实验三（II)磁性薄膜的磁电阻测量 一.实验目的 1.了解目前广泛应用的磁电阻(MR),各向异性磁电阻(AMR)等基本概念和知识： 2.了解和掌握四探针法测量磁性薄膜磁电阻的原理和方法。 预习提示： 1.了解各种磁电阻的含义，掌握磁性薄膜各向异性磁电阻的测量方法和计算公式： 2.了解实验中所用的各实验仪器和测量电路，并了解所测物理量的量级及对测量仪 器精度的要求： 3.搞清楚实验过程和测量步骤： 二，实验原理 磁电阻(Magnetoresistance,MR)效应是指物质在磁场作用下电阻发生变化的现 象。按磁电阻效应的机理和大小，磁电阻效应一般可以分为：正常磁电阻(Ordinary MR,OMR)效应，各向异性磁电阻(Anisotropic MR,AMR)效应，巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,GMR)效应。 正常磁电阻效应存在所有金属中，来源于传导电子受到磁场的洛伦兹力作用作 回旋运动，从而使其有效的平均自由程减小所致。正常磁电阻MR可以用下式来计算。 MR=R(H)-R(0)x100%=(H)-P(0)x100% R(O) P(0) 式中R()(p()或R(O)(ρ(O))分别表示一定温度下，磁场强度为H或无外磁场时 金属的电阻（或电阻率）。 正常磁电阻效应的特点： 1)一般材料的磁阻值很小，大于零，并且很小，通常小于1%，例如在磁场为103T 时，Cu的正常磁电阻效应MR只有4×108%。 2)各向异性，p(90)>p(0)(p(90)和p(0)分别表示外加磁场与样品电流方向垂直 及平行时的电阻率) 3)当磁场不高时，MR正比于HP。 OMR来源于磁场对电子的洛仑兹力，该力导致载流子运动发生偏转或产生螺旋 51
51 实验三（II）磁性薄膜的磁电阻测量 一．实验目的 1．了解目前广泛应用的磁电阻(MR)，各向异性磁电阻(AMR) 等基本概念和知识： 2．了解和掌握四探针法测量磁性薄膜磁电阻的原理和方法。 预习提示： 1．了解各种磁电阻的含义，掌握磁性薄膜各向异性磁电阻的测量方法和计算公式； 2．了解实验中所用的各实验仪器和测量电路，并了解所测物理量的量级及对测量仪 器精度的要求； 3．搞清楚实验过程和测量步骤； 二．实验原理 磁电阻(Magnetoresistance，MR)效应是指物质在磁场作用下电阻发生变化的现 象。按磁电阻效应的机理和大小，磁电阻效应一般可以分为：正常磁电阻(Ordinary MR，OMR)效应，各向异性磁电阻(Anisotropic MR，AMR)效应，巨磁电阻(Giant Magnetoresistance，GMR)效应。 正常磁电阻效应存在所有金属中，来源于传导电子受到磁场的洛伦兹力作用作 回旋运动，从而使其有效的平均自由程减小所致。正常磁电阻 MR 可以用下式来计算。 100% (0) ( ) (0) 100% (0) ( ) (0) H R R H R MR 式中 R(H)((H)) 或 R(0)((0))分别表示一定温度下,磁场强度为 H 或无外磁场时 金属的电阻(或电阻率)。 正常磁电阻效应的特点： 1） 一般材料的磁阻值很小, 大于零，并且很小，通常小于 1%,例如在磁场为 10 -3T 时，Cu 的正常磁电阻效应 MR 只有 4×10 -8％。 2） 各向异性，(90 0) (0 0)（(90 0)和 (0 0)分别表示外加磁场与样品电流方向垂直 及平行时的电阻率） 3） 当磁场不高时，MR 正比于 H2。 OMR 来源于磁场对电子的洛仑兹力，该力导致载流子运动发生偏转或产生螺旋
运动，使电子碰撞几率增加，从而使电阻升高。 各向异性磁电阻效应(AMR效应)指在铁磁性的过渡族金属、合金中，即材料的 磁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。各向异性磁阻的电阻率随取向的变化满足： p()=p(90°)+[p(0)-p(90)]cos2中 式中，中、90°、0°为材料的磁化方向与其中电流方向的夹角。正是由于磁阻的各项 异性，因而可以被利用作为测定材料方位的一种手段。各向异性磁电阻效应的大小 通常用AMR来表示，即： AMR=P-p0)-p(90) Po 式中，P为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率。不过由于理想的退磁状态很难实 现，通常po近似等于平均电阻率，即P,≈D=PO)+p90) 仪器装置与电路： 由于铁磁金属薄膜的磁电阻很低，它的电阻率测量需要采用四端接线法。本实 验中采用四探针法，图1显示了四探针法测量铁磁金属薄膜磁电阻的原理图。磁性 薄膜样品上所加的磁场由亥姆霍兹线圈提供，磁场可从从零线性增加到180奥斯特， 磁场灵敏度可达到0.5奥斯特：样品放在位于线圈中心的样品台上，线圈可在360度 范围内绕样品旋转：四探针组件是由具有引线且被固定在一个架子上的四根探针组 成，相邻两探针的间距为3mm,探针针尖的直径约200微米；SBll8精密直流电压 电流源提供一个精密恒流源，它的输出电流在1微安(1微安=10-6安培)200毫安(1 毫安=103安培)范围内可调，具精度为土0.03%：PZ158A直流数字电压表具有6 位半字长、0.1微伏特电压分辨率的带单片机处理技术的高精度电子测量仪器，分 别具有200毫伏、2伏、20伏、200伏、1000伏的量程，其精度为土0.006%，为 亥姆霍兹线圈提供电流的HY1791-10S直流电源的输出电流在0~10安培，其精度 为土01%。 52
52 运动，使电子碰撞几率增加，从而使电阻升高。 各向异性磁电阻效应(AMR 效应)指在铁磁性的过渡族金属、合金中，即材料的 磁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。各向异性磁阻的电阻率随取向的变化满足： 0 0 0 2 ( ) (90 ) [ (0 ) (90 )]cos 式中，、90 0、0 0为材料的磁化方向与其中电流方向的夹角。正是由于磁阻的各项 异性，因而可以被利用作为测定材料方位的一种手段。各向异性磁电阻效应的大小 通常用 AMR 来表示，即： 0 0 0 (0 ) (90 ) AMR 式中，0为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率。不过由于理想的退磁状态很难实 现，通常0近似等于平均电阻率，即 3 (0 ) (90 ) 0 0 0 仪器装置与电路： 由于铁磁金属薄膜的磁电阻很低，它的电阻率测量需要采用四端接线法。本实 验中采用四探针法，图 1 显示了四探针法测量铁磁金属薄膜磁电阻的原理图。磁性 薄膜样品上所加的磁场由亥姆霍兹线圈提供，磁场可从从零线性增加到 180 奥斯特， 磁场灵敏度可达到 0.5 奥斯特;样品放在位于线圈中心的样品台上，线圈可在 360 度 范围内绕样品旋转；四探针组件是由具有引线且被固定在一个架子上的四根探针组 成，相邻两探针的间距为 3mm，探针针尖的直径约 200 微米；SBll8 精密直流电压 电流源提供—个精密恒流源，它的输出电流在 1 微安(1 微安=10 -6安培)～200 毫安(1 毫安=10 -3 安培)范围内可调，具精度为土 0．03％：PZ158A 直流数字电压表具有 6 位半字长、0．1 微伏特电压分辨率的带单片机处理技术的高精度电子测量仪器，分 别具有 200 毫伏、2 伏、20 伏、200 伏、1000 伏的量程，其精度为土 0．006％， 为 亥姆霍兹线圈提供电流的 HYl791-10S 直流电源的输出电流在 0～10 安培，其精度 为土 0.1％
恒流源h 电流 四探针 薄膜 四探针法测量铁磁金属薄膜磁电阻原理图 三.实验仪器与样品 1.亥姆霍兹线圈， 2.四探针组件， 3.HY1791-10S直流电源， 4.SB18精密直流电压电流源， 5.PZ158A直流数字电压表 6.不同沉积条件制备的NiFe薄膜和NiFe/Cu/NiFe三层薄膜样品。 四.实验测量与数据处理： (一)、测量NFe薄膜的磁电阻 1.打开HY1791-10S直流电源、SB18精密直流电压电流源和PZ158A直流数 字电压表的开关，预热15分钟。 2.把四探针引线的端子分别正确地插入相应的SB18精密直流电压电流源的 “电流输出”孔和PZ158A直流数字电压表的“输入”孔中。注意电流的方向和电 位的高低关系。 3.认真观察薄膜样品，确定具有薄膜的一面。 4.调整样品台的高低，使样品台表面恰在两个亥姆霍兹线圈的中心，以保证样 品处于均匀磁场中。 5.把样品放在样品台上，使具有薄膜的一面向上。拧动四探针架上的螺丝，让 四探针的针尖轻轻接触到薄膜的表面，把四探针架固定在样品台上，使四探针的所 53
53 d 恒流源 V 四探针 薄膜 四探针法测量铁磁金属薄膜磁电阻原理图 电流 三．实验仪器与样品 1．亥姆霍兹线圈， 2．四探针组件， 3．HYl791-10S 直流电源， 4．SBll8 精密直流电压电流源， 5．PZ158A 直流数字电压表 6．不同沉积条件制备的 NiFe 薄膜和 NiFe/Cu/NiFe 三层薄膜样品。 四．实验测量与数据处理： （一）、测量 NiFe 薄膜的磁电阻 1．打开 HYl791-10S 直流电源、SBll8 精密直流电压电流源和 PZ158A 直流数 字电压表的开关，预热 15 分钟。 2．把四探针引线的端子分别正确地插入相应的 SBll8 精密直流电压电流源的 “电流输出”孔和 PZ158A 直流数字电压表的“输入”孔中。注意电流的方向和电 位的高低关系。 3．认真观察薄膜样品，确定具有薄膜的一面。 4．调整样品台的高低，使样品台表面恰在两个亥姆霍兹线圈的中心，以保证样 品处于均匀磁场中。 5．把样品放在样品台上，使具有薄膜的一面向上。拧动四探针架上的螺丝，让 四探针的针尖轻轻接触到薄膜的表面，把四探针架固定在样品台上，使四探针的所
有针尖与薄膜有良好的接触。 注意事项： )在拧动四探针架上的铜螺柱时，用手扶住四探针架，不要让四探针在样品表面 滑动，以免探针的针尖滑伤薄膜。 在拧动四探针支架上的铜螺柱时，不要拧得过紧，以免四探针的针尖严重刺伤样品 薄膜，只要四探针的所有针尖同样品薄膜有良好的接触即可。 6.使用SBI8精密直流电压电流源中的电流源部分，适当选扦“量程选择”的 按键以及适当调节“电流调节”的“粗调”和“细调”旋钮。 7.在样品上施加一个与磁场平行的恒定电流，并使磁场从零慢慢增大，测量不 同磁场下对应样品电压值，直到磁电阻不再增加（即达到饱和）为止，再将磁场慢慢 降为零，测量不同磁场下对应的电压值。然后让磁场反向，重复以上操作。 注意：保证磁场线圈电流调节的单调性。 8.在样品上施加一个与磁场垂直的恒定电流，重复以上的测量。 注意：在选择电流值时，最大的电流仙对应的电压值不能超过5毫伏，以免流 过薄膜的电流太大导致样品发热，从而影响测量的准确性。 注意：换测量样品时，一定要把恒流源的电流凋为零。 (二)数据处理： 1.将测量时所用的亥姆霍兹线圈电流值换算为相应的磁场数值。 2.分别将磁场与电流平行时以及磁场与电流垂直时测得的电压随磁场的变化值 输入计算机并整理，根据测出的电压值计算出所测NFe薄膜样品在不同磁场下的电 阻，再算出其电阻率。 3.分别将磁场与电流平行时以及磁场与电流垂直时测得的薄膜电阻随磁场的变 化进行整理，计算所测薄膜的磁电阻(MR)和各向异性磁电阻(AMR): 4.画出铁磁金属NFε薄膜的磁电阻(MR)和各向异性磁电阻(AMR)随磁场变化 的曲线： 讨论： 1.分析磁电阻随磁场变化的规律，并通过分析给予解释。 2.分析平行磁电阻与垂直磁电阻随磁场变化的特点，理解它们的关系与差别。 54
54 有针尖与薄膜有良好的接触。 注意事项: a) 在拧动四探针架上的铜螺柱时，用手扶住四探针架，不要让四探针在样品表面 滑动，以免探针的针尖滑伤薄膜。 在拧动四探针支架上的铜螺柱时，不要拧得过紧，以免四探针的针尖严重刺伤样品 薄膜，只要四探针的所有针尖同样品薄膜有良好的接触即可。 6．使用 SBll8 精密直流电压电流源中的电流源部分，适当选扦“量程选择”的 按键以及适当调节“电流调节”的“粗调”和“细调”旋钮。 7．在样品上施加—个与磁场平行的恒定电流，并使磁场从零慢慢增大，测量不 同磁场下对应样品电压值，直到磁电阻不再增加(即达到饱和)为止，再将磁场慢慢 降为零，测量不同磁场下对应的电压值。然后让磁场反向，重复以上操作。 注意：保证磁场线圈电流调节的单调性。 8．在样品上施加—个与磁场垂直的恒定电流，重复以上的测量。 注意：在选择电流值时，最大的电流仙对应的电压值不能超过 5 毫伏，以免流 过薄膜的电流太大导致样品发热，从而影响测量的准确性。 注意：换测量样品时，一定要把恒流源的电流凋为零。 （二）数据处理： 1．将测量时所用的亥姆霍兹线圈电流值换算为相应的磁场数值。 2．分别将磁场与电流平行时以及磁场与电流垂直时测得的电压随磁场的变化值 输入计算机并整理，根据测出的电压值计算出所测 NiFe 薄膜样品在不同磁场下的电 阻，再算出其电阻率。 3．分别将磁场与电流平行时以及磁场与电流垂直时测得的薄膜电阻随磁场的变 化进行整理，计算所测薄膜的磁电阻(MR)和各向异性磁电阻(AMR)； 4．画出铁磁金属 NiFe 薄膜的磁电阻(MR)和各向异性磁电阻(AMR)随磁场变化 的曲线； 讨论： 1．分析磁电阻随磁场变化的规律，并通过分析给予解释。 2．分析平行磁电阻与垂直磁电阻随磁场变化的特点，理解它们的关系与差别
3.比较不同基片温度的NFe薄膜磁电阻（包括MR和AMR)的测量结果，你得 到了那些结论？并加以分析和解释。 4.为了获得准确的实验结果，在实验中须汁意哪些因素？，它们带来的误差是 系统还是偶然误差？影响程度如何？如何定量估计？如何避免或尽量减小？ 思考题： 1.什么是磁饱和？什么是磁滞效应？你在实验中是否观察到了磁滞效应。 2.为什么测量薄膜磁性时要强调磁场电流的单调性，更不能在同一点反向测量？ 结论： 通过对实验现象和实验结果的分析，你能得到什么结论？ [研究性题目] 选择适当的样品，研究NF薄膜厚度对薄膜磁电阻的影响。 选择适当的样品，研究薄膜衬底对薄膜磁电阻的影响。 线圈磁感应强度B和线圈励磁电流I的关系 H=35.156*I R2=0.9999 (0)H 2 3 5 I(A) 55
55 3．比较不同基片温度的 NiFe 薄膜磁电阻(包括 MR 和 AMR)的测量结果，你得 到了那些结论？并加以分析和解释。 4．为了获得准确的实验结果，在实验中须汁意哪些因素?，它们带来的误差是 系统还是偶然误差？影响程度如何?如何定量估计?如何避免或尽量减小? 思考题： 1．什么是磁饱和？什么是磁滞效应？你在实验中是否观察到了磁滞效应。 2．为什么测量薄膜磁性时要强调磁场电流的单调性，更不能在同一点反向测量？ 结论： 通过对实验现象和实验结果的分析，你能得到什么结论? [研究性题目] ． 选择适当的样品，研究 NiFe 薄膜厚度对薄膜磁电阻的影响。 选择适当的样品，研究薄膜衬底对薄膜磁电阻的影响