1、巨磁電阻與磁電阻,清華大學 工程物理系 核32班 劉一寧 學號：2013011816,磁電阻是怎么產(chǎn)生的？,磁電阻是怎么產(chǎn)生的？將鐵磁金屬材料中電子按自旋取向分成兩類處理，與本體材料磁化方向平行與反平行的自旋電子在傳輸過程是可以分辨的，且平行與反平行自旋通道以并聯(lián)方式貢獻電導率，此效應稱為雙電流模型（the two-current model）?？傠娏魇莾深愖孕娏髦?；總電阻是兩類自旋電流的并聯(lián)電阻。電流由 s 電子傳遞，其有效質量近于自由電子。然而電阻則取決于電子從s 帶躍遷到d 帶的散射過程。因為鐵磁金屬 d 電子的兩種自旋取向的電子數(shù)目不等，散射過程必須保證自旋守恒，所以 s-d 電子

2、散射過程就與電子間自旋的相對取向有關，這個過程稱為自旋極化的電子輸運過程。例如鐵原子最外層為3d6 4S2,為什么是多層鐵磁層？,當相鄰鐵磁層反平行時，如果s 電子的自旋與第一鐵磁層中局域 d 電子的自旋平行，則幾乎不受散射，但它與相鄰鐵磁層中局域d 電子的自旋反平行，就受到強烈的散射（即填充到空置的與自己自旋相同的態(tài)）。所以兩相鄰磁層的磁矩方向相反時，兩種自旋狀態(tài)的傳導電子， 或者在第一個磁層即因磁矩與之相反而到強烈散射， 或者在穿過磁矩與其自旋方向相同的磁層后，必然在下一個磁層處遇到與其方向相反的磁矩，并受到強烈的散射作用，這樣兩種自旋態(tài)的電子分別在某一層受到強散射， 宏觀上表現(xiàn)為高電阻狀

3、態(tài)。,外加磁場是怎么影響電阻的？,如果施加足夠大的外場，使得磁層的磁矩都沿外場方向排列（圖3-2），則自旋與其磁矩方向相同的電子受到的散射小，只有方向相反的電子受到的散射作用強，宏觀上表現(xiàn)出低電阻狀態(tài)。,和非鐵磁層有什么關系？,在沒有非鐵磁層時：只有當當兩原子靠近，電子云有交疊時才有不等于零的交換積分 J， 因此這個交換作用是短程的，稱為直接交換作用。一般只能發(fā)生在固體中的最近鄰原子之間，直接交換作用的特征長度為0.10.3nm。若 J 0，存在交換作用的電子自旋平行排列時系統(tǒng)能量低，表現(xiàn)為鐵磁性。 若 J 0, 則電子自旋反平行時系統(tǒng)能量低，表現(xiàn)為反鐵磁性。 而在過渡金屬和稀土金屬的化合物中

4、，氧離子(或其他非金屬離子)作為中介，將最近的磁性原子的磁矩耦合起來，這是間接交換作用。局域電子之間通過傳導電子作媒介產(chǎn)生間接交換作用的機制由 Ruderman, Kittel, Kasuya 和 Yosida 各自獨立建立的模型來描述，通常被稱為RKKY模型。,RKKY模型？,這一模型可以解釋非磁性層的厚度對巨磁電阻效應的影響。磁性層間的交換耦合作用隨層間間距（即下文中的原子間距，因為非磁性層厚度為納米量級）即非磁性層厚度而出現(xiàn)震蕩衰減，導致巨磁電阻效應隨非磁性層厚度出現(xiàn)震蕩衰減現(xiàn)象。 由于局域電子與傳導電子的交換作用，使局域電子所在處及其周圍自旋向上的電子密度與自旋向下的電子密度不同，導致

5、傳導電子的自旋產(chǎn)生極化（不同自旋濃度差距）。如果以局域電子為中心，傳導電子的自旋極化隨距離的變化振蕩式衰減，這是一種長程振蕩過程。自旋極化的傳導電子又會和鄰近磁性原子中的局域電子發(fā)生波函數(shù)重疊，產(chǎn)生直接交換作用。這種直接交換積分為一正值，所以參與直接交換作用的兩個電子的自旋應平行取向。于是第二個磁性原子中局域電子自旋的方向便由其所在位置決定：當它的位置在為正的范圍內時，它的自旋向上，與第一個磁性原子中的局域電子的自旋方向相同，表現(xiàn)為鐵磁性；反之，當它的位置在為負的范圍內時，它的自旋方向向下，與第一個磁性原子中的局域電子自旋的方向相反，表現(xiàn)為反鐵磁性。這就是RKKY 交換作用的基本物理過程。,最

6、新進展？,電子測量技術2014年 第6期 “基于自旋閥巨磁電阻傳感器的直流電流測量”自旋閥巨磁阻（gian tmagne to resistive,GMR）傳感器具有靈敏度高、線性度好、體積小等顯著的優(yōu)點,在直流電流測量中具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?大學物理 2014年02期 “基于巨磁電阻效應的楊氏模量測量裝置”利用巨磁電阻傳感器、磁鋼片及電位差計組成的實驗裝置,可精確測量微小長度變化量.將該裝置應用于楊氏模量實驗并與光杠桿測量方法比較可知,應用巨磁電阻傳感器的測量方法簡單,測量過程便捷,測量精度較高.,巨磁電阻與磁電阻,【實驗內容】 1、測量GMR的磁阻特性曲線。 2、分別測量GMR模擬傳感器和

7、GMR數(shù)字開關傳感器的磁電轉換特性曲線。 3、用GMR模擬傳感器測量電流，分析偏置磁場對傳感器應用的影響及原因。 4、用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移，了解GMR轉速（速度）傳感器的結構和原理。 5、通過實驗了解磁記錄與讀出的原理。 6、 測量自旋閥的磁電阻曲線，與多層膜磁電阻曲線比較，分析其異同及原因。,1、測量GMR的磁阻特性曲線。,原理：將基本特性組件的功能切換按鈕切換為“巨磁阻測量”，此時被磁屏蔽的兩個電橋電阻R3,R4被短路，而R1,R2并聯(lián)。將電流表串連進電路中，測量不同磁場時回路中電流的大小，就可計算磁阻。 公式：由B = 0nI （ ）可計算出螺線管內的磁感應強度B。 接入4

8、V電源，由R=U/I可以得到電阻； 以磁感應強度B作橫坐標，電阻為縱坐標作出磁阻特性曲線。根據(jù) 計算GMR值。 注意事項：由于巨磁阻傳感器具有磁滯現(xiàn)象，在實驗中應注意恒流源只能單方向調節(jié)，不可回調。,2.1、GMR模擬傳感器的磁電轉換特性測量,原理：在將GMR構成傳感器時，為了消除溫度變化等環(huán)境因素對輸出的影響，一般采用橋式結構（如下左圖）對角位置的兩個電阻R3、R4 覆蓋一層高導磁率的材料如坡莫合金，以屏蔽外磁場對它們的影響，而R1、R2 阻值隨外磁場改變。 公式：由B = 0nI（ ）計算出螺線管內的磁感應強度B。 以磁感應強度B作橫坐標，電壓表的讀數(shù)為縱坐標作出磁電轉換特性曲線。 注意事

9、項：同一外磁場強度下輸出電壓的差值反映了材料的磁滯特性。,2.2GMR數(shù)字開關傳感器的磁電轉換特性曲線,原理：將GMR模擬傳感器與比較電路，晶體管放大電路集成在一起，就構成GMR開關（數(shù)字）傳感器，而比較電路當電橋電壓低于比較電壓時，輸出低電平。當電橋電壓高于比較電壓時，輸出高電平。選擇適當?shù)腉MR電橋并結合調節(jié)比較電壓，可調節(jié)開關傳感器開關點對應的磁場強度。 公式： 從50mA逐漸減小勵磁電流，輸出電壓從高電平（開）轉變?yōu)榈碗娖剑P）時記錄相應的勵磁電流，當電流減至0后，交換恒流輸出接線的極性，使電流反向。再次增大電流，此時流經(jīng)螺線管的電流與磁感應強度的方向為負，輸出電壓從低電平（關）轉變?yōu)?/p>

10、高電平（開）時記錄相應的負值勵磁電流。 應用：利用GMR開關傳感器的開關特性已制成各種接近開關，當磁性物體（可在非磁性物體上貼上磁條）接近傳感器時就會輸出開關信號。,3、用GMR模擬傳感器測量電流,原理：如圖，GMR模擬傳感器在一定的范圍內輸出電壓與磁場強度成線性關系，且靈敏度高，線性范圍大，可以方便的將 GMR 制成磁場計，測量磁場強度或其它與磁場相關的物理量。由于電流可以產(chǎn)生磁場，故可以用于測量電流。為了使GMR模擬傳感器工作在線性區(qū)，提高測量精度，還常常預先給傳感器施加一固定已知磁場，稱為磁偏置 公式：通有電流I的無限長直導線，與導線距離為r的一點的磁感應強度為： B = 0I/2r =

11、2 I10-7/r 。在r已知的條件下，測得B，就可知I。 以電流讀數(shù)（待測電流）作橫坐標，電壓表讀數(shù)（傳感器輸出電壓）為縱坐標作圖，分析不同磁偏置對靈敏度和磁滯的影響。 應用前景：不會對電路工作產(chǎn)生干擾，既可測量直流，也可測量交流,4、用GMR梯度傳感器測量齒輪的角位移,原理：將GMR電橋兩對對角電阻分別置于集成電路兩端，4個電阻都不加磁屏蔽，即構成梯度傳感器，如果磁場存在一定的梯度，各GMR電阻感受到的磁場不同，磁阻變化不一樣，就會有信號輸出。 將永磁體放置于傳感器上方，若齒輪是鐵磁材料，永磁體產(chǎn)生的空間磁場在相對于齒牙不同位置時，產(chǎn)生不同的梯度磁場。在齒輪轉動過程中,每轉過一個齒牙便產(chǎn)生

12、一個完整的波形輸出。 公式：將實驗儀4V電壓源接角位移測量組件“巨磁電阻供電”，角位移測量組件“信號輸出”接實驗儀電壓表。測量齒輪轉動輸出電壓變化2個周期時齒輪轉動度數(shù)與輸出電壓值。 應用前景：這一原理已普遍應用于轉速（速度）與位移監(jiān)控，在汽車及其它工業(yè)領域得到廣泛應用。,5、通過實驗了解磁記錄與讀出的原理。,原理：在當今的磁記錄領域，為了提高記錄密度，讀寫磁頭是分離的。寫磁頭是繞線的磁芯，線圈中通過電流時產(chǎn)生磁場，在磁性記錄材料上記錄信息。巨磁阻讀磁頭利用磁記錄材料上不同磁場時電阻的變化讀出信息。磁讀寫組件用磁卡做記錄介質，磁卡通過寫磁頭時可寫入數(shù)據(jù)，通過讀磁頭時將寫入的數(shù)據(jù)讀出來。 步驟：

13、驗儀的4伏電壓源接磁讀寫組件“巨磁電阻供電”， “電路供電”接口接至基本特性組件對應的“電路供電”輸入插孔，磁讀寫組件“讀出數(shù)據(jù)”接至實驗儀電壓表。 將磁卡插入，設置好寫入?yún)^(qū)域的“0” 或“1”，按“寫確認”鍵。為保證均勻磁化，寫確認時間可稍微長一些，并在區(qū)域內緩慢移動磁卡。 移動磁卡至讀磁頭處，根據(jù)刻度區(qū)域在電壓表上讀出電壓，記錄二進制數(shù)字與讀出電壓的關系,6、 測量自旋閥的磁電阻曲線,原理1：自旋閥結構的SV-GMR(Spin valve GMR)由釘扎層，被釘扎層，中間導電層和自由層構成，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換耦合作用下形成一個偏轉場，此偏轉場將被釘扎層的磁化方向固定，不隨外磁場改變。自由層使用軟鐵磁材料，它的磁化方向易于隨外磁場轉動。這樣，很弱的外磁場就會改變自由層與被釘扎層磁場的相對取向，對應于很高的靈敏度。 原理2：如果待測樣品電阻率較低，導線電阻和接觸電阻的影響變得突出，甚至比樣品電阻本身還要大，此時兩端法不再適用，應采用四端法。壓表V測量的電壓只是由待測樣品本身的電阻產(chǎn)生的，恒流 在導線電阻和接觸電阻上產(chǎn)生的電壓降沒有加到測量電壓表上，對測量不產(chǎn)生影響。