各向异性磁电阻巨磁电阻测量.docx
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各向异性磁电阻巨磁电阻测量
实验10.1各向异性磁电阻、巨磁电阻测量
一.实验目的
(1)初步了解磁性合金的AMR,多层膜的GMR,掺碱土金属稀土锰氧化物的CMR;
(2)初步掌握室温磁电阻的测量方法。
二.实验原理
一般磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。
通常将磁场引起的电阻率变化写成Δρ=ρ(H)-ρ(0),其中ρ(H)和ρ(0)分别表示在磁场H中和无磁场时的电阻率。
磁电阻的大小常表示为:
其中ρ可以是ρ(0)或ρ(H)。
绝大多数非磁性导体的MR很小,约为
,磁性导体的MR最大为3%~5%,且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关,即具有各向异性,称之为各向异性磁电阻,简记为AMR。
1988年,在分子束外延制备的Fe/Cr多层膜中发现MR可达50%,并且在薄膜平面上磁电阻是各向同性的。
人们把这称之为巨磁电阻,简记为GMR。
1994年,人们又发现
隧道结在4.2K的MR为30%,室温达18%,这种大的磁电阻效应,人们将之称为隧道结磁电阻,简记为TMR。
20世纪90年代后期,人们在掺碱土金属稀土锰氧化物中发现MR可达
,称之为庞磁电阻,简记为CMR。
1.各向异性磁电阻(AMR)
一些磁性金属和合金的AMR与技术磁化相对应,即与从退磁状态到趋于磁饱和过程的相应的电阻变化。
外加磁场与电流方向的夹角不同,饱和磁化时的电阻率不一样,即有各向异性。
通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量AMR,即有
和
。
若退磁状态下磁畴是各向同性分布的,畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小,将之忽略,则
与平均值
相等。
大多数材料
,故
AMR通常定义为
如果
,则说明该样品在退磁状态下有磁畴织构,即磁畴分布非完全各向同性。
图10.1-3是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的
的磁电阻曲线,很明显
,
,各向异性明显。
图中双峰是材料的磁滞引起的。
图10.1-4是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。
2.多层膜的巨磁电阻(GMR)
巨磁电阻效应首次在Fe/Cr多层膜中发现,其室温下的MR约11.3%,4.2K时约为42.7%;Co/Cu多层膜室温MR可达60%~80%,远大于AMR,故称为巨磁电阻。
这种巨磁电阻的特点是:
(1)数值比AMR大得多。
(2)基本上为各向同性。
图中高场部分的双线分别对应于
和
,其差值为AMR的贡献。
该多层膜在300K和4.2K下分别为0.35%和2.1%。
约为其GMR的二十分之一。
(3)多层膜磁电阻按传统定义
是负值,恒小于100%;常采用另一定义
,用此定义数值为正,且可大于100%。
(4)中子衍射直接证实,前述多层膜相邻铁磁层的磁化为反铁磁排列,来源于层间的反铁磁耦合。
无外磁场时,各层
反平行排列,电阻最大;加外磁场后,各层
平行排列,电阻最小。
如图10.1-6所示。
(5)多种磁性材料多层膜都有GMR,但并不是所有多层膜都有大的磁电阻,有的很小,甚至只观察到AMR。
图10.1-5为这种多层膜的磁电阻曲线。
图10.1-7是
多层膜的磁电阻曲线。
3.掺碱土金属稀土锰氧化物的庞磁电阻(CMR)
图10.1-8是
薄膜样品的电阻率、磁电阻随温度变化关系。
该样品的
。
到目前为止,对
,在x=0.2~0.5范围内都观测到CMR和铁磁性。
这种CMR的特点为:
(1)数值远大于多层膜的GMR;
(2)各向同性;
(3)负磁电阻性,即磁场增大,电阻率降低;
(4)CMR总是出现在居里温度附近
,随温度升高或降低,都会很快降低;
(5)目前只有少部分材料的居里点高于室温;
(6)观察这类材料CMR的外加磁场比较高,一般需Tesla量级。
图10.1-9是一种掺银的La-Ca-Mn-O样品的室温磁电阻曲线。
三.实验内容
1.实验仪器
亥姆霍兹线圈,电磁铁,大功率恒流电源,大功率扫描电源,精密恒流源,数字微伏表,四探针样品夹具
2.实验步骤
(1)将样品垂直于磁场方向摆放;
(2)打开电源,将精密恒流源调至6mA,给样品通过恒定电流;
(3)将大功率恒流电源输出电流调至6.00A,使电磁铁产生磁场;
(4)逐步单向调整大功率恒流电源输出电流至-6.00A,在此过程中注意找极值点,随时调整电流变化步长,记录调整过程中稳定的电流值和相应的微伏表的电压值;
(5)反向调整大功率恒流电源输出电流由-6.00A至6.00A,同上记录数据;
(6)将样品平行于磁场方向放置,重复(3)~(5),记录数据;
(7)将所有恒流源输出调至零,关闭电源。
四.实验结果与分析
1.数据记录
(1)当样品电流与外磁场相互垂直时,记录数据如下表:
输出电流6A——-6A:
U/mv
5.775
5.776
5.777
5.780
5.783
5.787
5.791
5.794
5.796
5.797
I/A
6
5.50
5.15
4.54
3.58
2.98
2.54
2.31
2.06
1.89
U/mv
5.798
5.800
5.803
5.805
5.807
5.810
5.815
5.817
5.820
5.826
I/A
1.82
1.70
1.48
1.35
1.17
0.94
0.61
0.52
0.38
0.13
U/mv
5.830
5.835
5.838
5.842
5.843
5.845
5.847
5.852
5.857
5.860
I/A
0.03
-0.15
-0.22
-0.32
-0.34
-0.38
-0.4
-0.49
-0.55
-0.60
U/mv
5.863
5.871
5.877
5.883
5.872
5.842
5.835
5.820
5.814
5.811
I/A
-0.63
-0.74
-0.79
-0.82
-0.87
-0.95
-1.07
-2.08
-3.09
-4.02
U/mv
5.809
5.808
5.807
I/A
-4.86
-5.27
-6.12
对应U-I曲线:
输出电流-6A—6A
U/mv
5.809
5.813
5.816
5.820
5.825
5.828
5.834
5.839
5.844
5.848
I/A
-6
-5.23
-4.73
-4.58
-3.33
-2.70
-1.66
-1.16
-0.81
-0.51
U/mv
5.852
5.856
5.860
5.865
5.874
5.880
5.886
5.893
5.898
5.906
I/A
-0.43
-0.23
-0.05
0.12
0.33
0.46
0.55
0.66
0.72
0.82
U/mv
5.874
5.865
5.853
5.843
5.840
5.837
5.835
5.833
5.830
5.829
I/A
0.91
0.95
1.23
2.04
2.53
3.04
3.51
4.04
5.10
5.92
U/mv
5.829
I/A
6.10
对应U-I曲线:
将两图合并到同一图中有:
(2)当样品电流与外磁场相互平行时,记录数据如下表:
输出电流6A——-6A:
U/mv
6.121
6.116
6.111
6.103
6.089
6.070
6.057
6.034
6.021
6.004
I/A
6.04
4.74
3.87
3.00
1.89
1.00
0.58
0.07
-0.14
-0.34
U/mv
5.999
5.993
5.985
5.977
5.972
5.966
5.960
5.956
5.950
5.961
I/A
-0.40
-0.46
-0.53
-0.59
-0.62
-0.68
-0.72
-0.74
-0.79
-0.82
U/mv
6.014
6.035
6.048
6.073
6.086
6.096
6.117
6.127
6.132
6.134
I/A
-0.89
-0.96
-1.06
-1.46
-1.82
-2.21
-3.65
-4.79
-5.75
-6.16
对应U-I曲线:
输出电流-6A—6A
U/mv
6.136
6.135
6.129
6.120
6.108
6.089
6.058
6.045
6.040
6.030
I/A
-6.06
-5.63
-4.50
-3.33
-2.21
-1.14
-0.27
-0.04
0.04
0.19
U/mv
6.026
6.018
6.006
5.996
5.986
5.977
5.972
5.966
5.960
5.967
I/A
0.25
0.36
0.47
0.56
0.63
0.69
0.73
0.76
0.80
0.84
U/mv
6.028
6.048
6.085
6.110
6.116
6.126
6.130
6.134
6.138
6.138
I/A
0.91
1.00
1.59
2.57
3.01
3.90
4.60
5.18
5.93
6.01
对应U-I曲线:
合并到同一图中有:
2.数据分析
计算:
当扫描电源电流按照6A—-6A—6A变化,不论电流方向与磁场方向垂直还是平行,图像都会出现双峰,且峰值没有与零点重合,这是由于材料的磁滞现象引起的。
由于电流I保持不变,为6mA,电压V的变化亦为电阻R的变化。
对于给定的合金材料,在测量中,忽略温度导致的线度改变,可以认为电阻率变化的比值与电阻变化的比值相等同。
因此R-H曲线亦可用U-I曲线表示。
电流与磁场垂直时,峰值为样品完全退磁时的电阻,即
,对应
;电阻随磁场变化趋于的稳定值为样品的垂直磁电阻,即
,对应
。
对两个峰值和四个稳定值分别求平均,可得:
,
电流与磁场平行时,谷值为样品完全退磁时的电阻,即
,对应
;电阻随磁场变化趋于的饱和值为样品的平行磁电阻,即
,对应
。
对两个谷值和四个饱和值分别求平均,可得:
,
分析:
(1)由以上数据,易得
,
可见,
和
并不相等,这说明样品在退磁状态下有磁畴织构,即磁畴分布并非完全各向同性。
(2)由图,显然随着测量时间的推移,测得的磁电阻曲线有明显向高电阻方向移动的趋势。
这是由于样品通电后会产生焦耳热,随着时间的推移,样品温度逐渐升高,电阻率变大,热效应不再可以忽略,以至当一个测量周期完成时,电阻率增幅可高达到1%左右,而实验最终的AMR也不过才3.3%,可见测量时间越长,由热效应引起的误差越大越不可忽略。
(3)试验并没有直接测量没有外磁场时样品的电阻,这是由于样品此前已
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