各向異性磁電阻測量姓名：學(xué)號：院系：

各向異性磁電阻測量引言磁電阻（MR）效應(yīng)是指物質(zhì)在磁場作用下電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象。按磁電阻效應(yīng)的機理和大小，磁電阻效應(yīng)一般可以分為：正常磁電阻（OMR）效應(yīng)，各向異性磁電阻（AMR）效應(yīng)，巨磁電阻（GMR）效應(yīng)。磁阻材料在高密度讀出磁頭磁傳感器、微弱磁場測量、各類運動的檢測等領(lǐng)域有著寬廣的應(yīng)用，從而成為國際上引人矚目的研究領(lǐng)域。圖1為早期報道的Co-Cu顆粒膜磁電阻曲線。磁電阻效應(yīng)，特別是巨磁電阻效應(yīng)的理論涉及較多的固體量子知識，CMR等尚未有比較完善的統(tǒng)一理論解釋，這里不作介紹。本文僅從純粹的技術(shù)角度上測量各向異性磁電阻，不作物理細節(jié)上的深入劃分。實驗原理各向異性磁電阻效應(yīng)（AMR效應(yīng)）指在鐵磁性的過渡族金屬、合金中，即材料的磁阻和其在磁場中的磁化方向有關(guān)，即磁阻值是其磁化方向與電流方向之間夾角的函數(shù)。外加磁場方向與電流方向的夾角不同，飽和磁化時電阻率不一樣，即有各向異性。通常取外磁場方向與電流方向平行和垂直兩種情況測量AMR。即有：Δρ∥＝ρ∥－ρ（０）Δρ⊥＝ρ⊥－ρ（０）這里ρ（０）為鐵磁材料在磁場為零狀態(tài)下的電阻率。若退磁狀態(tài)下磁疇是各向同性分布的，疇壁散射變化對磁電阻的貢獻較小，將之忽略，通常?。浩渲笑補v表示物質(zhì)在飽和磁場H中和磁場為零時的平均電阻率。大多數(shù)材料ρ∥＞ρ（０），故：AMR常定義為：圖2是曾用作磁盤讀出磁頭和磁場傳感器材料的Ni81Fe19的磁電阻曲線，很明顯ρ∥>ρ（０），ρ⊥<ρ（０），各向異性明顯。圖3是一些鐵磁金屬與合金薄膜的各向異性磁電阻曲線。圖中的雙峰是材料的磁滯引起的。實驗內(nèi)容1實驗方法介紹鐵磁金屬薄膜磁的電阻很低，所以它的電阻率測量需要采用四端接線法。但是，為了滿足實際的需要，在生產(chǎn)、科研、開發(fā)中測量金屬薄膜電阻率的四端接線法已經(jīng)發(fā)展成四探針法。圖4顯示了四探針法測量鐵磁金屬薄膜磁電阻的原理圖。圖4四探針法原理圖讓四探針的針尖同時接觸到薄膜表面上，四探針的外側(cè)二個探針同恒流源相連接，四探針的內(nèi)側(cè)二個探針連接到電壓表上。分別在電流與磁場平行和垂直方向加一恒定的電流，并使磁場從零慢慢增大到磁電阻達到飽和為止，測量不同磁場下對應(yīng)的電壓值，再將磁場慢慢降為零，測量不同磁場下對應(yīng)的電壓值，然后讓電流反向重復(fù)以上操作。當(dāng)電流從恒流源流出，流經(jīng)四探針的外側(cè)二個探針時，流經(jīng)薄膜產(chǎn)生的電壓將可從電壓表中讀出，由此繪出樣品薄膜電壓隨線圈電流的變化曲線，實際上反映的就是磁電阻隨磁場變化的關(guān)系。本實驗設(shè)定恒流源電流為5mA。2變化曲線測量1）樣品薄膜中電流方向與磁場方向平行時，樣品薄膜電壓隨線圈電流的變化曲線如圖5。2）樣品薄膜中電流方向與磁場方向垂直時，樣品薄膜電壓隨線圈電流的變化曲線如圖6。3數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理所需的相應(yīng)數(shù)據(jù)均可從圖5和圖6中讀出。由于薄膜的幾何尺寸未測量，以下各計算中均以電阻取代相應(yīng)電阻率。磁場為零狀態(tài)下的電阻（對應(yīng)于圖5和圖6中的四個峰值）為：R（０）=14×電流與磁場方向平行時的飽和電阻（對應(yīng)圖5中4個飽和值）為：R∥=14×3.274+3.274+3.278+3.268故：ΔR∥=R∥－R（０）=0.0180Ω電流與磁場方向垂直時的飽和電阻（對應(yīng)圖6中4個飽和值）為：R⊥=1故：ΔR⊥=R⊥－R（０）=-0.0072Ω電阻平均值為：Ni-Fe薄膜的AMR效應(yīng)為：實驗思考1）測量AMR后計算出的ρav、ρ（０）是否相同，不同說明什么問題？如果樣品薄膜在退磁狀態(tài)下磁疇是各向同性分布的，疇壁散射變化對磁電阻的貢獻較小，將之忽略，則可認(rèn)為ρ（０）≠ρav。如果ρ（０）≠ρav，則說明該樣品薄膜在退磁狀態(tài)下有磁疇織構(gòu)，即磁疇分布非完全各向同性。本實驗中計算得到的R（０）=0.6367Ω，Rav=0.6379Ω，略有差異，說明樣品并非是完全各向同性的。2）測量中如何減小熱效應(yīng)對測量的影響?在選擇電流值時，最大的電流值對應(yīng)的電壓值不能超過5毫伏，以免流過薄膜的電流太大導(dǎo)致樣品薄膜發(fā)熱，從而影響測量的準(zhǔn)確性。線圈電流應(yīng)先由最大開始逐漸減小，直至磁電阻飽和后再反向增加線圈電流，這樣有利于熱量的均衡與散熱，有效減小熱效應(yīng)對測量的影響。同時應(yīng)盡量縮短測量時間，因此，采用計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動測量可以有效地較小熱效應(yīng)帶來的影響。3）樣品薄膜夾具采用材料有何要求?由于鐵磁金屬薄膜的磁電阻很低，這就要求樣品薄膜夾具對薄膜導(dǎo)電狀態(tài)的影響小，盡量選擇絕緣性質(zhì)出色的材料；同時由于夾具處于線圈磁場中，也應(yīng)當(dāng)避免對磁場的破壞，即盡量選擇非磁性物質(zhì)。另外夾具也應(yīng)該具有較好的導(dǎo)熱特性，這樣可以有效避免與樣品薄膜接觸的部分產(chǎn)生局部過熱，影響測量結(jié)果。4）為了獲得準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，在實驗中須汁意哪些因素?實驗時一定要保證磁場線圈電流調(diào)節(jié)的單調(diào)性。即線圈電流應(yīng)該單項增加或單項減小。否則受磁滯效應(yīng)的影響，測得的數(shù)據(jù)精確性降低。實際上即使有效消除了上述影響，本實驗的結(jié)果仍然存在一定的誤差。這是由于采用了手動打點式測量，并未采集到反映磁電阻變化趨勢的全部數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的缺失使得繪出的變化曲線失真，從而影響了計算的結(jié)果。這一點在計算各飽和電阻時體現(xiàn)的尤為明顯。避免這一誤差的方法是測量盡量密集的數(shù)據(jù)（例如使用計算機軟件采集系統(tǒng)），再通過數(shù)據(jù)處理軟件進行更為精確地曲線擬合。實驗補充對于Fe-Ni單層薄膜，由實驗所測出ρ∥與ρ⊥從而得到磁電阻率ρav、各向異性磁電阻率Δρ（＝ρ∥－ρ⊥）以及各向異性磁電阻率比率Δρ/ρav隨膜厚t的變化關(guān)系分別見圖7?？梢姡簡螌覰i-Fe膜的磁電阻特性與膜厚有很大關(guān)系。具體分析如下：圖7（a）Ni-Fe薄膜的ρ-t曲線（b）Ni-Fe薄膜的△ρ-t曲線（c）Ni-Fe薄膜的△ρ/ρav-t曲線1）樣品薄膜電阻率與厚度之間的關(guān)系由圖7a可見，Ni-Fe薄膜電阻率ρ隨膜厚t的增加而減小。這是由于幾何R寸的影響。當(dāng)厚度很小時，使得傳導(dǎo)電子的表面散射變得很重要。當(dāng)傳導(dǎo)電子的自由程與膜厚可以相比擬時；膜副成了電子運動的障礙，縮短電子自由程，使得電阻率顯著增加。當(dāng)膜厚超過80nm時，薄膜電阻率超過體電阻率。2）各向異性磁電阻率△ρ及各向異性磁電阻率比率△ρ/ρav與膜厚t的關(guān)系由圖7b可見，Ni-Fe薄膜各向異性磁電阻率△ρ基本不隨膜厚變化。當(dāng)膜厚從30nm增加到150nm時，△ρ在0．06μΩ·cm范圍內(nèi)波動。因為在Ni-Fe磁性薄膜中，電阻率在很大程度上是由4s態(tài)電子向3d態(tài)躍遷形成能量散射而引起的。在外磁場中