1、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=（H）-（0），其中（H）和（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： 其中可以是（0）或（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
2、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
3、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
4、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
5、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=0.20.5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
6、-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6 mA，给样品通过恒定电流；(3) 将大功率恒流电源输出电流调至6.00 A，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-6.00 A，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-6.00 A至6.00 A，同上记录数据；(6) 将样品平行于磁场方
7、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/mv5.7755.7765.7775.7805.7835.7875.7915.7945.7965.797I/A65.505.154.543.582.982.542.312.061.89U/mv5.7985.8005.8035.8055.8075.8105.8155.8175.8205.826I/A1.821.701.481.351.170.940.610.520.380.13U/mv5.8305.8355.
8、8385.8425.8435.8455.8475.8525.8575.860I/A0.03-0.15-0.22-0.32-0.34-0.38-0.4-0.49-0.55-0.60U/mv5.8635.8715.8775.8835.8725.8425.8355.8205.8145.811I/A-0.63-0.74-0.79-0.82-0.87-0.95-1.07-2.08-3.09-4.02U/mv5.8095.8085.807I/A-4.86-5.27-6.12 对应U-I曲线： 输出电流 -6A6AU/mv5.8095.8135.8165.8205.8255.8285.8345.8395.8
9、445.848I/A-6-5.23-4.73-4.58-3.33-2.70-1.66-1.16-0.81-0.51U/mv5.8525.8565.8605.8655.8745.8805.8865.8935.8985.906I/A-0.43-0.23-0.050.120.330.460.550.660.720.82U/mv5.8745.8655.8535.8435.8405.8375.8355.8335.8305.829I/A0.910.951.232.042.533.043.514.045.105.92U/mv5.829I/A6.10对应U-I曲线：将两图合并到同一图中有：（2） 当样品电流与
10、外磁场相互平行时，记录数据如下表： 输出电流6A -6A：U/mv6.1216.1166.1116.1036.0896.0706.0576.0346.0216.004I/A6.044.743.873.001.891.000.580.07-0.14-0.34U/mv5.9995.9935.9855.9775.9725.9665.9605.9565.9505.961I/A-0.40-0.46-0.53-0.59-0.62-0.68-0.72-0.74-0.79-0.82U/mv6.0146.0356.0486.0736.0866.0966.1176.1276.1326.134I/A-0.89-0.
11、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 -6A6AU/mv6.1366.1356.1296.1206.1086.0896.0586.0456.0406.030I/A-6.06-5.63-4.50-3.33-2.21-1.14-0.27-0.040.040.19U/mv6.0266.0186.0065.9965.9865.9775.9725.9665.9605.967I/A0.250.360.470.560.630.690.730.760.800.84U/mv6.0286.0486.0856.1106.1166.1266.
12、1306.1346.1386.138I/A0.911.001.592.573.013.904.605.185.936.01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
13、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
