巨磁电阻效应及其应用.pdf

实验42巨磁电阻效应及其应用人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。量子力学出现后德国科学家海森伯(W.Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用这个交换作用是短程的称为直接交换作用。后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介将最近的磁性原子的磁矩耦合起来这是间接交换作用。直接交换作用的特征长度为0.1—0.3nm间接交换作用可以长达1nm以上。1nm已经是实验室中人工微结构材料可以实现的尺度所以1970年之后科学家就探索人工微结构中的磁性交换作用。1986年德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔(PeterGrunberg)采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铬层实验中逐步减小薄膜上的外磁场直到取消外磁场发现膜两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。换言之对于非铁磁层铬的某个特定厚度没有外磁场时两边铁磁层磁矩是反平行的这个新现象成为巨磁电阻(Giantmagnetoresistance简称GMR)效应出现的前提。格伦贝格尔接下来发现两个磁矩反平行时对应高电阻状态平行时对应低电阻状态两个电阻的差别高达10%。1988年巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝·费尔(AlbertFert)的小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格也称为周期性多层膜。发现当改变磁场强度时超晶格薄膜的电阻下降近一半即磁电阻比率达到50%。他们把这个前所未有的电阻巨大变化现象称为巨磁电阻并用两电流模型解释这种物理现象。1990年IBM公司的斯图尔特·帕金(S.P.Parkin)首次报道了除铁-铬超晶格还有钴-钌和钴-铬超晶格也具有巨磁电阻效应。在随后的几年帕金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系。巨磁电阻效应表明电子自旋对于电流的影响非常强烈电子的电荷与自旋两者都可能载运信息。自旋电子学的研究和发展引发了电子技术与信息技术的一场新的革命。目前电脑音乐播放器等各类数码电子产品中所装备的硬盘磁头基本上都应用了巨磁电阻效应。利用巨磁电阻效应制成的多种传感器已广泛应用于各种测量和控制领域。2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻效应的发现者法国物理学家阿尔贝·费尔和德国物理学家彼得·格伦贝格尔。诺贝尔奖委员会说明:“这是一次好奇心导致的发现但其随后的应用却是革命性的因为它使计算机硬盘的容量从几百兆几千兆一跃而提高几百倍达到几百G乃至上千G。”本实验介绍多层膜GMR效应的原理并通过实验让学生了解GMR传感器的结构、特性及应用。【实验目的】1.了解GMR效应的原理。2.测量GMR的磁阻特性曲线。3.了解GMR模拟传感器的结构、特点采用GMR传感器测量电流。1【实验仪器】巨磁阻实验测试仪基本特性组件电流测量组件【实验原理】1GMR效应的原理根据导电的微观机理电子在导电时并不是沿电场直线前进而是不断和晶格中的原子产生碰撞（又称散射）每次散射后电子都会改变运动方向总的运动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自由程电子散射几率小则平均自由程长电阻率低。电阻定律R=ρl/S中把电阻率ρ视为常数与材料的几何尺度无关这是忽略了边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级只有几个原子的厚度时（例如铜原子的直径约为0.3nm）电子在边界上的散射几率大大增加可以明显观察到厚度减小电阻率增加的现象。电子除携带电荷外还具有自旋特性自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两种可能取向。早在1936年就有理论指出在过渡金属中自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。总电流是两类自旋电流之和;总电阻是两类自旋电流的并联电阻这就是所谓的两电流模型。在图1所示的多层膜结构中无外磁场时上下两层磁性材料是反平行（反铁磁）耦合的。施加足够强的外磁场后两层铁磁膜的方向都与外磁场方向一致外磁场使两层铁磁膜从反平行耦合变成了平行耦合。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。有两类与自旋相关的散射对巨磁电阻效应有贡献。其一界面上的散射。无外磁场时上下两层铁磁膜的磁场方向相反无论电子的初始自旋状态如