各向异性磁电阻的测量

各向异性磁电阻的测量
摘要：磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象，磁性导体的电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻，简记为AMR 。

本文阐述了各向异性磁电阻（AMR ）的物理意义及测量方法，并测定了Fe-Ni 薄膜的AMR 。

关键词：磁电阻，AMR ，Fe-Ni 薄膜
1. 引言
一般磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。

通常将磁场引起的电阻率变化写成Δρ=ρ（H ）-ρ（0），其中ρ（H ）和ρ（0）分别表示在磁场H 中和无磁场时的电阻率。

磁电阻的大小常表示为：
其中ρ可以是ρ（0）或ρ（H ）。

绝大多数非磁性导体的MR 很小，约为%105-，磁性导体的MR 最大为3%~5%，且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻，简记为AMR 。

2. 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过程的相应的电阻变化。

外加磁场与电流方向的夹角不同，饱和磁化时的电阻率不一样，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)0(////ρρρ-=∆和）（0-ρρρ⊥⊥=∆。

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）（0ρ与平均值)2(3/1//⊥+=ρρρav 相等。

大多数材料)0(//ρρ>，故
AMR 通常定义为
如果av ρρ≠0，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10.1 - 3是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的1981Fe Ni 的磁电阻曲线，很明显
)0(//ρρ>，)0(ρρ<⊥，各向异性明显。

图中双峰是材料的磁滞引起的。

图10.1 - 4是一
些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。

3.实验仪器
亥姆霍兹线圈，电磁铁，大功率恒流电源，大功率扫描电源，精密恒流源，数字微伏表，四探针样品夹具
4.实验内容
一、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:
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，如下图所示。

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。

二、测量
测量Fe-Ni薄膜的AMR：
(1) 将样品垂直于磁场方向摆放；
(2) 打开电源，将精密恒流源调至6 mA，给样品通过恒定电流；
(3) 将大功率恒流电源输出电流调至6.00 A，使电磁铁产生磁场；
(4) 逐步单向调整大功率恒流电源输出电流至-6.00 A，在此过程中注意找极值点，随时调整电流变化步长，记录调整过程中稳定的电流值和相应的微伏表的电压值；
(5) 反向调整大功率恒流电源输出电流由-6.00 A至6.00 A，同上记录数据；
(6) 将样品平行于磁场方向放置，重复(3)~(5)，记录数据；
(7) 将所有恒流源输出调至零，关闭电源。

5.实验数据处理与分析
(1) 当样品电流与外磁场相互垂直时，U-I曲线为：
(2) 当样品电流与外磁场相互平行时，U-I 曲线为：
(3)计算样品的AMR
当电源电流按照6A — -6A — 6A 变化时，不论电流方向与磁场方向垂直还是平行，图像都会出现双峰，且峰值没有与零点重合，这是由于材料的磁滞现象引起的。

由于电流I 保持不变，为6mA ，电压V 的变化亦为电阻R 的变化。

对于给定的合金材料，在测量中，忽略温度导致的线度改变，可以认为电阻率变化的比值与电阻变化的比值相等同。

因此R-H 曲线亦可用U-I 曲线表示。

电流与磁场垂直时，峰值为样品完全退磁时的电阻，即0R ，对应0U ；电阻随磁场变化趋于的稳定值为样品的垂直磁电阻，即⊥R ，对应⊥U 。

电流与磁场平行时，谷值为样品完全退磁时的电阻，即0R ，对应0U ；电阻随磁场变化趋于的饱和值为样品的平行磁电阻，即//R ，对应//U 。

从而可以求得，0U =6.7285mV ，⊥U =6.585mV ，//U =6.97mV 。

相应地就有，ρ0=1.121Ω，ρ⊥=1.098Ω，ρ//=1.162Ω。

继而我们可以算出，ρav =1.119Ω，Δρ//=0.041Ω，Δρ⊥=0.023Ω，AMR =5.72%
6思考题
1. 测量AMR 后计算出的av ρ，）（0ρ是否相同，如不同说明什么问题？
答：由数据分析中计算出的值可知，av ρ，）（0ρ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，而是各向异性的。

4.测量中如何减小热效应对测量的影响？
答：1.对测量装置做好散热措施
2.尽可能减小测量时通过样品的电流
3.尽量在较短的时间内完成实验
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。

7.参考文献
[1]黄润生，沙振舜，唐涛等，近代物理实验（第二版），南京大学出版社，2008.
8.附录
实验原始数据：
1.当样品电流与外磁场相互垂直，6A—-6A
2.当样品电流与外磁场相互垂直，-6A—6A
3.当样品电流与外磁场相互平行，6A—-6A
4.当样品电流与外磁场相互平行，-6A—6A。