薄膜材料磁電阻效應測試儀簡介

1、薄膜材料磁電阻效應測試儀簡介引言:用巨磁電阻(GMR 和各向異性磁電阻(AMR 磁性薄膜材料制作的計算 機硬盤讀出磁頭和各種弱磁傳感器, 已經(jīng)廣泛應用于信息技術、 工業(yè)控制、 航海 航天導航等高新技術領域。 BKT-1H 薄膜材料磁電阻效應測試儀系統(tǒng)控制主機是 專門為薄膜材料磁電阻測試而設計的,它將多塊測量儀表及調節(jié)指示集于一體, 將復雜的儀表之間連線化為主機內(nèi)部的 PCB 板集線控制,將儀表之間信號串擾 和外部共模干擾對信號采集處理的影響降到最低,大大提高了儀器測量的精度。 高精度的數(shù)據(jù)采集器通過流行的 USB 接口與計算機相連極大地方便了用戶的使 用。 薄膜材料磁電阻效應測試儀一.薄膜材料

2、磁電阻效應測試儀的原理 1. 磁性薄膜的磁電阻效應磁電阻效應 MR 是指物質在磁場的作用下電阻發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。 表征磁 電阻效應大小的物理量 MR ,其定義為00-M R = (1其中 和 0分別表示物質在某一不為零的磁場中和磁場為零時的電阻率。 磁電阻效應按磁電阻值的大小和產(chǎn)生機制的不同可以分為:正常磁電阻效應 (OMR 、各向異性磁電阻效應(AMR 、巨磁電阻效應(GMR 和超巨磁電阻 較硬(CMR 等。(1 正常磁電阻效應正常磁電阻效應(OMR 為普遍存在于所有金屬中的磁場電阻效應,它由英國物理學家 W.Thomson 于 1856年發(fā)現(xiàn)。其特點是:a. 磁電阻 MR>0b.

3、各向異性,但 / (/和 分別表示外加磁場忽然電流方向垂直及平行時的電阻率c. 當磁場不高時, MR 正比于 2HOMR 來源于磁場對電子的洛侖茲力,該力導致載流體發(fā)生偏轉或產(chǎn)生螺旋 運動,因而使電阻升高。大部分材料的 OMR 都比較小。 (2 各向異性磁電阻效應在居里點以下, 鐵磁金屬的電阻率隨電流 I 與磁化強度 M 的相對取向而異, 稱為各向異性磁電阻效應。即 /。各向異性磁電阻值通常定義為: /0-AM R = (2低溫 5K 時, 鐵、 鈷的各向異性磁電阻值約為 1%, 而坡摸合金 (8119N i Fe 為 15%,室溫下坡莫合金的各向異性磁電阻值仍有 2-3%。圖 1所示為厚度為

4、 200nm 的 NiFe 單層薄膜的磁電阻變化曲線。 圖 1 NiFe單層薄膜的磁電阻變化曲線(3 磁性金屬多層薄膜中的巨磁電阻效應1986年,德國科學家 P.Grunberg 和法國科學家 A.Fert 制成 Fe/Cr/Fe三層 薄膜和 Fe/Cr超晶格薄膜。其中,每個單層薄膜厚度只有幾個納米。 1988年 Baibich etal 報道:低溫下 (T=4K , 外場為 20KOe 時, 用分子外延 (MBE 方法生成 (Fe3.0nm/Cr0.9nm 多層膜中電阻的變化率達 50%. 這種巨大的 磁電阻效應稱為巨磁電阻效應,簡記為 GMR 。這種效應立即引起了各國科學家的注意,人們紛紛

5、從理論上和實際上對其加以研究。 Binasch 等人報道了 (Fe2.5nm/Cr1.0nm/Fe25.9nm 三明治結構當 Cr 層厚度合適時, 兩 Fe 層 之間存在反鐵磁耦合作用。 類似的反鐵磁耦合和大的磁電阻效應也在 Co/Ru和 Co/Cr等多層結構中被觀察到。 1991年 Dieny B 獨辟蹊徑,提出鐵磁層 /隔離層 /反鐵磁層自旋閥結構,并首先在 NiFe/Cu/NiFe/FeMn中發(fā)現(xiàn)了一種 低飽和場巨磁電阻效應。 隨后, 人們在納米顆粒膜、 亞穩(wěn)態(tài)合金膜、 氧化膜 及磁隧道結多層膜等材料中也發(fā)現(xiàn)了 GMR 效應。目前, GMR 的研究正向物理 學的各個領域滲透,并推動納米材

6、料科學的進一步發(fā)展?；?Mott 的二流體模型可以對這種磁電阻進行簡單解釋。載流子自旋 方向與鐵磁層少數(shù)自旋子帶電子方向平行時, 受到的散射就強, 對應電阻值 大;而自旋方向與鐵磁層多數(shù)自旋子帶電子方向平行時,受到的散射就弱, 對應電阻值小。 當相鄰鐵磁層反平行時, 在一個鐵磁層中受散射較弱的電子 進入另一鐵磁層后必定遭受較強的散射, 故從整體上說, 所有電子都遭受較 強的散射,表現(xiàn)為電阻 R H 較大;而當相鄰鐵磁層磁矩趨于平行時,雖然和 鐵磁層少數(shù)自旋子帶電子的自旋方向平行的電子受到極大的散射, 但是和鐵 磁層多數(shù)自旋子帶電子的自旋方向平行的電子在所有鐵磁層中受到的散射 都弱,相當于構成

7、了短路狀態(tài),表現(xiàn)為電阻 R L 較小。這兩種狀態(tài)的電阻分 別為:H p H R R R =R +RL L (3 H A p R +RR =2L(4磁電阻為:2p ApH ApH R -R R -R M R =R R -R L L (52. 磁性薄膜磁電阻的測量由于鐵磁金屬薄膜的磁電阻較低,所以,它的電阻率的測量需要采用四端 接線法, 以避免電極接觸電阻對測量結果的影響。 為了方便四端接線法已經(jīng)發(fā)展 成四探針法, 測量時讓四探針的針尖同時接觸到薄膜表面上, 對距離相等直線型 四探針, 恒流源從最外面兩個探針流入, 從另外兩個探針測量電壓。 在薄膜的面積為無限大或遠遠大于四探針中相鄰探針間距的時候

8、金屬薄膜的電阻率 F 可以 有下式給出:V ××dln 2I F =(6公式(6中, d 是薄膜的厚度, I 是流經(jīng)薄膜的電流, v 是電流流經(jīng)薄膜時 產(chǎn)生的電壓。直線型四探針不能測量薄膜的各向異性磁電阻(AMR ,必須采用非共線四 探針來測量薄膜各向異性磁電阻效應。 圖 4 電流探針與電壓探針位置圖如圖 4所示,四探針測量中兩個電流探針位置為 I (-x0,y0 , II(x0,y0 提供電流源,兩個電壓位置在 Q (-x , 0 、 P (x , 0獲取電壓。假設恒流 源電流為 I ,電流探針接觸膜面區(qū)域為無限小,電流密度 J 在膜厚度 t 內(nèi)是均勻 的,且薄膜為無限大

9、,則薄膜上任一點電勢為:22x 00y 22x 00yx+x+y x y =x-x +y ( -y (, ( -y (7式中 x y 分別是金屬薄膜在 x 和 y 方向的電導率,如果電壓探針位置為 Q (-x , 0 、 P (x , 0 ,則 (, (, 0 (, 0 (, 0 q p q Q x x x =-。有(2式得出x 22x00y(, 22x00yx+x+(, 0 2x-x +q px=( y( y(8可以推出 與 (, q p之間的關系為(, /(, (, /(, 11( /2q p q pq p q pM r M r-=+(, q p(9 其中 Mr 為探針因子。1/1/ln

10、lnr rM r yr r-+-+-=(10r r-+和 定義為22220000=; =r y r y-+(x-x (x+x (11 二.薄膜材料磁電阻效應測試儀的結構 圖 5 薄膜材料磁電阻效應測試系統(tǒng)框圖薄膜材料磁電阻效應測試系統(tǒng)框圖如圖 5所示。恒流源可以提供 0.01-50毫安的工作電流;電壓信號通過 2182納伏表測定;掃場電源給亥姆霍茲線圈提 供緩變的勵磁電流, 使之在樣品區(qū)產(chǎn)生均勻的磁場。 亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場由 取樣電阻經(jīng)過定標后, 通過 2000毫伏表實時測定; 2182和 2000通過 IEEE-488標準接口與電腦相連, 通過程序控制自動讀取數(shù)據(jù)并輸入電腦。 樣品臺與下

11、面的 360度刻度盤連接,樣品可以在水平面內(nèi)自由旋轉。三. 磁電阻測試儀(MR Test操作步驟與注意事項注意:本儀器是精密測量儀器, 電壓量程在 V 量級。 整個調節(jié)和測量過程中，需小心輕緩，不可倚靠或晃動整個測量臺面。 1. 依次打開電腦、掃描電源和恒流源，掃描電源和恒流源需預熱 1015 分鐘。 2. 放置樣品。首先將四探針均勻水平輕輕抬起，接著將樣品放置在樣品臺上， 然后輕輕放下四探針壓住樣品，盡量使四探針位于樣品的中心。放置樣品時， 注意使易磁化方向與所加的磁場方向垂直。樣品被四探針壓好后，不可再移 動樣品。 3. 打開電腦界面的 MR test 軟件。 4. 將輸入電流開關扳到下檔

12、，依據(jù)需求在恒流源面板上調節(jié)輸入電流（不得超 過 4mA） ，然后把開關扳上。特別注意：調節(jié)時，電流開關必須置于下檔。調 好所需的電流后，將電流開關扳到上檔，此時禁止再動調節(jié)旋鈕。電流設置 不得超過 4mA。需要重新調節(jié)電流大小的話，一定要將電流開關扳下后方可 調節(jié)。 5. 設置掃描電源。主要調節(jié)所需的掃描場的大?。ú坏贸^ 8A）和掃描速度。 設置最大磁場時，先按“Max”按鈕，接著通過調節(jié)按鈕直到達到所需的值， 最后按“enter”按鈕保存設置，注意最大設置磁場電流不得超過 8A。設置 掃描速度時，先按“Rate”按鈕，接著通過調節(jié)按鈕直到達到所需的值，最 后按“enter”按鈕保存設置。 6. 通過電腦上的 MR Test 軟件界面，選擇所需的測量模式，將 x 軸比例改為 0.163，再依據(jù)需求選擇采樣間隔，測量電壓量程。測量模式中 V-H 模式顯示 測量電壓隨掃描磁場的變化關系；x-t 模式顯示掃描磁場大小隨時間的變化 關系；y-t 模式顯示測量電壓隨時間的變化關系。x 軸比例為 0.163Oe/mV。 電壓量程為測量電壓的量程，可根據(jù)恒流源上測量電壓的顯示來判斷量程選 擇。 7. 檢查樣品已放置好、恒流源已經(jīng)調節(jié)好，并且開關已經(jīng)扳上、掃描場大小和 速率