各向异性磁电阻、巨磁电阻测量-南京大学

1各向异性磁电阻测量南京大学一、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的过程相应的电阻变化。外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，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。即有∆𝜌∥=𝜌∥−𝜌(0)及∆𝜌⊥=𝜌⊥−𝜌(0)。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𝜌(0)与平均值𝜌𝑎𝑣=1/3(𝜌∥+2𝜌⊥)相等。大多数材料𝜌∥𝜌(0)，故∆𝜌∥𝜌𝑎𝑣=𝜌∥−𝜌𝑎𝑣𝜌𝑎𝑣0∆𝜌⊥𝜌𝑎𝑣=𝜌⊥−𝜌𝑎𝑣𝜌𝑎𝑣0∆𝜌⊥𝜌𝑎𝑣=12𝜌∥𝜌𝑎𝑣AMR常定义为AMR=𝜌∥−𝜌⊥𝜌0=∆𝜌∥𝜌0−∆𝜌⊥𝜌0如果𝜌0≠𝜌𝑎𝑣，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1是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显𝜌∥𝜌(0)，𝜌⊥𝜌(0)，各向异性明显。图中的双峰是材料的磁滞引起的。图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。图1Ni81Fe19薄膜的磁电阻曲线2图2一些铁磁金属与合金薄膜的AMR曲线，实线和虚线分别表示横向和纵向的磁电阻三、实验仪器亥姆霍兹线圈、电磁铁、特斯拉计、毫特斯拉计、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字微伏表、双路ADC数据采集卡及软件，计算机，四探针样品夹具。四、实验内容1、方法（1）将样品切成窄条，这在测AMR时是必需的。对磁性合金薄膜，饱和磁化时，样品电阻率有如下关系：𝜌(𝜃)=𝜌0+∆ρ𝑐𝑜𝑠2𝜃其中𝜃是磁场方向与电流方向的夹角。为保证电流有一确定方向，常用的方法是：①将样品刻成细线，使薄膜样品的宽度远远小于长度。②用平行电极，当电极间距远小于电极长度时，忽略电极端效应，认为两电极间的电流线是平行的。（2）用非共线四探针法测电阻值，如图3所示。这种方法当数字微伏表内阻很大时，可以忽略探针接触电阻的影响，已在半导体、铁氧体、超导体等的电测量中广泛使用。3图3四探针法示意图2、测量（1）将大功率恒流源与亥姆霍兹线圈连接。（2）将样品装上四探针夹具，并作如图3所示连接。（3）将装好样品的夹具固定在亥姆霍兹线圈中心，并确保电流方向与磁场方向平行。（4）将毫特斯拉计探头固定在样品附近。（5）确保所有仪器调整旋钮均在输出为零位置，启动所有测量仪器，预热5~15分钟，并作校准。（6）调整精密恒流源输出，使测量电流(流过样品的电流)为1~100mA范围内的某个确定电流，具体大小视样品情况与测量仪表精度决定。（7）调节大功率恒流源输出电流，从零开始，逐点增大，以改变磁场大小，逐点记录大功率恒流源输出电流值、毫特斯拉计显示的磁场大小、数字微伏表显示的电压值。注意开始时磁场变化的步距要小。（8）当磁场继续增大，微伏表显示电压值基本不变时，将大功率恒流源输出电流逐点减小，仍作上述记录。（9）当大功率恒流源输出电流降到零时，将输出极性反向。（10）再重复（7）（8）两步测量、记录。（11）将样品夹具转90°固定好，确保电流方向与磁场方向垂直，再重复（5）—（10）步测量、记录。（12）将手动测量记录的数据，绘制R−H曲线（横坐标为磁场大小，纵坐标为电阻大小）。（13）计算出𝜌𝑎𝑣，饱和磁化时间∆𝜌∥、∆𝜌⊥以及AMR。五、实验结果实验中通过样品的电流为6mA，将测量得到的电压值转化为电阻𝑅=𝑈𝐼。作得磁电阻R−H曲线如图4，图中虚线为当样品电流与外磁场相互平行时，测得的磁电阻与通过电磁铁的电流关系，实线为当样品当样品电流与外磁场相互垂直时，测得的磁电阻与通过电磁铁的电流关系。首先讨论样品电流与外磁场相互平行情形。图中虚线谷值为样品完全退磁时的电阻，即𝜌0，电阻随磁场变化趋于饱和值为样品的平行磁电阻，即𝜌||。对两个谷值和四个饱和值分别求平均，得4图4磁电阻R−H曲线当样品电流与外磁场互相垂直时，图中实线峰值为样品完全退磁时的电阻，即𝜌0，电阻随磁场变化趋于饱和值为样品的垂直磁电阻，即𝜌⊥。对两个峰值和四个饱和值分别求平均值，得可得该样品的AMR为：AMR=ρ∥−ρ⊥𝜌0=𝜌||̅̅̅𝜌0||̅̅̅̅̅−𝜌⊥̅̅̅𝜌0⊥̅̅̅̅̅𝜌𝑎𝑣=𝜌||̅̅̅+2𝜌⊥̅̅̅3=对于上述结果，分析如下：𝜌0=𝜌0∥̅̅̅̅+𝜌0⊥̅̅̅̅̅2=𝜌𝑎𝑣和𝜌0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。由图4可见，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2.2%，可见测量时间越长，由热效应引起的误差越大越不可忽略。样品的剩磁会使外磁场为零时的磁电阻并不对应于样品完全退磁时的电阻，因而磁电阻曲线会出现双峰或双谷。在理想情况下，双峰或双谷应关于原点对称，但在该实验中，双峰和双谷关于原点有明显的偏移，这可能由样品的磁滞回线不对称引起，也可能由仪器的系统误差引起。有一点需要注意，即样品退磁方向相同时，其磁电阻取极值的电磁铁电流总是相等的（电流增加时，磁电阻总是在0.70A左右取极值；电流减小时，磁电阻总是在-1.00A左右取极值），但由于样品在磁场中的取向已旋转了90°，因而更倾向于认为双峰或双谷关于原点的不对称性是由仪器的系统误差引起的。六、思考题1、测量AMR后计算出的ρav，𝜌0是否相同，如不同说明什么问题？答：不同，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、按前述步骤手动测出的磁电阻曲线与自动测出的磁电阻曲线有何异同，为什么？答：手动测出的磁电阻曲线相对于自动测出的磁电阻曲线有明显的基线漂移，即随着测5量时间的增加，测得的曲线明显向高电阻方向移动。原因在于手动测量时间长，电流通过样品产生的热效应不可忽略，样品温度有显著升高，使其电阻率明显变大。3、手动测量与自动测量时，如何更好地选取流过样品的测量电流大小？答：手动测量时，测量电流不应太大，否则热效应带来的影响过于突出；自动测量时，由于测量时间短，测量电流可以较大，以达到较好的实验精度。4、测量中如何减小热效应对测量的影响？答：（1）测量应尽量迅速；（2）测量时样品应处于良好通风环境中，保证散热通畅；（3）必要时可以采用有关的恒温设备。5、样品夹具采用材料有何要求？答：材料应该不具有铁磁性，在外加磁场的作用下，其磁性变化应越小越好。