的工作电流到适当大小（一样为十毫安左右）。6. 设置自动扫描电源的最大磁场幅度和扫描速度，按Scan键那么磁场自动以必然速 度来和幅度扫描一个周期。7. 同时点击磁电阻测量操纵程序中的“测量”那么开始搜集数据。8. 将数据文件用Origin软件处置、打印数据曲线。五、实验报告要求1, 实验目的要求2, 实验原理、仪器结构3, 要紧实验步骤4, 测试结果曲线及计算结果5, 回答试探题六、试探题1. 简述Mott的二流体模型对GMR说明。2. 简述四探针法测量材料电阻率的方式和优势。3. 分析本实验采纳的方式测量磁电阻转变率存在的误差及缘故。七、注意事项1. 应确保各类抗磁干扰能力比较弱的产品远离通电后的亥姆霍兹线圈，以防受到阻碍2. 亥姆霍兹线圈自动扫描电源在利历时尽可能不要长时刻满幅工作，以避免亥姆霍兹 线圈发烧；不要在磁场自动扫描进程中关闭电源开关合拔掉连接线，以避免烧坏电 源。3. 换样品时应关掉将恒流源调至最小；对纳米级厚度的薄膜不要设置太大的工作电 流，以避免烧坏样品。4. 其他注意事项详见各配套仪器说明书。
