巨磁電阻實(shí)驗(yàn)

巨 磁 電 阻 效 應(yīng) 及 其 應(yīng) 用巨磁電阻(Giantmagnetoresistance,簡稱GMR)效應(yīng)表示在一個(gè)巨磁電阻系統(tǒng)中,格外弱小·費(fèi)爾(AlbertFert)和德國科學(xué)家彼得·格林貝格爾(PeterGrunberg)因分別獨(dú)立覺察巨磁阻效應(yīng)而共同榮膺2023年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).GMR是一種量子力學(xué)和分散態(tài)物理 學(xué)現(xiàn)象,是磁阻效應(yīng)的一種,可以在磁性材料和非磁〔幾個(gè)納米厚構(gòu)造中觀看到.在(W.Heisenberg,爾獎(jiǎng)得主)明確提出鐵磁性有序狀態(tài)源于

性材料相間量子力學(xué)出1932年諾貝鐵磁性原子磁矩之間的量子力學(xué)交換作用,這個(gè)交換作用是短程的,稱為直接交換作用.隨后,科學(xué)家們又1磁矩在不受外場作用時(shí)仍為零.這種磁有序狀態(tài)稱為反鐵磁性.反鐵磁性通過化合物中的氧離子(或其他非金屬離子)將最近的磁性原子的磁矩耦合起來,屬于間接交換作用.此外,在稀土金屬中也消滅了磁有序,其中原子的固有磁矩來自4f電子殼層.相鄰稀土原子的距離遠(yuǎn)大于4f電子殼層直徑,所以稀土金屬中的傳導(dǎo)電子擔(dān)當(dāng)了中介,將相鄰的稀土原子磁矩耦合起來,這就是RKKY型間接交換作用.直接交換作用的特征長度為0.1—0.3nm,間接交換作用可以長達(dá)1nm以上.據(jù)此美國IBM試驗(yàn)〔或兩種以上組分〔或?qū)щ婎愋统叨葮悠芳夹g(shù)的消滅使得金屬超晶格成為爭論前沿.因此分散態(tài)物理工作者對這類人工材料的磁有序,層間耦合,電子輸運(yùn)等進(jìn)展了廣泛的根底方面的爭論.其中相關(guān)的代表性爭論工作簡介如下.其一是德國尤利?？蒲兄行牡奈锢韺W(xué)家彼得格倫貝格爾.他始終致力于爭論鐵磁性金屬薄膜外表和界面上的磁有序狀態(tài),其爭論對象是一個(gè)三明治構(gòu)造的薄膜,兩層厚度約10nm的鐵層之間夾有厚度為1nm的鉻層.之所以選擇選擇這一材料系統(tǒng),首先是由于金屬鐵和鉻是周期表上相近的元素,具有類似的電子殼層,簡潔實(shí)現(xiàn)兩者的電子狀態(tài)匹配.其次,金屬鐵和鉻的晶格對稱性和晶格常數(shù)一樣,它們之間晶格構(gòu)造相匹配.這兩類匹配格外有利于對根本物理過程進(jìn)展探究.盡管如此,長期以來該課題組所獲得的三明治薄膜僅為多晶體.隨著制備薄膜技術(shù)的進(jìn)展,分子束外延(MBE)方法的應(yīng)用才使得構(gòu)造完整的單晶樣品得以問世,其成分照舊是鐵-鉻-鐵三層膜.此后,試驗(yàn)過程中,薄膜上的外磁場被逐步減小直至消逝.結(jié)果覺察,在鉻層厚度為0.8nm的鐵-鉻-鐵三明治中,兩邊的兩個(gè)鐵磁層磁矩從彼此平行(較強(qiáng)磁場下)轉(zhuǎn)變?yōu)榉雌叫?弱磁場下).亦即,對于非鐵磁層鉻的某個(gè)特定厚度,在無外磁場時(shí),兩邊鐵磁層磁矩處于反平行狀態(tài),這一現(xiàn)象成為巨磁電阻效應(yīng)消滅的前奏.在對這一現(xiàn)象的進(jìn)一步爭論過程中,格倫貝格爾等覺察當(dāng)兩個(gè)磁矩反平行時(shí),鐵-鉻-鐵三明治呈現(xiàn)高電阻狀態(tài).而當(dāng)兩個(gè)磁矩平行時(shí),則對應(yīng)與其低電阻狀態(tài),且兩種不同狀態(tài)下的阻值差高達(dá)10%.之后,格倫貝格爾將此結(jié)果寫成論文,并申請了將這種效應(yīng)和材料應(yīng)用于硬盤磁頭的專利.另一位科研工作者是巴黎十一大學(xué)固體物理試驗(yàn)室物理學(xué)家阿爾貝50%.為巨磁電阻現(xiàn)象,并用兩電流模型予以合理解釋.明顯,該周期性多層膜可視為假設(shè)干個(gè)格倫貝格爾三明治的重疊,因此德國和法國的這兩個(gè)獨(dú)立覺察實(shí)屬同一個(gè)物理現(xiàn)象.IBM公司的斯圖爾特S.P.Parkin)將GMR的制作材料做了進(jìn)一步推廣,為其工業(yè)化應(yīng)用奠定了根底.他于1990年首次報(bào)道了鐵-鉻超晶格系列之外的鈷-釕和鈷-鉻超晶格體系亦有巨磁電阻效應(yīng),并且隨著非磁層厚度增加,其磁電阻值振20種左右不同的體系均存在巨磁電阻振蕩現(xiàn)象.帕金的工作首先為查找更多的GMR材料開拓了寬闊空間,為查找適合硬盤的GMR材料供給了可能,1997年制成了GMR磁頭即是其成功之一.其次,在薄膜制備方法上帕金承受較一般的磁控濺射技術(shù)用以替代周密的MBE巨磁電阻效應(yīng)覺察的另一重大意義在于翻開了一扇通向技術(shù)世界的大門—自旋電子學(xué).GMR電子自旋往往被無視了.巨磁電阻效應(yīng)說明電子自旋對于電流的影響格外猛烈,電子的電荷與自利用巨磁電阻效應(yīng)制成的多種傳感器,已廣泛應(yīng)用于各種測控領(lǐng)域.除利用鐵磁膜-金屬膜-鐵磁膜的GMR效應(yīng)外,由兩層鐵磁膜夾一極薄的絕緣膜或半導(dǎo)體膜構(gòu)成的隧穿磁阻(TMR)效應(yīng),已顯示出比GMR一些磁性半導(dǎo)體中,都覺察了巨磁電阻效應(yīng).試驗(yàn)?zāi)康牧私釭MR效應(yīng)的原理.測量GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線.測量GMR的磁阻特性曲線.測量GMR開關(guān)〔數(shù)字〕傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線.用GMR傳感器測量電流.用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移,了解GMR轉(zhuǎn)速傳感器的原理.通過試驗(yàn)了解磁記錄與讀出的原理.試驗(yàn)原理依據(jù)導(dǎo)電的微觀機(jī)理,電子在導(dǎo)電時(shí)并非沿電場直線前進(jìn),而是不斷和晶格中的原子產(chǎn)生碰〔又稱散射〕平均自由程長,電阻率低.在電阻定律R=l/S中,電阻率可視為常數(shù),與材料的幾何尺度無關(guān).〔例如銅中電子的平均自由程約34nm〕〔例如,銅原子的直徑約為0.3nm〕,電子在邊界上的散射幾率大大增加,此時(shí)可以明顯觀看到厚度減小,電阻率增加的現(xiàn)象.電子除本身攜帶電荷外,還具有自旋特性.自旋磁矩又分為平行或反平行于外磁場方向的兩種不同取向.在自旋磁矩與材料的磁場方向平行的狀況下,電子散射的幾率遠(yuǎn)小于二者反平行條件下的散射幾率.與此相應(yīng),材料的電阻在自旋磁矩與外磁場方向平行時(shí)將遠(yuǎn)小于二者反平行時(shí)如圖2〔反鐵磁足夠強(qiáng)的外磁場后,兩層鐵磁膜的方向都與外磁場方向全都,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(shù)應(yīng)用中與膜面方向平行.事實(shí)上,有兩類與自旋相關(guān)的散射對巨磁電阻效應(yīng)有奉獻(xiàn):界面上的散射無外磁場〔平行〕,高電阻狀態(tài)有外磁場存在對應(yīng)于低電阻狀態(tài).鐵磁膜內(nèi)的散射無外磁場〔平行和散射幾率大〔反平行〕高電阻有外磁場兩層鐵磁膜的磁場方向全都,自旋平行的電子散射幾率小,自旋反平行的電子散射幾率大,兩類自旋電流的并聯(lián)電阻相像一個(gè)小電阻與一個(gè)大電阻的并聯(lián),對應(yīng)于低電阻狀態(tài).多層膜GMR到廣泛應(yīng)用.在數(shù)字記錄與讀出領(lǐng)域,為進(jìn)一步提高靈敏度,進(jìn)展了自旋閥構(gòu)造的GMR.如圖3所示.valveGMR)由釘扎層,被釘扎層,中間導(dǎo)電層和自由層構(gòu)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互耦合作用下形成一個(gè)偏轉(zhuǎn)場,此偏轉(zhuǎn)場將被釘扎層的磁化方向固定,不隨外磁場轉(zhuǎn)變.自由層使用軟鐵磁材料,它的磁化方向易于隨外磁場轉(zhuǎn)動.這樣,很弱的外磁場就會轉(zhuǎn)變自由層與被釘扎層磁場的相對取向,對應(yīng)于很高的靈敏度.制造時(shí),使自由層的初始磁化方向與被釘扎層垂直,磁記錄材料的磁化方〔對應(yīng)于0或1〕向就向與被釘扎層磁化方向一樣〔低電阻〕〔高電阻〕可確定記錄材料所記錄的信息,硬盤所用的GMR磁頭就承受這種構(gòu)造.試驗(yàn)儀器一.主體名稱：ZKY-巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用試驗(yàn)儀構(gòu)成及功能：電流表局部：做為一個(gè)獨(dú)立的電流表使用.兩個(gè)檔位：2mA200mA檔,可通過電流量程切換開關(guān)選擇適宜的電流檔位測量電流.電壓表局部：做為一個(gè)獨(dú)立的電壓表使用.兩個(gè)檔位：2V200mV檔,可通過電壓量程切換開關(guān)選擇適宜的電壓檔位.恒流源局部：可變恒流源.試驗(yàn)儀還供給GMR傳感器工作所需的4V電源和運(yùn)算放大器工作所需的±8V電源.根本組件：根本特性組件由GMR模擬傳感器,螺線管線圈及比較電路,輸入輸出插孔組成.用以對GMR的磁電轉(zhuǎn)換特性,磁阻特性進(jìn)展測量.GMR傳感器置于螺線管的中心.螺線管用于在試驗(yàn)過程中產(chǎn)生大小可計(jì)算的磁場,由理論分析可知,無限長直螺線管內(nèi)部軸線上任一點(diǎn)的磁B=nI.式中I0107H/m承受國際單位制時(shí),由上式計(jì)算出的磁感應(yīng)強(qiáng)度單位為特斯拉〔1特斯拉＝10000高斯〕.電流測量組件：電流測量組件將導(dǎo)線置于GMR模擬傳感器近旁,用GMR傳感器測量導(dǎo)線通過不同大小電流時(shí)導(dǎo)線四周的磁場變化,就可確定電流大小.與一般測量電流需將電流表接入電路相比,這種非接觸測量不干擾原電路的工作,具有特別的優(yōu)點(diǎn).角位移測量組件:角位移測量組件用巨磁阻梯度傳感器作傳感元件,鐵磁性齒輪轉(zhuǎn)動時(shí),齒牙干擾了梯利用該原理可以測量角位移〔轉(zhuǎn)速,速度〕.汽車上的轉(zhuǎn)速與速度測量儀利用的就是這一原理.磁讀寫組件：磁讀寫組件用于演示磁記錄與讀出的原理.磁卡做記錄介質(zhì),磁卡通過寫磁頭時(shí)可寫入數(shù)據(jù),通過讀磁頭時(shí)將寫入的數(shù)據(jù)讀出來.巨磁電阻效應(yīng)及其應(yīng)用試驗(yàn)報(bào)告一、試驗(yàn)時(shí)間：年月日二、樣品：巨磁阻根本特性組件,磁讀寫組件, 電流測量組件, 角位移測量組件, 巨磁阻試件,磁卡以及巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用試驗(yàn)儀〔01-001〕.三、試驗(yàn)?zāi)康模?、了解巨磁電阻效應(yīng)試驗(yàn)原理；2、了解巨磁阻的模擬傳感器磁電轉(zhuǎn)換特性；3、了解巨磁阻的磁阻特性；4、通過試驗(yàn)了解磁記錄與磁讀寫的原理.四、試驗(yàn)內(nèi)容：1、GMR模擬傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性測量：1勵(lì)磁電流磁感應(yīng)強(qiáng)輸出電壓U勵(lì)磁電流4V磁感應(yīng)強(qiáng) 輸出電壓UI1(mA)B〔mV〕I1(mA)度B 〔mV〕10089.98069.76049.8403020151050-5-10-15.1-20-30.1-40.7-50.2-60-76.8-80.1-90-100μ=4π×-H/m〔1〕 n=24000B之間的關(guān)系曲線：

B 0

〔3〕磁感應(yīng)強(qiáng)度BU275磁場250275磁場250減小225B-200U175系曲150線125100磁場75增大50B-25U0系曲線0.010.020.030.040.0U(V)-40.0

-30.0 -20.0

磁感應(yīng)強(qiáng)度B2、GMR磁阻特性測量：

圖〔1〕由式〔3〕可得磁感應(yīng)強(qiáng)度B, 則由歐姆定律可得磁阻R.表2 磁阻特性測量 磁阻兩端電壓4V勵(lì)磁電流磁感應(yīng)強(qiáng)磁阻電流R勵(lì)磁電流磁感應(yīng)強(qiáng)磁阻電流RI1(mA)100B30.1I〔mA〕〔Ω〕I1(mA)-100B-30.1I〔mA〕〔Ω〕9027.1-90-27.18024.1-80-24.169.521.0-70-21.16018.1-60-18.149.815.0-50-15.139.111.8-40.1-12.1309.0-30-9.0206.0-19.8-6.014.84.5-15-4.5103.0-10-3.051.5-5-1.500.000.0-5.1-1.551.5-10.1-3.0103.0-15-4.515.34.6-20.2-6.1206.0-30.5-9.2309.0-40.1-12.140.112.1-50-15.15015.1-60-18.16018.1-70.1-21.17021.1-80-24.18024.1-90-27.19027.1-100-30.110030.1磁阻與磁感應(yīng)強(qiáng)度關(guān)系曲線：R-B關(guān)系曲線5000490048004700磁阻R 46004500440043004200-40.0-30.0-20.0-10.00.010.020.030.040.0磁感應(yīng)強(qiáng)度B圖〔2〕3、GMR開關(guān)〔數(shù)字〕傳感器的磁電轉(zhuǎn)換特性曲線測量3

磁場減小時(shí)R-B磁場增大時(shí)R-BI〔mA〕輸出電壓U(V)I〔mA〕輸出電壓U(V)50-5040-4030-3020-2019.4-17.519.4-17.510-1000-1010-2020-22.924.3-22.924.3-3030-4040-5050輸出電壓U〔V輸出電壓U〔V勵(lì)磁電流I〔mA〕21.8磁場減小1.6時(shí)巨磁阻1.4開關(guān)特性1.2曲線10.8磁場增大0.60.4時(shí)巨磁阻開關(guān)特性曲線0.20-60-40-2002040604GMR模擬傳感器測量電流4低磁偏置25mV低磁偏置150mV勵(lì)磁電流輸出電壓 勵(lì)磁電流輸出電壓勵(lì)磁電流輸出電壓 勵(lì)磁電流輸出電壓I〔mA〕U〔mV〕 I〔mA〕U〔mV〕I〔mA〕U〔mV〕 I〔mA〕U〔mV〕300-300300-300200-200200-200100-100100-1000.10.10.10.1-100100-100100-200200-200200-300300-300300待測電流與輸出電壓關(guān)系曲線：180.0180.0160.025mV磁電流減小時(shí)I-U140.0120.0100.025mV磁電流增大時(shí)I-U80.060.0150mV勵(lì)磁電流減小時(shí)I-U40.020.0偏置電壓150mV勵(lì)磁電流增大時(shí)I-U0.0-400-2000200400圖〔3〕偏執(zhí)電壓越大U-I直線斜率越大, 靈敏度越高.轉(zhuǎn)動角度/度036912151821輸出電壓/mV轉(zhuǎn)動角度/度24轉(zhuǎn)動角度/度036912151821輸出電壓/mV轉(zhuǎn)動角度/度2427303336394245輸出電壓/mV齒輪角位移的測量：轉(zhuǎn)動角度與