磁电阻测量实验报告南京大学

磁电阻测量实验报告南

京大学

Document serial number【KK89K-LLS98YT-SS8CB-SSUT-SST108】

南京大学物理系实验报告 题目 实验 各向异性磁电阻测量 姓名 朱瑛莺 2014年5月16日 学号

摘要

通过对磁性合金的各向异性磁电阻的测量，初步了解磁电阻的一些特性，同时掌握室温磁电阻的测量方法。

关键词：磁电阻，外磁场，磁滞，热效应 一、 引言

材料的电阻率随着外加磁场的不同而改变的现象就是磁电阻效应。我们把磁场引起的电阻率变化写成

其中(H)ρ和(0)ρ分别表示在磁场H 中和没有磁场时的电阻率。磁电阻的大小常表示为：

其中ρ可以是(H)ρ或(0)ρ，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（AMR ）。

此后人们陆续发现了，MR 很大的巨磁电阻（GMR ）效应和庞磁电阻（CMR ）效应，以及隧道结磁电阻（TMR ） 二、 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。 三、 实验原理

材料的磁电阻和其在磁场中的磁化方向有关，即磁阻值是其磁化方向与电流方向之间夹角的函数。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，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：

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，通常取：

对于大多数材料 >(0)ρρ，故：

如果0av ρρ≠，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。图-1是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni 81Fe 19的磁电阻曲线,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。 实验仪器

亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字万用表等。 实验注意事项

1、亥姆霍兹线圈中通的电流比较大，因而不能长时间让线圈工作在强电流下，以免烧毁线圈。所以读数时间需要控制，取样点不宜过多；

2、实验结束时要将各个电源归零，关闭数字万用表。

3、在记录过程中，在样品电压变化缓慢的区域，线圈电流可以变化的快一些，在样品电压变化快的区域，线圈电流要缓慢变化。每组取样点控制在60个左右。

4、有时数据有明显跳动，这样的点不能选取，需要寻找下一个读数稳定的点；

四、实验内容

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。

测量

1.测量Fe Ni

-薄膜的AMR

a.将大功率恒流源与亥姆霍兹线圈连接。

图-3

b.将样品装上四探针夹具，并作如图-3所示连接。

c.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。

d.将毫特斯拉计探头固定在样品附近。

e.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。

f.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。

g.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。

h.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。

i.当大功率恒流源输出电流降到零时，将输出极性反向。

j.再重复ｇ、ｈ两步测量、记录。

k.将样品夹具转90度固定好，确保电流方向与磁场方向垂直，再重复e-j步测量、记录。

五、实验结果与分析

电流与磁场方向平行：

记录的数据用origin作图如图-4：

图-4 平行磁场时电压与磁场变化关系图

由实验原理可知水平方向电流正比于磁场，而竖直方向电压正比于电阻率，所以上图可以看作是磁场与电流方向垂直时待测样品的AMR曲线。

当薄膜的面积大于探针间的距离时，金属薄膜的电阻率可以用下式给出：

其中d是薄膜的厚度，I是流经薄膜的电流，V式薄膜两探针之间的距离。在本实验中，I是恒定值I=6mA。而电压是实验中测得的值，因而电压与电阻率成正比，实验测得电压随磁场的变化与电阻率随磁场变化情况一样。

图中的两个谷值为和，取平均为，又电流为6mA,有：

06.642

R ==1.107

6

Ω。

图中的三个饱和值为,,,取平均为,有：

6.825

R ==1.1375

6

Ω。

电流与磁场方向垂直：

记录的数据用origin作图如图-5所示：

图-5 垂直磁场时电压与磁场变化关系图

同样，图中两个峰值为和,取其平均为。三个饱和值为,,,其平均值为。所以有：结合平行时的数据，有：

数据分析：

1、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。

2、其次我们发现第一次的峰值（谷值）总是比第二次的峰值（谷值）小，这是因为

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。由于第一次测量取点较多，时间较长，可以看出，其两次峰值的差也较多，与理论符合。

3、两次实验开始和最终的饱和电压值都不一样，这也有可能是因为磁滞的缘故还有

可能是因为材料在此电压下还没有能达到饱和状态。更大的影响也是因为存在焦耳热对电阻率的正作用，导致一定时间后电阻率增加。由于开始测量时热效应较微弱，电压值也较小，等一个周期的时间过去，热效应变大，回到起始点时电压值也变大。

4、从数据结果来说，在电流平行和垂直于磁场时，

ρ的值相差很小，说明数据峰谷的读数较为准确。我们在计算中用两次平均值的方式比较合理。

5、将实验结果带入

1

=( +2)

3

av

ρρρ

⊥

中有：