巨磁阻效应实验.docx

巨磁阻效应实验人们早就知道过渡金属铁、钻、竦能够出现铁磁性有序状态。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，相关理论指出 这些状态源于铁磁性原子磁矩之间的直接交换作用和间接交换作用。量子力学出 现后，德国科学家海森伯（W. Heisenberg）明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原 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。 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换作用。物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为“磁阻效应”，磁性金属和合金材 料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的 减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的 磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”（GMR）；而在很强的磁场中某些绝 缘体会突然变为导体，称为“超巨磁阻效应”（CMR）。巨磁阻效应是一种量子力 学和凝聚态物理学现象，磁阻效应的一种，可以在磁性材料和非磁性材料相间的 薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜 层的磁化方向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化 方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。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-铭-铁三层单品结构薄膜。在薄膜的两层纳米 级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铭层，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，对于非铁磁层铭的某个特定厚度，没有外磁场时，两边铁 磁层磁矩是反平行的。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、铭薄膜交替制成几十个周期的铁-铭超品格，也称为周期性多层膜。 发现当改变磁场强度时，超品格薄膜的电阻下降近一半，即磁电阻比率达到50%。 他用两电流模型解释这种物理现象，并把这种效应命名为巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive， GMR）。1990年IBM公司的斯图尔特帕金（S.P.Parkin ）首次报道了除铁-铭超品格， 还有钻-钉和钻-铭超品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品格和金属多层膜中，找到了 20种左右具有巨磁电阻振 荡现象的不同体系。GMR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。GMR效应的发现，导致了新的自旋电子学的创立。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一一法国物理学家阿 尔贝费尔和德国物理学家彼得格伦贝格尔。瑞典皇家学会在诺贝尔奖官方网 站的介绍中指出，GMR效应应该算是纳米技术在现实中最早的应用。诺贝尔奖 评审委员会在宣布2007年诺贝尔物理奖归属时说，这是一次“好奇心导致的发现”。但其随后的应用却不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十 MB、几百MB，一跃而提高了几百倍，达到几十GB乃至上百GB（1GB=1024MB）。【实验目的】1. 了解GMR效应的原理，掌握GMR传感器原理及其特性；2. 学习GMR传感器的定标方法并测量其灵敏度；3. 了解GMR模拟传感器的结构、特点，并掌握用GMR传感器测量弱磁场的方法。【实验仪器】巨磁阻传感器（饱和磁场 15Gs，1T=104Gs），亥姆霍兹线圈（R = 110mm， N = 500匝），导线。【实验原理】一、巨磁阻原理1自旋散射与巨磁电阻效应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 品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。电子在两次散射之 间走过的平均路程称为平均自由程。电 子散射几率小，则平均自由程长，电阻 率低。在欧姆定律R = P 1中，一般将S电阻率P视为常数，与材料的几何尺度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结构图无关，这是忽略了边界效应的结果。当材料的几何尺度小到纳米量级（即只有几 个原子的厚度）时，电子在边界上的散射几率将大大增加，就可以明显观察到随 着材料的厚度减小，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。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。电流的方向在多数情 况下是和膜的表面平行的。有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。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（平行一反平行，或反平 行一平行），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。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。2. 巨磁阻效应所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作 用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄 膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁 矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的 磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。如图2所示，左面 和右面的材料结构相 同，两侧是磁性材料薄 膜层（灰色），中间是 非磁性材料薄膜层（黑 色）。图2巨磁阻效应示意图在左面的结构中， 两层磁性材料的磁化 方向相同。当一束自旋 方向与磁性材料磁化 方向都相同的电子通 过时，电子较容易通过 两层磁性材料，都呈现 小电阻。当一束自旋方 向与磁性材料磁化方 向都相反的电子通过 时，电子较难通过两层 磁性材料，都呈现大电阻。这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产 生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。在右面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相反。当一束自旋方向与第一层 磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，呈现小电阻；但较难通 过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，呈现大电阻。当一束自旋方 向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时，电子较难通过，呈现大电阻； 但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料，呈现小电阻。图3是某种GMR材料的磁阻特性。由图中正向磁场方向可见，随着外磁场 增大，电阻逐渐减小（图中实线），其间有一段线性区域，当外磁场已使两铁磁 膜磁场方向完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，达到磁饱和状态；从磁饱和状态开始减小磁场，电阻将逐渐增大（图中虚线）。两条曲线不重合是 因为铁磁材料具有的磁滞特性。加反向磁场与加正向磁场时的磁阻特性是对称 的，如图3所示。两条曲线分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性。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图3某种GMR的磁阻特性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，硬盘所用的GMR磁头就 采用这种结构。二、GMR特性测量1. 亥姆霍兹线圈1.1载流圆线圈磁场根据毕奥一萨伐尔定律，半径为A通以电流为/的圆线圈在轴线（通过圆心 并与线圈平面垂直的直线）上某点P（如图5所示）的磁感应强度为B =oR2NI2（ R 2 + X 2）2/3式中I为通过线圈的励磁电流强度；N为线圈的匝数；R为线圈的平均半径;X为轴上P点到圆心。的距离；四0 =4兀X10 -7 H - m-1为真空磁导率。 因此，线圈圆心。点的磁感应强度为B =% NIo 2 R1.2亥姆霍兹线圈的磁场亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈（如图5所示），两线 圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离正好等于圆形线圈的半径A。 这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场区，设X为亥姆 霍兹线圈中轴线上某点离中心点处的距离，则亥姆霍兹线圈轴线上任意一点的磁 感应强度为1 RR一B = H NIR2R2 + （ + X）2-3/2 + R2 + （ 一 X）2一3/2（3）2 。22(4)因此，在亥姆霍兹线圈轴线上的中心点0处的磁感应强度为 D H NI 8 Bo= R X 53/2因此，根据实验仪器提供的基本参数可以得到本实验中亥姆霍兹线圈中心点 0处的磁感应强度为B=4.09 IX 10-3 (T)=40.9I (Gs)2. 电桥的工作原理和输出特性2.1电桥的工作原理图6是电桥测量线路的基本形 式。它由R，R，R，R四个阻抗 元件首尾串1接而2成，称为桥臂。在串 接回路中相对的两个结点A、C接入 电桥电源Us （也称工作电压）；在另 两个相对结'点B、D上将有电压U0（也称输出电压）产生。若适当选取 四个桥臂阻抗元件的阻值，在接入电 桥的工作电压Us时，电桥没有输出 电压U （ U = 0S），这时称电桥为平 衡电桥反之，则称为非平衡电桥U0如图所示，此时结点B处的电压为"芸RU，而结点D处的电压为12UD = R R3 r Us，则桥路输出电压U 0 = UB- UD，将上两式代入得：U - R2 R4 R1R3 U - KU 0(R + R )(R + R ) S S(1) K 0 (R R = R1R)时，3U -40，这种情况是平衡电桥。(2) KV0 (R R VRR )或 K0 (R R >R R )时，U。0。这两种情况是非2 41 32 41 30平衡电桥。2.2电桥的输出特性如图7所示，根据直流非平衡电桥电阻变化值接入桥臂的方法不同，桥路输 出特性亦有所差异，通常分为以下三种情况：(1) 单臂输入时的桥路输出特性若设各桥臂的阻值为 - R2 R3 R(AR )接入桥臂R，即R R +ar : 阻变化量ar的关系为：10U U 04 R0 + 2 AR S式中a AR定为传感器电阻的相对变化率。R 0 根据电桥输出灵敏度的定义S -如-可得在单臂输入时，电桥输出灵敏 AR d (AR)、,Ua 度为：S= -R。此时桥路的输出电压为U0-US，即桥路的输出电压U0与0电阻的相对变化率a有近似线性关系。(2) 双臂输入时的桥路输出特性在相邻的两臂为差模输入(即两者的大小相等而极性相反)，而另外两臂的 输入不变的情况下，根据式(5)可得ARaU。= 一 示 =-3 Us0此时电桥输出灵敏度为：S2 U，可见，双臂输入时电桥的输出灵敏度比 0单臂输入时提高一倍。桥路的输出电压U与a成线性关系变化。(3) 全桥输入时的桥路输出特性0在相邻的两臂为差模输入，而相对的两臂为共模输入(即两者大小相等且极 性相同)的情况下，根据式(5)可得ARU = a U0S4 U。由此可见，在全桥输入时，桥路输出灵 0敏度等于双臂输入时的2倍，等于单臂输入时的4倍。桥路的输出电压U°与a成 线性关系变化。0此时桥路的输出灵敏度:(5)4 R0，把传感器输出的电阻变化量 由上式可知：输出电压U0与电桥输入电(6)(7)(8)3.巨磁阻传感器原理3.1巨磁阻传感器的工作原理在将GMR构成传感器时，为了消除温度变化等环境因素对传感器输出稳定性的影响，增加传感器的灵敏度，一般将四个巨磁电阻构成电桥的结构。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。传感器在工作时，“输入端”接入稳定的电压，“输出端”在外磁场的作用下输 出电压信号，如图4所示。因此传感器的电压输出为：U = U - U = U - R /(R + R ) - U - R /(R + R )(9)输出out +out - in 3 34 in 2 1 2图了 GMR传感器原理图若B为外加磁场，当B在一定范围内增大时，巨磁电阻R1和的阻值将会 增大，而R?和乌的阻值则会减小，因此，在“输入端”接入工作电压匕°时，“输 出端”就会有电压匕输出。显然，若= R2= R3=鸟,则在无外加磁场B的情况 下，U 输广"out +- U°ut -= 0。3.2巨磁阻传感器的灵敏度在本实验中，巨磁阻传感器内的巨磁电阻是同一种结构，即所有四个电阻器 的电阻是相同的。正交施加磁场B，使相对的两个巨磁电阻R和R3的阻值出现 一个增量AR，而剩下的两个反向放置巨磁电阻R和R的阻值将减小AR。因此， 由全桥输入时的桥路输出特性可知，此时桥路输出的电压为：U输出=Uout + - Uut- = Un A/R(10)作为施加磁场函数的电桥输出U输出被称为传感器的传递函数，图3的曲线中 有一段线性区间，在此线性区内，阻值的改变量AR与施加的磁场成正比，因此 该区间也可以认为是传递函数的线性范围。传感器的灵敏度S和传递函数的线性 范围对于传感器来说是两个重要特征。传感器的灵敏度S为S = AU.出 x 100%(11)B x Uin在相同场强下，当外磁场方向平行于传感器敏感轴方向时，传感器输出最大。 当外磁场方向偏离传感器敏感轴方向时，传感器输出与偏离角度成余弦关系，因此传感器的灵敏度亦有以下关系，即S(0) = S (0)cos(9)(12)【实验内容和步骤】-、巨磁阻传感器的灵敏度的测定及其磁场电压输出曲线的测绘1. 如图8所示，将所有旋钮按照面板上的方向标示调到最小位置。将可移动 线圈2移动并固定在110mm（R）处后，按照面板标示连接所有的信号线。检查 无误后，再开启电源。2. 将传感器转盘的角度刻度转到0°。将“切换开关”放置在“匕。''处， 调节“电压调节”旋钮，将传感器的“工作电压”调到5.000V，将“励磁电流” 调至500mA。3. 静置3分钟后，先将“励磁电流”调节到0mA，再将“输入信号”调零。 注：由于磁敏电阻存在磁滞效应，如果在测量之前没有将传感器的磁敏电阻单方向磁化， 它的零磁场电势会随着磁场的变化而产生漂移，但漂移到一定值会饱和。此时在零磁场调 零，在单方向磁场测量就不会再漂移了。4. 将“切换开关”放置在“ V ”端。自拟表格，记录“励磁电流”从0mAi调节到300mA （间隔30mA）的过程中传感器的电压输出值。5. 改变亥姆霍兹线圈“励磁电流”的方向，即交换“励磁电流”的正负极接 线柱的位置，重复上述操作。6. 利用图解法分别计算在正向磁场和反向磁场的作用下，在传递函数的线性 范围内的传感器的灵敏度S。注：在本实验中的巨磁电阻的传递函数处于的线性范围区间时，磁感应强度应为励磁电流 为0150mA时的磁感应强度。7. 以亥姆霍兹线圈磁感应强度B （励磁电流为0300mA）横坐标，传感器输出 电压U输出为纵坐标，绘制传感器的磁场电压输出曲线，并写出结论。二、GMR传感器敏感轴与被测磁场间夹角与传感器灵敏度的关系1. 将传感器转盘的角度刻度转到0°。将“切换开关”放置在“匕。''处， 调节“电压调节”旋钮，将传感器的“工作电压”调到5.000V，将“励磁电流” 调至500mA。2. 静置3分钟后，将“励磁电流”调节到0mA，再将“输入信号”调零。3. 将“励磁电流”调节到100mA。记录此时（即角度为0°）的输出电压值。4. 自拟表格，顺时针旋转巨磁阻元件，分别记录在15°、30°75°时， 传感器的输出电压值。5. 逆时针旋转巨磁阻元件，重复上述操作。6. 分别计算出不同角度所对应的传感器的灵敏度览），并与理论值计算百 分差。三、GMR传感器的灵敏度与工作电压的关系1. 将传感器转盘的角度刻度转到0°。将“切换开关”放置在“匕。''处， 调节“电压调节”旋钮，将传感器的“工作电压”调到5.000V，将“励磁电流” 调至500mA。2. 静置3分钟后，将“励磁电流”调节到0mA，再将“输入信号”调零。3. 将“励磁电流”调节到100mA。自拟表格，依次记录“工作电压”为5.000V、 6.000V、12.000V时，传感器的输出电压。（注意：每次改变巨磁阻工作电 压后，传感器输出要重新调零）4. 计算出传感器在不同工作电压下的灵敏度，并绘制“灵敏度与工作电压 的关系曲线”，写出结论。