巨磁阻效應實驗

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1、巨磁阻效應實驗人們早就知道過渡金屬鐵、鈷、鎳能夠出現鐵磁性有序狀態。后來發現很多 的過渡金屬和稀土金屬的化合物具有反鐵磁（或亞鐵磁）有序狀態，相關理論指出 這些狀態源于鐵磁性原子磁矩之間的直接交換作用和間接交換作用。量子力學出 現后，德國科學家海森伯（W. Heisenberg）明確提出鐵磁性有序狀態源于鐵磁性原 子磁矩之間的量子力學交換作用，這個交換作用是短程的，稱為直接交換作用。 化合物中的氧離子（或其他非金屬離子）作為中介，將最近的磁性原子的磁矩耦合 起來，這是間接交換作用。直接交換作用的特征長度為0. 10.3nm，間接交換作 用可以長達lnm以上。lnm已經是實驗室中人工微結構材料可

2、以實現的尺度，所以 1970年之后，科學家就探索人工微結構中的磁性交換作用。物質在一定磁場下電阻改變的現象，稱為“磁阻效應”，磁性金屬和合金材 料一般都有這種磁電阻現象，通常情況下，物質的電阻率在磁場中僅產生輕微的 減??；在某種條件下，電阻率減小的幅度相當大，比通常磁性金屬與合金材料的 磁電阻值約高10余倍，稱為“巨磁阻效應”（GMR）；而在很強的磁場中某些絕 緣體會突然變為導體，稱為“超巨磁阻效應”（CMR）。巨磁阻效應是一種量子力 學和凝聚態物理學現象，磁阻效應的一種，可以在磁性材料和非磁性材料相間的 薄膜層（幾個納米厚）結構中觀察到。這種結構物質的電阻值與鐵磁性材料薄膜 層的磁化方向有關

3、，兩層磁性材料磁化方向相反情況下的電阻值，明顯大于磁化 方向相同時的電阻值，電阻在很弱的外加磁場下具有很大的變化量。1986年德國尤利?？蒲兄行牡奈锢韺W家彼得格倫貝格爾（Peter Grunberg）采 用分子束外延（MBE）方法制備了鐵-鉻-鐵三層單晶結構薄膜。在薄膜的兩層納米 級鐵層之間夾有厚度為0.8nm的鉻層，實驗中逐步減小薄膜上的外磁場，直到取 消外磁場，發現膜兩邊的兩個鐵磁層磁矩從彼此平行（較強磁場下）轉變為反平行 （弱磁場下）。換言之，對于非鐵磁層鉻的某個特定厚度，沒有外磁場時，兩邊鐵 磁層磁矩是反平行的。1988年巴黎十一大學固體物理實驗室物理學家阿爾貝費爾（Albert Fe

4、rt）的 小組將鐵、鉻薄膜交替制成幾十個周期的鐵-鉻超晶格，也稱為周期性多層膜。 發現當改變磁場強度時，超晶格薄膜的電阻下降近一半，即磁電阻比率達到50%。 他用兩電流模型解釋這種物理現象，并把這種效應命名為巨磁阻效應（Giant Magneto-Resistive， GMR）。1990年IBM公司的斯圖爾特帕金（S.P.Parkin ）首次報道了除鐵-鉻超晶格, 還有鈷-釕和鈷-鉻超晶格也具有巨磁電阻效應。在隨后的幾年，帕金和世界范圍 的科學家在過渡金屬超晶格和金屬多層膜中，找到了 20種左右具有巨磁電阻振 蕩現象的不同體系。GMR 效應表明，電子自旋對于電流的影響非常強烈，電子的電荷與自旋

5、兩 者都可能載運信息。 GMR 效應的發現，導致了新的自旋電子學的創立。自旋電 子學的研究和發展，引發了電子技術與信息技術的一場新的革命。目前電腦，音 樂播放器等各類數碼電子產品中所裝備的硬盤磁頭，基本上都應用了巨磁電阻效 應。利用巨磁電阻效應制成的多種傳感器，已廣泛應用于各種測量和控制領域。2007 年諾貝爾物理學獎授予了巨磁電阻效應的發現者法國物理學家阿 爾貝費爾和德國物理學家彼得格倫貝格爾。瑞典皇家學會在諾貝爾獎官方網 站的介紹中指出，GMR效應應該算是納米技術在現實中最早的應用。諾貝爾獎 評審委員會在宣布 2007 年諾貝爾物理獎歸屬時說，這是一次“好奇心導致的發現”但其隨后的應用卻不

6、啻為革命性的，因為它使得計算機硬盤的容量從幾十 MB、幾百MB,躍而提高了幾百倍，達到幾十GB乃至上百GB（1GB=1O24MB）?！緦嶒災康摹?. 了解GMR效應的原理，掌握GMR傳感器原理及其特性；2. 學習GMR傳感器的定標方法并測量其靈敏度；3. 了解GMR模擬傳感器的結構、特點，并掌握用GMR傳感器測量弱磁場的方法?！緦嶒瀮x器】巨磁阻傳感器（飽和磁場 15Gs, lT=104Gs）,亥姆霍茲線圈（R二110mm， N二500匝）,導線?！緦嶒炘怼?一、巨磁阻原理 1.自旋散射與巨磁電阻效應根據導電的微觀機理，電子在導電 時并不是沿電場直線前進，而是不斷和 晶格中的原子產生碰撞（又稱

7、散射），每 次散射后電子都會改變運動方向，總的 運動是電場對電子的定向加速與這種無 規散射運動的疊加。電子在兩次散射之 間走過的平均路程稱為平均自由程。電 子散射幾率小，則平均自由程長，電阻 率低。在歐姆定律R = p -中，一般將S電阻率p視為常數，與材料的幾何尺度無外磁場時頂層磁場方向頂層鐵磁膜中間導電層底層鐵磁膜無外磁場時底層磁場方向E1多層膜GMR結構圈無關，這是忽略了邊界效應的結果。當材料的幾何尺度小到納米量級（即只有幾 個原子的厚度）時，電子在邊界上的散射幾率將大大增加，就可以明顯觀察到隨 著材料的厚度減小，電阻率增加的現象。電子除攜帶電荷外，還具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行

8、于外磁場兩 種可能取向。早在1936年，就有理論指出，在過渡金屬中，自旋磁矩與材料的 磁場方向平行的電子，所受散射幾率遠小于自旋磁矩與材料的磁場方向反平行的 電子?？傠娏魇莾深愖孕娏髦?；總電阻是兩類自旋電流的并聯電阻，這就是 所謂的兩電流模型。在多層膜結構中，無外磁場時，上下兩層磁性材料是反平行 （反鐵磁）耦合的。施加足夠強的外磁場后，兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向 一致，外磁場使兩層鐵磁膜從反平行耦合變成了平行耦合。電流的方向在多數情 況下是和膜的表面平行的。有兩類與自旋相關的散射對巨磁電阻效應有貢獻。界面上的散射無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初始自旋狀態如 何，從

9、一層鐵磁膜進入另一層鐵磁膜時都面臨狀態改變（平行一反平行，或反平 行f平行），電子在界面上的散射幾率很大，對應于高電阻狀態。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，電子在界面上的散射幾率很小，對應于低電阻 狀態。鐵磁膜內的散射即使電流方向平行于膜面，由于無規散射，電子也有一定的幾率在上下兩層 鐵磁膜之間穿行。無外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向相反，無論電子的初 始自旋狀態如何，在穿行過程中都會經歷散射幾率?。ㄆ叫校┖蜕⑸鋷茁蚀螅ǚ?平行）兩種過程，兩類自旋電流的并聯電阻相似兩個中等阻值的電阻的并聯，對 應于高電阻狀態。有外磁場時，上下兩層鐵磁膜的磁場方向一致，自旋平行的電 子散射幾率小，自

10、旋反平行的電子散射幾率大，兩類自旋電流的并聯電阻相似一 個小電阻與一個大電阻的并聯，對應于低電阻狀態。2巨磁阻效應所謂巨磁阻效應，是指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時較之無外磁場作 用時存在巨大變化的現象。巨磁阻是一種量子力學效應，它產生于層狀的磁性薄膜結構。這種結構是由鐵磁材料和非鐵磁材料薄層交替疊合而成。當鐵磁層的磁 矩相互平行時，載流子與自旋有關的散射最小，材料有最小的電阻。當鐵磁層的 磁矩為反平行時，與自旋有關的散射最強，材料的電阻最大。如圖2所示，左面 和右面的材料結構相 同，兩側是磁性材料薄 膜層（灰色），中間是 非磁性材料薄膜層（黑 色）。在左面的結構中， 兩層磁性材料的磁化 方

11、向相同。當一束自旋 方向與磁性材料磁化 方向都相同的電子通 過時，電子較容易通過 兩層磁性材料，都呈現 小電阻。當一束自旋方 向與磁性材料磁化方 向都相反的電子通過 時，電子較難通過兩層辻；FLI 灰色表示惑性材料，O色表示非晞性材和晞性 材料中的箭頭表示磁化方向,匪iri的箭頭表示通過的電子的自癥方 問；R肯電祖，技小表示電阻值小，極大表示電陽值大ffi2巨磁阻效應K意圈磁性材料，都呈現大電阻。這是因為電子的自旋方向與材料的磁化方向相反，產 生散射，通過的電子數減少，從而使得電流減小。在右面的結構中，兩層磁性材料的磁化方向相反。當一束自旋方向與第一層 磁性材料磁化方向相同的電子通過時，電子較

12、容易通過，呈現小電阻；但較難通 過第二層磁化方向與電子自旋方向相反的磁性材料，呈現大電阻。當一束自旋方 向與第一層磁性材料磁化方向相反的電子通過時，電子較難通過，呈現大電阻； 但較容易通過第二層磁化方向與電子自旋方向相同的磁性材料，呈現小電阻。圖3是某種GMR材料的磁阻特性。由圖中正向磁場方向可見，隨著外磁場 增大，電阻逐漸減?。▓D中實線），其間有一段線性區域，當外磁場已使兩鐵磁 膜磁場方向完全平行耦合后，繼續加大磁場，電阻不再減小，達到磁飽和狀態；從磁飽和狀態開始減小磁場，電阻將逐漸增大（圖中虛線）。兩條曲線不重合是 因為鐵磁材料具有的磁滯特性。加反向磁場與加正向磁場時的磁阻特性是對稱 的，

13、如圖3所示。兩條曲線分別對 應增大磁場和減小磁場時的磁阻特 性。所有多層膜結構的GMR都 靠外磁場改變兩鐵磁層磁場的相對 取向實現巨磁電阻效應，但結構及 無外磁場時的耦合狀態不一定如圖1。如自旋閥結構的GMR,由釘扎 層，被釘扎層，中間導電層和自由 層構成。其中，釘扎層使用反鐵磁 材料，被釘扎層使用硬鐵磁材料， 鐵磁和反鐵磁材料在交換耦合作用 下形成一個偏轉場，此偏轉場將被 釘扎層的磁化方向固定，不隨外磁 場改變。自由層使用軟鐵磁材料，它的磁化方向易于隨外磁場轉動。這樣，很弱的外磁場就會改變自由層與被釘扎 層磁場的相對取向，對應于很高的靈敏度，硬盤所用的GMR磁頭就采用這種結 構。二、GMR特

14、性測量1. 亥姆霍茲線圈11載流圓線圈磁場根據畢奧一薩伐爾定律，半徑為R通以電流為I的圓線圈在軸線（通過圓心 并與線圈平面垂直的直線）上某點P（如圖5所示）的磁感應強度為NI卩R 202( R 2 + x 2)2/3式中I為通過線圈的勵磁電流強度；N為線圈的匝數；R為線圈的平均半徑;X為軸上P點到圓心O的距離；卩二4兀X10-7H m-1為真空磁導率。0Bo =金 NI因此，線圈圓心O點的磁感應強度為圖4載流圓線圈及其磁場分布1.2亥姆霍茲線圈的磁場亥姆霍茲線圈是一對彼此平行且連通的共軸圓形線圈（如圖5所示），兩線 圈內的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離正好等于圓形線圈的半徑R。 這種線

15、圈的特點是能在其公共軸線中點附近產生較廣的均勻磁場區，設X為亥姆 霍茲線圈中軸線上某點離中心點處的距離，則亥姆霍茲線圈軸線上任意一點的磁 感應強度為1 RRB =_卩 NIR 2R 2 + （一 + X ）2 - 3/2 + R 2 + （ - x）2- 3/2（3）2 0 22因此，在亥姆霍茲線圈軸線上的中心點O處的磁感應強度為B仝亠O R53/2因此，根據實驗儀器提供的基本參數可以得到本實驗中亥姆霍茲線圈中心點 O處的磁感應強度為B=4.09 IX 10-3 (T)=40.9I (Gs)AB袞姆霍玆線圈及其磁場分布2. 電橋的工作原理和輸出特性2.1電橋的工作原理圖6是電橋測量線路的基本形

16、 式。它由R，R，R，R四個阻抗1234元件首尾串接而成，稱為橋臂。在串 接回路中相對的兩個結點A、C接入 電橋電源U （也稱工作電壓）；在另S兩個相對結點B、D上將有電壓U0（也稱輸出電壓）產生。若適當選取 四個橋臂阻抗元件的阻值，在接入電 橋的工作電壓Us時，電橋沒有輸出 電壓U （ U二0 ），這時稱電橋為平 0 0衡電橋；反之，則稱為非平衡電橋U0如圖所示，此時結點B處的電壓為U二召U，而結點D處的電壓為1 2U二一 U，則橋路輸出電壓U二U - U，將上兩式代入得: D R + R S0 BD34U 二 R2R4 R1R3 U 二 KU(5)0(R + R )(R + R ) S S

17、1234(1) K二0 (R R二RR )時，U二0，這種情況是平衡電橋。2 41 30(2) KV0 (R R VRR )或K0 (R R R R )時，U豐0。這兩種情況是非2 41 32 41 30平衡電橋。2.2 電橋的輸出特性如圖7 所示，根據直流非平衡電橋電阻變化值接入橋臂的方法不同，橋路輸 出特性亦有所差異，通常分為以下三種情況(1) 單臂輸入時的橋路輸出特性若設各橋臂的阻值為R二R二R二R二R，把傳感器輸出的電阻變化量 12340(AR)接入橋臂R，即R二R +AR，由上式可知：輸出電壓U與電橋輸入電1 1 0 0阻變化量AR的關系為：-AR4 R + 2ARa4 + 2a6)

18、0式中a二竺 定為傳感器電阻的相對變化率。R0根據電橋輸出靈敏度的定義S =半一可得在單臂輸入時，電橋輸出靈敏AR d (AR)Ua度為：S二。此時橋路的輸出電壓為UU，即橋路的輸出電壓U與14 R04 S00電阻的相對變化率a有近似線性關系。(2) 雙臂輸入時的橋路輸出特性在相鄰的兩臂為差模輸入(即兩者的大小相等而極性相反)，而另外兩臂的輸入不變的情況下，根據式(5)可得7)ARaU 二一 U 二一U02R S 2 S0此時電橋輸出靈敏度為：S二4,可見，雙臂輸入時電橋的輸出靈敏度比 22 R0單臂輸入時提高一倍。橋路的輸出電壓U與a成線性關系變化。0(3) 全橋輸入時的橋路輸出特性在相鄰的

19、兩臂為差模輸入，而相對的兩臂為共模輸入(即兩者大小相等且極 性相同)的情況下，根據式(5)可得ARRS二一a US8)此時橋路的輸出靈敏度：S二$。由此可見，在全橋輸入時，橋路輸出靈 4 R0敏度等于雙臂輸入時的2倍，等于單臂輸入時的4倍。橋路的輸出電壓U與a成線性關系變化。03. 巨磁阻傳感器原理3.1 巨磁阻傳感器的工作原理在將GMR構成傳感器時，為了消除溫度變化等環境因素對傳感器輸出穩定 性的影響，增加傳感器的靈敏度，一般將四個巨磁電阻構成電橋的結構。對于電橋結構，如果4個GMR電阻對磁場的響應完全同步，就不會有信號輸 出。傳感器在工作時，“輸入端”接入穩定的電壓，“輸出端”在外磁場的作

20、用下輸 出電壓信號，如圖4所示。因此傳感器的電壓輸出為：U 二 U - U 二 U R /(R + R ) - U R /(R + R )(9)輸出out +out 一in 334in 212輸入端輸出端輸出端圖？ 傳感器原瑾圏若B為外加磁場，當B在一定范圍內增大時，巨磁電阻R和R的阻值將會 13增大，而R和R的阻值則會減小，因此，在“輸入端”接入工作電壓V時，“輸24CC出端”就會有電壓V輸出。顯然，若R二R二R二R，則在無外加磁場B的情況 i1234下，U 二 U - U 二 0。輸出out +out -3.2巨磁阻傳感器的靈敏度在本實驗中，巨磁阻傳感器內的巨磁電阻是同一種結構，即所有四個

21、電阻器 的電阻是相同的。正交施加磁場B，使相對的兩個巨磁電阻R和R的阻值出現 13一個增量AR，而剩下的兩個反向放置巨磁電阻R和R的阻值將減小AR。因此, 由全橋輸入時的橋路輸出特性可知，此時橋路輸出的電壓為：U 二 U - U 二 U AR / R(10)輸出out +out 一in作為施加磁場函數的電橋輸出U被稱為傳感器的傳遞函數，圖3的曲線中輸出有一段線性區間，在此線性區內，阻值的改變量AR與施加的磁場成正比，因此 該區間也可以認為是傳遞函數的線性范圍。傳感器的靈敏度S和傳遞函數的線性 范圍對于傳感器來說是兩個重要特征。傳感器的靈敏度S為AUS = 輸出 x 100%(11)B x Ui

22、n在相同場強下，當外磁場方向平行于傳感器敏感軸方向時，傳感器輸出最大。 當外磁場方向偏離傳感器敏感軸方向時，傳感器輸出與偏離角度成余弦關系，因此傳感器的靈敏度亦有以下關系，即S (9) = S (O)cos(e)(12)【實驗內容和步驟】一、巨磁阻傳感器的靈敏度的測定及其磁場電壓輸出曲線的測繪1. 如圖8所示，將所有旋鈕按照面板上的方向標示調到最小位置。將可移動 線圈2移動并固定在110mm （R）處后，按照面板標示連接所有的信號線。檢查 無誤后，再開啟電源。2. 將傳感器轉盤的角度刻度轉到0。將“切換開關”放置在“ V ”處，CC調節“電壓調節”旋鈕，將傳感器的“工作電壓”調到5.000V,

23、將“勵磁電流” 調至500mA。3. 靜置3分鐘后，先將“勵磁電流”調節到0mA,再將“輸入信號”調零。 注：由于磁敏電阻存在磁滯效應，如果在測量之前沒有將傳感器的磁敏電阻單方向磁化， 它的零磁場電勢會隨著磁場的變化而產生漂移，但漂移到一定值會飽和。此時在零磁場調 零，在單方向磁場測量就不會再漂移了。4. 將“切換開關”放置在“ V ”端。自擬表格，記錄“勵磁電流”從0mAi調節到300mA （間隔30mA）的過程中傳感器的電壓輸出值。5. 改變亥姆霍茲線圈“勵磁電流”的方向，即交換“勵磁電流”的正負極接 線柱的位置，重復上述操作。6. 利用圖解法分別計算在正向磁場和反向磁場的作用下，在傳遞函

24、數的線性 范圍內的傳感器的靈敏度S。注：在本實驗中的巨磁電阻的傳遞函數處于的線性范圍區間時，磁感應強度應為勵磁電流 為0150mA時的磁感應強度。7. 以亥姆霍茲線圈磁感應強度b （勵磁電流為0300mA）橫坐標,傳感器輸出 電壓U輸出為縱坐標，繪制傳感器的磁場電壓輸出曲線，并寫出結論。二、GMR傳感器敏感軸與被測磁場間夾角與傳感器靈敏度的關系1. 將傳感器轉盤的角度刻度轉到0。將“切換開關”放置在“ V ”處，CC調節“電壓調節”旋鈕，將傳感器的“工作電壓”調到5.000V,將“勵磁電流” 調至500mA。2. 靜置3分鐘后，將“勵磁電流”調節到0mA,再將“輸入信號”調零。3. 將“勵磁電

25、流”調節到100mA。自擬表格，順時針旋轉巨磁阻元件，分 別記錄在15、3075時，傳感器的輸出電壓值。4. 逆時針旋轉巨磁阻元件，重復上述操作。5. 分別計算出不同角度所對應的傳感器的靈敏度 S( )，并與理論值計算百 分差。三、GMR傳感器的靈敏度與工作電壓的關系1. 將傳感器轉盤的角度刻度轉到0。將“切換開關”放置在“ V ”處，CC調節“電壓調節”旋鈕，將傳感器的“工作電壓”調到5.000V,將“勵磁電流” 調至500mA。2. 靜置3分鐘后，將“勵磁電流”調節到0mA,再將“輸入信號”調零。3. 將“勵磁電流”調節至到 100mAo自擬表格，依次記錄“工作電壓”為5.000V、 6.000V、12.000V時，傳感器的輸出電壓。(注意：每次改變巨磁阻工作電 壓后，傳感器輸出要重新調零)4. 計算出傳感器在不同工作電壓下的靈敏度，并繪制“靈敏度與工作電壓 的關系曲線”，寫出結論。