巨磁电阻效应及其应用
【思考题】
１什么是磁电阻效应和巨磁电阻效应?巨磁电阻效应的发现对物理学和技术应用有什么重要贡献?
2为什么铁磁材料中电子散射与电子自旋状态有关?
３为什么非磁性层的厚度会影响巨磁电阻效应大小？用RＫＫY理论理解此现象。
4如何用双电流模型解释磁性多层膜的巨磁电阻效应?该模型除解释巨磁电阻效应外还有哪些应用?
５磁性多层膜与自旋阀磁电阻在薄膜结构、性能与应用方面有什么不同?
6磁硬盘记录的原理是什么?为什么磁电阻的应用能大大提高磁记录的密度和读写速度？
7将多层膜制成ＧMR元件时一般将其几何结构光刻成微米宽度迂回形状,目的是什么? 8将GMR元件用作传感器时,采用桥式电路有什么好处?
9在GMR桥式电路中，有时在电桥对角位置的两个电阻表面加磁屏蔽,有时不加，其原因是什么？
10如何提高GMR传感器的灵敏度?如何用磁电阻效应测量导线中的电流?
11对磁性样品测量应注意哪些问题?为什么先将样品磁化到饱和再进行测量?如何判断样品已经被磁化到饱和状态？
１２你认为巨磁电阻效应的发现者能获得诺贝尔物理学奖的理由是什么?
13如果你自己要制备一个有巨磁电阻效应的磁性多层膜,薄膜结构应满足那些条件？
【引言】
2007年12月1０日,法国物理学家阿尔贝·费尔(Ａlbeｒt Ferｔ）和德国物理学家彼得·格伦贝格（Pｅtｅｒ Cｒünbeｒg)分别获得了一枚印着蓝白红标志的２007年诺贝尔物理奖章,他们各自独立发现的巨磁阻效应(gｉant maｇｎeｔoresｉsｔance，ＧMR）[1，２］。
早在一百多年前, 人们对铁磁金属的输运特性受磁场影响的现象,就做过相当仔细的观测。莫特的双电流理论，把电子自旋引入对磁电阻的解释，而巨磁电阻恰恰是基于对具有自旋的电子在磁介质中的散射机制的巧妙利用。
目前巨磁电阻传感器已应用于测量位移、角度等传感器、数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器等很多领域，与光电等传感器相比,它具有功耗小，可靠性高,体积小,能工作于恶劣的工作条件等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器(MRAM),其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器。巨磁电阻薄膜材料的广泛应用, 也是纳米材料的第一项实际应用, 它使得人们对磁性尤其是纳米尺寸的磁性薄膜介质之输运特性的研究有了突飞猛进的发展,由此带来计算机存储技术的革命性变化，从而深刻地改变了整个世界。
【实验目的】
通过纳米结构层状薄膜的巨磁电阻效应及不同结构的GMＲ传感器特性测量和自旋阀磁电阻测量,了解磁性薄膜材料和自旋电子学的有关知识，并由磁电阻和巨磁电阻的历史发展, 及关键人物解决问题的思想方法，认识诺贝尔物理奖项目巨磁电阻的原理、技术,和对科学技术发展的重要贡献。体会实验的设计与实施，理解其原理和方法，体验科学发现的精髓与快乐,促进学生逐步形成系统的物理思想，期望由此启发学生对物理科学和高新技术的浓厚兴趣。
【实验原理】
一磁电阻与巨磁电阻效应
磁电阻ＭR（magｎetｏ-resiｓtaｎce 的缩写符号）效应是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。磁电阻效应按磁电阻值的大小和产生机理的不同可分为：正常磁电阻效应（Or ｄiｎarｙＭR: OMR)、各向异性磁电阻效应(Anｉｓotropic MＲ: AMR)、巨磁电阻效应（giant MＲ: GＭＲ)和庞磁电阻效应（Colosｓal MR：ＣMR)等。
表征磁电阻效应大小的物理量为MR,其定义有两种,分别为：
（1）
式中R (0）为外加磁场为零时样品电阻,R (Ｈ ）为不同外加磁场下样品电阻，R ( H s )为外加磁场使薄膜磁化饱和时样品的电阻。第一种定义的磁电阻比率低于100%，认为电阻的变化起源于反铁磁性的电阻,缺点是Ｈ = 0时并不总是完全反铁磁耦合态。第二种定义认为电阻的变化起源于铁磁态电阻,更常用于计算。
巨磁电阻效应是指在一定的磁场下材料电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。为了强调磁电阻的显著变化，在 “磁电阻”之前加上“巨”(“gi ａｎt”）,称为“巨磁电阻”（“GMR”）。
巨磁电阻效应是在1988年由 A. Fert
研究团队的Baibich 等人和 Grunberg
团队的 Binash 等人同时发现。两个团队
都是利用分子束外延分别生长Fe/Ｃr
超晶格和 Fe/Ｃr/F ｅ三层膜系统,当邻
近两层 Ｆｅ 层的磁化方向随外加磁场
由反平行转变为平行状态时，薄膜电阻迅
速下降的现象。图 1 是B ａi ｂi ｃh 等人
所观察到 Ｆe ／Cr 超晶格在 4.２ K
下电阻随磁场的变化关系。由于该电阻下
降的值非常明显，被称为巨磁电阻效应。之后人们在F ｅ/Cu ，Ｆe/Al,Ｆｅ/Ａl,Fe/Ａｕ,Co/Cu ，C ｏ/A ｇ 和Co ／A ｕ 等很多纳米结构的多层膜中都观察到显著的巨磁阻效应。
注意到图 1 中非磁性层的厚度对巨磁电阻效应有明显的影响。P ａrkin 等人在 1９９０ 年观察到F ｅ/Ｃｒ 多层膜中,MR 值随相邻磁性层的交换耦合而变化[3]。交换耦合是指两种不同的磁性材料彼此密切接触,或被一个足够薄的层（一般小于 ６ n ｍ)分隔，自旋信息可以在两种磁性材料间传递，使它们的磁矩有一优先的相对取向。若它们的自旋方向相同，为铁磁性耦合,若其自旋方向相反,则为反铁磁性耦合。在磁性多层膜中，只有当 Cr 层厚度使零磁场时相邻磁性层成反
[][]002001100)()()(100)0()()0(?-=?-=S S H R H R H R MR R H R R MR 图1 A. Fert 小组制备的3个Fe/Cr 超晶格在 温度为4.2K 时的磁电阻曲线
铁磁性耦合，磁电阻达最大值。如果非磁性隔层的厚度比平均电子自由程大得多时,GMR效应会消失。之后Pａｒkｉn 等系统研究了以3d 金属 Fe, Co, Ｎi 及其合金作为铁磁层（FM) 层的ＦM/NM/FM 结构( 其中 NM 为非磁性层)多层膜中非磁性层厚度对巨磁电阻效应的影响。发现当改变非磁性层厚度时,相邻铁磁层间交换耦合存在长程振荡效应，而且这种经过非磁性 NM 层的交换耦合随NM 层厚度的变化而振荡的现象被证明是普遍的。图２为不同温度制备的三种 Fe／Ｃr 结构系统中 GMR 比率随着铬层厚度的变化曲线[３]。
图 2不同温度制备的三种Fe/Cr结构系统中GMR比率
（4.5 K）随铬层厚度的变化 ( S.S. Parkin et al )
为什么被非磁性隔开的磁性多层膜系统具有巨磁电阻效应？为什么非磁性层的厚度会影响磁
性层之间的交换耦合?要理解这些现象,就需要了解铁磁材料中与电子自旋相关的散射、莫特的双电流模型理论和 RKKY 交换作用。
二巨磁电阻效应的物理起源及理论解释
1 物质磁性对电阻的影响
电阻的本质是电子在物体中运动时受到散射。导电材料电阻率的大小是由其中自由电子的平均自由程决定的。材料中自由电子的平均自由程越短，其电阻率越大；反之,自由电子的平均自由程越长，材料的电阻率越小。
要讨论铁磁性对电阻的影响，必须引入电子自旋的概念。作为费米子,电子可以取正负1/２
两种自旋。典型的铁磁物质为过渡族元素，例如铁、锰、钴。这些元素的3d 电子壳层都未填满,它们的自旋取向服从洪德定则，即总自旋值（所有电子自旋之和）在泡里原理允许的条件下，取最大值。例如锰有５个 3d 电子，正好填充3d 壳层的一半,他们都会取正1/2 自旋。这样就会空出另外5 个负1／2 自旋的电子态。注意所谓正负取向,是针对一个参照体系而言。在有外加磁场时，这个磁场就是参照方向。磁化，就是 3ｄ电子的自旋沿磁场取向。
铁磁金属晶体的原子磁矩来自其未满 d 壳层电子的自旋,价电子为传导电子，均匀分布于晶体中，并可以在整个晶体中传播。 d 电子把材料磁性与电子的输运性质联系起来,空ｄ态可被与 d 轨道上电子自旋方向相反的 4ｓ传导电子暂时占据,导致一个与电子自旋相关和轨道角动量相关的散射过程。铁磁材料中承担输运的 4s 电子正(负） 1/2 自旋各占一半，因为泡利不相容原理和洪特规则,只有某些特定自旋的传导电子有很大的几率弛豫到3ｄ壳层的负(正)１/２自旋态，而3d 电子被束缚于原子处，不参与导电,所以这个弛豫过程,使自由电子变成了束缚电子, 就成为磁性材料中一种重要的散射机制而影响电阻率。铁磁材料中4ｓ传导电子向３d 局域态的弛豫，称为磁散射或s – d 散射。
在铁磁材料中，电阻率有三部分的贡献,分别源于杂质缺陷r，晶格振动Ｌ(T), 和磁散射M（T), 表示为：
(T) =r ＋L(T）＋M(T）（2)
2 N. Ｆ. Ｍott 理论和磁性多层膜巨磁电阻的理论解释
巨磁电阻效应是由于不同自旋极化电子具有不同电传输行为所产生，这种不同性首次在1936年被Motｔ观察到［4]。在一般非磁性材料中,不同自旋方向的传导电子在传输过程中是无法分辨的。铁磁性金属材料在足够低温下,电子自旋弛豫长度(即移动中电子自旋方向保持不变的距离）远远大于平均自由程，因此在讨论电子输运过程时，假定散射过程中移动的电子自旋方向保持不变是合理的。于是将铁磁金属材料中电子按自旋取向分成两类处理，与本体材料磁化方向平行与反平行的自旋电子在传输过程是可以分辨的,且平行与反平行自旋通道以并联方式贡献电导率，此效应称为双电流模型(ｔｈe ｔｗo-current mｏdel)。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。
ＧMＲ效应的物理起源为电子自旋对电子在铁磁性材料中传导过程的影响。Motｔ提出由于铁磁性材料中自旋能带的分裂,导致不同自旋的电子有不同的传导行为。过渡金属中的电导率 = ｎe２/ｍ，其中表示自旋向上或向下,ｎ为费米能级上电子态密度,为自旋弛豫时间，ｍ
为有效质量。与费米能级上电子状态有关。费米能级上有两类电子:一类是巡游性强的s 电子,它的能带宽，有效质量接近自由电子；另一类是比较局域的 d 电子，其能带窄，有效质量大于自由电子,所以,电流主要由ｓ电子传递。但是,s 电子态密度远小于 d 电子。因此，ｓ-s 电子间散射可以忽略；s-d 电子间散射过程才是主导的机制。因为铁磁金属 d 电子的两种自旋取向的电子数目不等,散射过程必须保证自旋守恒,所以 s-d 电子散射过程就与电子间自旋的相对取向有关,这个过程称为自旋极化的电子输运过程。这就是1936年N．F.Mott提出的过渡金属电子输运的物理模型。
在Ｎ.F.Mott与H．Jｏｎｅｓ合著的名著“Tｈe Ｔｈeorｙof tｈｅｐｒoperｔieｓ of Ｍeｔaｌs and Alloys”中, 即用上述物理模型解释过渡金属的电导率[5］：“我们对过渡金属的电
导率有了如下认识：电流由s 电子传递,其有效质量近于自由电子。然而电阻则取决于电子从s 带跃迁到d 带的散射过程。因为跃迁几率与终态态密度成正比，而局域性的d 带在费米面上态密度是很大的,这就是过渡金属电阻率高的原因。”“这种 s-ｄ散射率取决于s 电子与 d 电子自
旋的相对取向。” A . Ｆeｒt 在发现GMＲ效应的论文[2]中引述了Motｔ的上述理论来解释他所观察到的巨磁电阻效应，之后Ｍott理论成为巨磁电阻和相关效应的物理基础。
按照Mｏtt的双电流模型，传导电子分为自旋向上和自旋向下的电子,多层膜中非磁性层对这两种状态的传导电子的影响是相同的,而磁层的影响却完全不同。当相邻铁磁层反平行时,如果ｓ电
子的自旋与第一铁磁层中局域 d 电子的自旋平行,则几乎不受散射，但它与相邻铁磁层中局域d
电子的自旋反平行，就受到强烈的散射（即填充到空置的与自己自旋相同的态)。所以两相邻磁层
的磁矩方向相反时，两种自旋状态的传导电子, 或者在第一个磁层即因磁矩与之相反而到强烈散射, 或者在穿过磁矩与其自旋方向相同的磁层后,必然在下一个磁层处遇到与其方向相反的磁矩，并受
到强烈的散射作用，这样两种自旋态的电子分别在某一层受到强散射，宏观上表现为高电阻状态(图３-１);如果施加足够大的外场,使得磁层的磁矩都沿外场方向排列（图3-2)，则自旋与其磁矩
方向相同的电子受到的散射小,只有方向相反的电子受到的散射作用强，宏观上表现出低电阻状态。图３-1和图 3-2中右侧的图表示对应高阻态和低阻态的等效电路图。
图3－1 零磁场时传导电子的运动状态
图 3-２磁场使磁性层磁化饱和时传导电子的运动状态
巨磁电阻起因是建立在电子自旋保持不变(不发生反转)的前提下,若存在自旋反转，巨磁电阻效应将很大减弱。因而,磁电子学或自旋电子学的器件的特征长度应该小于自旋扩散长度,才能保证有效工作。自旋扩散长度通常在几十到几百纳米范围,因具体材料而不同。半导体的自旋扩散长度比金属的要长,磁性杂质和磁有关的元激发容易导致自旋反转和自旋扩散长度减小，由此可以理解自旋输运和巨磁电阻的概念和纳米结构是紧密相关的。
3 RＫKY交换作用
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,1９３2年诺贝尔奖得主)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，其来源是相邻原子波函数存在着电子交换而引起的能量,称为交换积分，通常用Ｊ表示。只有当当两原子靠近,电子云有交叠时才有不等于零的交换积分J，因此这个交换作用是短程的,称为直接交换作用。一般只能发生在固体中的最近邻原子之间，直接交换作用的特征长度为0．1—０．３nｍ。若Ｊ> ０，存在交换作用的电子自旋平行排列时系统能量低,表现为铁磁性。若 J ＜ 0，则电子自旋反平行时系统能量低,表现为反铁磁性。
后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物
具有反铁磁有序状态,即在有序排列的磁材料中,相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如图 4 所示。磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔（L. E. F. Neeｌ)因为系统地研究反铁磁性而获19７0年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为,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。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来。局域电子之间通过传导电子作媒介产生间接交换作用的机制由 R ｕｄermａｎ，Kｉttel, Kaｓuｙa 和Ｙosida 各自独立建立的模型来描述，通常被称为ＲKKY 模型。
由于局域电子与传导电子的交换作用，使局域电子所在处及其周围自旋向上的电子密度与自旋向下的电子密度不同，导致传导电子的自旋产生极化。传导电子在空间的自旋极化由两种自旋的电子密度差决定。若以磁性原子为中心，距离磁性原子R 处两种自旋电子的密度差用(Ｒ) = ( R ) - ( R )表示。RKＫＹ交换模型给出［6］:
(3)
其中为自旋向上和向下的电子浓度,
（４)
这个方程描述了传导电子自旋密度从源点随距离变化的阻尼振荡。在距离较大时可近似为：
(５)
图 5 给出两种自旋的密度差随离开中心局域电子距离的
变化［７]。由此可见，如果以局域电子为中心，传导电子的自
旋极化随距离的变化振荡式衰减,这是一种长程振荡过程。产生
这种振荡自旋极化的势能是中心磁性粒子定域化的磁矩，它与
传导电子自旋相关的交换作用 J 对自旋向上和向下电子有不
同影响。中心磁性原子的局域电子使其周围的传导电子产生自
旋极化,自旋极化的传导电子又会和邻近磁性原子中的局域电
图 5 RKKY交换作用示意图
子发生波函数重叠,产生直接交换作用。这种直接交换积分为一正值，所以参与直接交换作用的两个电子的自旋应平行取向。于是第二个磁性原子中局域电子自旋的方向便由其所在位置决定：当它的位置在 为正的范围内时，它的自旋向上,与第一个磁性原子中的局域电子的自旋方向相同,
表现为铁磁性;反之，当它的位置在 为负的范围内时，它的自旋方向向下,与第一个磁性原子
中的局域电子自旋的方向相反，表现为反铁磁性。这就是R ＫＫY 交换作用的基本物理过程[7］。
RKK Ｙ交换作用有两个最重要的特点:（１）交换耦合作用是长程的。耦合长度远大于直接交换作用要求的波函数直接叠交的原子间距;(２）原子间距相对于传导电子自旋密度周期分布的微小变化可能使间接交换强度发生大的变化甚至改变符号。因此ＲKKY 相互作用随原子间距变化可以产生铁磁性、反铁磁性的自旋有序极化。
从R ＫKY 交换作用和双电流模型分析呈现巨磁电阻效应的纳米磁性多层膜,很容易理解非磁性层的厚度对巨磁电阻效应的影响。磁性层间的交换耦合作用随层间间距即非磁性层厚度而出现震荡衰减，导致巨磁电阻效应随非磁性层厚度出现震荡衰减现象。
4 自旋阀磁电阻
多层膜ＧM Ｒ结构简单，工作可靠,磁阻随外磁场线性变化的范围大,在制作模拟传感器方面得到广泛应用。在数字记录与读出领域，为了使G ＭR 材料的饱和磁场( H ｓ) 降低, 人们除了采用降低耦合强度及选用优质软磁作为铁磁层等途径外,还提出了非耦合型夹层结构。 1991 年,B. D ｉeny 利用反铁磁层交换耦合,提出了自旋阀结构[8] ,并首先在(NiFe/ Cu/ NiF ｅ／ ＦeMn ） 自旋阀中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。
自旋
阀
是
MR 效应的一个具体应用。它由一个非磁性导体分隔两个磁性层。与常很强的反铁磁交换作用相比,自旋阀的磁性层不耦合或弱耦合。因此，可以使磁电阻在几十个奥斯特而不是几千个奥斯特的磁场中发生变化。
自旋阀结构的SV －GMR(Ｓｐｉn v ａlve GMR)由钉扎层,被钉扎层,中间导电层和自由层构成,
自由层
中间导电层
被钉扎层
钉扎层
如图 ６ 所示。其中,钉扎层使用反铁磁材料，被钉扎层使用硬铁磁材料，铁磁和反铁磁材料在交换耦合作用下形成一个偏转场，此偏转场将被钉扎层的磁化方向固定,不随外磁场改变。自由层使用软铁磁材料,它的磁化方向易于随外磁场转动。这样，很弱的外磁场就会改变自由层与被钉扎层磁场的相对取向，对应于很高的灵敏度。制造时,使自由层的初始磁化方向与被钉扎层垂直,磁记录材料的磁化方向与被钉扎层的方向相同或相反(对应于0或１)，当感应到磁记录材料的磁场时,自由层的磁化方向就向与被钉扎层磁化方向相同（低电阻）或相反（高电阻)的方向偏转,检测出电阻的变化，就可确定记录材料所记录的信息，硬盘所用的G ＭＲ磁头就采用这种结构。
这种自旋阀具有如下优点:１) 磁电阻变化率ΔR/ R 对外磁场的响应呈线性关系， 频率特性好; ２) 饱和场低, 灵敏度高.
【实验仪器与实验方法】
实验仪器包括 GMR 传感器、巨磁电阻实验仪稳压电源、恒流源、螺线管、电压表、电流表、基本特性测量组件、电流测量组件、角位移组件、磁卡读写组件。巨磁电阻实验仪包括稳压电源、恒流源、电压表、电流表。稳压电源提供测量所需要的电压，恒流源为螺线管供电提供测量所需的磁场,电压表和电流表分别用于测量 G ＭR 的电压或电流。
在将ＧM Ｒ构成传感器时,为了消除温度变化等环境因素对输出的影响，一般采用桥式结构，图 ７是某型号传感器的结构。
对于电桥结构，如果4个GMR 电阻对磁场的响应完全同步,就不会有信号输出。图 ７ 中,将处在电桥对角位置的两个电阻R ３、R 4 覆盖一层高导磁率的材料如坡莫合金,以屏蔽外磁场对它们的影响，而Ｒ1、R ２ 阻值随外磁场改变。设无外磁场时４个ＧM Ｒ电阻的阻值均为Ｒ,R 1、R 2 在外磁场作用下电阻减小ΔR,简单分析表明,输出电压：
U O
ＵＴ = U IN ΔR/(2R-ΔR ）
(６） 图7 GMR 模拟传感器结构图
R 2 R 1 R 3 R 4 输出－ 输出＋输入＋
输入－
b 电路连接 a 几何结构 磁通聚集器
屏蔽层同时设计为磁通聚集器,它的高导磁率将磁力线聚集在R 1、Ｒ2电阻所在的空间,进一步提高了Ｒ1、R ２ 的磁灵敏度。从图 7 的几何结构还可见,巨磁电阻被光刻成微米宽度迂回状的电阻条，以增大其电阻至k Ω数量级，使其在较小工作电流下得到合适的电压输出。
测量所用磁场可以用电磁铁,也可以用螺线管。本实验用螺线管线圈提供变化磁场。ＧMR 传感器置于螺线管的中央。由理论分析可知,无限长直螺线管内部轴线上任一点的磁感应强度为：
B
= μ0nI (7）
式中 n 为线圈密度,I 为流经线圈的电流强度，m H /10470-?=πμ为真空中的磁导率。采用国际单位制时,由上式计算出的磁感应强度单位为特斯拉（１特斯拉＝１０0０0高斯）。
基本特性组件由GMR 模拟传感器,螺线管线圈及比较电路,输入输出插孔组成。用以对G ＭR 的磁阻特性和磁电转换特性进行测量。测量时GMR 传感器置于螺线管的中央。
一 ＭR 磁阻特性曲线测量与分析
为加深对巨磁电阻效应的理解，我们对构成 ＧMR 模拟传感器的磁阻进行测量。将基本特性组件的功能切换按钮切换为“巨磁阻测量”,此时被磁屏蔽的两个电桥电阻R 3,Ｒ4被短路,而R 1,R 2并联。将电流表串连进电路中,测量不同磁场时回路中电流的大小，就可计算磁阻。测量原理如图 8 所示。
由于巨磁阻传感器具有磁滞现象,在实验中应注意恒流源只能单方向调节，不可回调。否则测得的实验数据将不准确。测量磁电阻特性曲线时注意测出零磁场附近电流或电阻转折点的数值。 根据螺线管上标明的线圈密度，由公式(7)计算出螺线管内的磁感应强度Ｂ。由欧姆定律Ｒ=U/I 计算不同磁场下的电阻。
以磁感应强度Ｂ作横坐标,电阻为纵坐标作出磁阻特性曲线。根据磁电阻定义计算其ＧMR 的值。观察曲线特点，用物理原理解释其变化规律。应该注意,由于模拟传感器的两个磁阻是位于磁通聚集器中,使磁阻灵敏度大大提高。
图8磁阻特性测量原理图
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【实验原理】 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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。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，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 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2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。 无外磁场时顶层磁场方向 无外磁场时底层磁场方向 图2 多层膜GMR 结构图 图3是图2结构的某种GMR 材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
磁电阻与巨磁电阻 姓名：刘一宁班级:核32 指导教师：王合英实验日期：2015.03.13 【摘要】：本实验使用了由基本电路原理配合巨磁电阻原件制作的一套巨磁电阻实验仪，通过改变巨磁电阻处的磁场测量了巨磁电阻的磁阻特性曲线、磁电转换特性曲线，并在体验了其在测量电流、测量转速、磁读写等方面的应用。最后获得了巨磁电阻词组特性曲线、GMR 模拟传感器的磁电转换曲线、GMR开关传感器的磁电转换特性曲线、巨磁电阻测量电流的数据、齿轮旋转过程中巨磁电阻梯度传感器输出电压曲线、磁信号读出情况，自旋阀磁电阻两个不同角度的磁阻特性曲线。发现巨磁电阻的磁阻随磁场变大而减小，且与方向无关，但是其存在磁滞现象。而自旋阀磁电阻则在磁场由一个方向磁饱和变化到另一个方向磁饱和的过程中磁电阻不断减小或增加，这与磁电阻和磁场的角度有关，且在0磁场附近变化特别明显。 关键词：巨磁电阻、自旋阀磁电阻、磁阻特性曲线、磁电转换特性 一、引言： 1988年法国巴黎大学的肯特教授研究小组首先在Fe/Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，在国际上引起了很大的反响。20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应。 1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit/in2，最近达到11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，除读出磁头外同样可应用于测量位移，角度等传感器中，可广泛地应用于数控机床，汽车测速，非接触开关，旋转编码器中，与光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，
巨磁电阻实验报告
巨磁电阻实验报告 【目的要求】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换 特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角 位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理【原理简述】 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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。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，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott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2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。 电 阻 \ 欧 姆
巨磁阻效应及其传感器的原理和应用 一、概述 对于物质磁电阻特性的研究由来已久，早在20世纪40年代人们就发现了磁电阻效应。所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化，通常用电阻变化率Δr/r 描述。研究发现，一般金属导体的Δr/r很小，只有约10-5%；对于磁性金属或合金材料（例如坡莫合金），Δr/r可达（3~5）%。所谓巨磁电阻（GMR）效应，是指某些磁性或合金材料的磁电阻在一定磁场作用下急剧减小，而Δr/r急剧增大的特性，一般增大的幅度比通常的磁性与合金材料的磁电阻约高10倍。利用这一效应制成的传感器称为GMR传感器。 1、分类 GMR材料按其结构可分为具有层间偶 合特性的多层膜（例如Fe/Cr）、自旋阀多层膜 （例如FeMn/FeNi/Cu/FeNi）、颗粒型多层膜（例 如Fe-Co）和钙钛矿氧化物型多层膜（例如 AMnO3）等结构；其中自旋阀（spin valve）多层膜又分为简单型和对称型两 类；也有将其分为钉扎(pinning)和非钉扎型两类 的。 2、巨磁电阻材料的进展 1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak 等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中 的层间偶合现象。1988年法国的M.N.Baibich 等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现其Δ r/r在4.2K低温下可达50%以上，由此提出了 GMR效应的概念，在学术界引起了很大的反 响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续 研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、 Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层 间偶合多层膜。自1988年发现GMR效应后仅 3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T） 出现GMR效应的多层膜（如 [CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]n）。 1992年人们利用两种磁矫顽力差别大的 材料（例如Co和Fe20Ni80）制成Co/Cu/ Fe20Ni80/Cu多层膜，他们发现，当Cu 层厚度大于5nm时，层间偶合较弱，此时利用 磁场的强弱可改变磁矩的方向，以自旋取向的 不同来控制膜电阻的大小，从而获得GMR效 应，故称为自旋阀。
巨磁电阻效应及其应用实 验报告 The following text is amended on 12 November 2020.
巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 1、了解GMR效应的原理 2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、测量GMR的磁阻特性曲线 4、用GMR传感器测量电流 5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理【实验原理】 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=l/S中，把电阻率视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm），可以忽略边界效应。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），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。 ;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2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。 图3是图2结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。 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何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。 其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。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何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。
巨磁电阻实验报告 【目的要求】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【原理简述】 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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。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，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 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2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。 无外磁场时顶层磁场方向 无外磁场时底层磁场方向 图 2 多层膜GMR 结构图 图3是图2结构的某种GMR 材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
巨磁电阻效应及其应用 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。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、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 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，1932年诺贝尔奖得主)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。 图 1 反铁磁有序 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有序状态，即在有序排列的磁材料中，相邻原子因受负的交换作用，自旋为反平行排列，如错误!未找到引用源。所示。则磁矩虽处于有序状态，但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零。这种磁有序状态称为反铁磁性。法国科学家奈尔(L. E. F. Neel)因为系统地研究反铁磁性而获1970年诺贝尔奖。在解释反铁磁性时认为，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。另外，在稀土金属中也出现了磁有序，其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层。相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径，所以稀土金属中的传导电子担当了中介，将相邻的稀土原子磁矩耦合起来，这就是RKKY型间接交换作用。 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。1970年美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念，所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度d极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料。由于这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长，因此取得“超晶格”的名称。上世纪八十年代，由于摆脱了以往难以制作高质量的纳米尺度样品的限制，金属超晶格成为研究前沿，凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序，层间耦合，电子输运等进行了广泛的基础方面的研究。 德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态。研究对象是一个三明治结构的薄膜，两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm 的铬层。选择这个材料系统并不是偶然的，首先金属铁和铬是周期表上相近的元素，具有类似的电子壳层，容易实现两者的电子状态匹配。其次，金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同，它们之间晶格结构也是匹配的，这两类匹配非常有利于基本物理过程的探索。但是，很长时间以来制成的三明治薄膜都是多晶体，格伦贝格尔和很多研究者一样，并没有特别的发现。直到1986年，他采用了分子束外延(MBE)方法制备薄膜，样品成分还是铁-铬-铁三层膜，不过已经是结构完整的单晶。在
巨磁阻效应的原理及应用 物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。磁性金属和合金材料一般都有这种现象。一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR ）。 要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。表征其性质的量子数是主量子数n 、角量子数l 、自旋量子数s ＝1／2，和总角动量量子数j 。主量子数（n=1，2，3，4 …）会视电子与原子核间的距离（即半径座标r ）而定。平均距离会随着n 增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。 角量子数（l=0，1 … n-1）（又称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，l=0的轨道叫s 轨道，l=1的叫p 轨道，l=2的叫d 轨道，而l=3的则叫f 轨道。磁量子数（ml= -l ，-l+1 … 0 … l-1，l ）代表特征值，。这是轨道角动量沿某指定轴的射影。 从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的第四个量子数—自旋量子数。这假设以后能被相对论性量子力学所解释。 “我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s 电子传递，其有效质量近乎于自由电子。然而电阻则取决于电子从 s 带跃迁到 d 带的散射过程，因为跃迁几率与终态的态密度成正比，而局域性的 d 带在费米面上的态密度是很大的。 这就是过渡金属电阻率高的原因。这种 s-d 散射率取决于 s 电子与 d 电子自旋的相对取向。 巨磁电阻（GMR ）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。GMR 是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。关于这种效应可以用两自选电流模型来解释： 普通磁电阻 (正, 极小, 各向异性) 巨磁电阻 (负, 巨大 , 各向同性) [])(/)0()(H R R H R MR -=[][] ) ()()0() 0()()0(21S S S H R H R R MR R H R R MR -=-=
巨磁电阻效应 ――GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量 【实验目的】 1. 掌握GMR 效应的定义； 2. 了解GMR 效应的原理； 3. 熟悉GMR 模拟传感器的构成； 4. 测量GMR 磁阻特性曲线。 【实验仪器】 ZKY-JCZ 巨磁电阻效应及应用实验仪、基本特性组件、导线 【实验原理】 一、巨磁电阻效应定义及发展过程 1、定义 2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度，法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grunberg)因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。 巨磁阻到底是什么？ 诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。 “巨磁电阻”效应（GMR ，Giant Magneto Resistance)是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。 2、发展过程 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。 1988年法国的M.N.Baibich 等人在美国物理学会主办的Physical Review Letters 上发表了有关Fe/Cr 巨磁电阻效应的著名论文，首次报告了采用分子外延生长工艺（MBE ）制成 图1（Fe/Cr ）n 多层膜的GMR 效应特性曲线
The magnetoresistance is the change of electrical resistance of a conductor when subjected to an external magnetic field. In bulk ferromagnetic conductors, the leading contribution to the magnetoresistance is due to the anisotropic magnetoresistance (AMR) discovered in 1857 by W. Thomson (Lord Kelvin) (Proc. R. Soc. London A8, 546 (1857)). This originates from the spin-orbit interaction, which leads to a different electrical resistivity for a current direction parallel or perpendicular to the magnetization direction. As a magnetic field is applied, misoriented magnetic domains tend to align their magnetization along the field direction, giving rise to a resistance change of the order of a few percent. Magnetoresistive effects are of great interest for industrial applications, and the AMR has been applied for making magnetic sensors and read-out heads for magnetic disks. Until 1988, the 130 years old AMR remained the most important contribution to the magnetoresistance of ferromagnets. The situation at that time is best summarized by the following pessimistic quotation, taken from an authorative treatise on magnetic sensor technology written in 1988: “More t han t wo decades of research and development have established the principle of magnetoresistive sensors. (...). It is doubtful, however, whether magnet oresist ive layers t hemselves will be improved considerably in t he coming years.”(From“Sensors, A Comprehensive Survey, Vol. 5: Magnetic Sensors”, VCH (1989)). It was therefore a great sensation when, in 1988, Albert Fert and Peter Grünberg independently discovered that a much greater magnetoresistive effect (hence dubbed “giant magnetoresistance” or GMR) can be obtained in magnetic multilayers. These systems essentially consist of an alternate stack of ferromagnetic (e.g., Fe, Co, Ni, and their alloys) and non-ferromagnetic (e.g., Cr, Cu, Ru, etc.) metallic layers. Each individual layer in these multilayers is only a few atomic layers thick. Fert and Grünberg discovered that when the relative orientation of the magnetization of the successive ferromagnetic layers is changed from antiparallel to parallel by applying an external magnetic field, the electrical resistance of the multilayers is reduced by as much as 50% as shown schematically in Figure 1.
磁性材料及巨磁电阻效应简介 物理系隋淞印学号SC11002094 引言 磁性材料是应用广泛、品类繁多、与时俱进的一类功能材料, 人们对物质磁性的认识源远流长。 磁性材料的进展大致上分几个历史阶段:当人类进入铁器时代, 除表征生产力的进步外,还意味着金属磁性材料的开端，直到18世纪金属镍、钻相继被提炼成功, 这一漫长的历史时期是3d 过渡族金属磁性材料生产与原始应用的阶段; 20世纪初期(1900-1932, FeSi、FeNi 、FeCoNi 磁性合金人工制备成功,并广泛地应用于电力工业、电机工业等行业, 成为3d 过渡族金属磁性材料的鼎盛时期, 从此以后, 电与磁开始了不解之缘; 20世纪后期, 从50年代开始, 3d 过渡族的磁性氧化物(铁氧体 逐步进入生产旺期, 由于铁氧体具有高电阻率, 高频损耗低, 从而为当时兴起的无线电、雷达等工业的发展提供了所必需的磁性材料, 标志着磁性材料进入到铁氧体的历史阶段; 1967年, SmCo 合金问世, 这是磁性材料进入稀土—3d 过渡族化合物领域的历史性开端。1983年,高磁能积的钕铁硼(Nd—FeB 稀土永磁材料研制成功。现已誉为当代永磁王。TbFe 巨磁致收缩材料与稀土磁光材料的问世更丰富了稀土一3d 过渡族化合物磁性材料的内涵。1972年的非晶磁性材料与1988年的纳米微晶材料的呈现, 更添磁性材料新风采。1988年, 磁电阻效应的发现揭开了自旋电子学的序幕。因此从20世纪后期延续至今, 磁性材料进入了前所未有的兴旺发达时期, 并融入到信息行业, 成为信息时代重要的基础性材料之一。 磁性材料的分类 磁性材料应用十分广泛, 品种繁多, 存在以下多种分类方式。按物理性质分类:(1按静磁特性:即根据静态磁滞回线上的参量,如矫顽力、剩磁等来确定 磁性材料的类型。例如:永磁属高矫顽力一类磁性材料; 软磁属低矫顽力的一类 磁性材料; 矩磁属高剩磁、低矫顽力的一类磁性材料; 磁记录介质属于中等矫顽
实验十四巨磁电阻效应及应用 【实验目的】 1.了解GMR效应的原理 2.测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线 3.测量GMR的磁阻特性曲线 4.测量GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线 5.用GMR传感器测量电流 6.用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR转速（速度）传感器的原理 7.通过实验了解磁记录与读出的原理 【实验仪器】 巨磁电阻效应及应用实验仪 【实验原理】 2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻( Giant magneto resistance,简称GMR)效应的发现者：法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )。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、几千兆，一跃而提高几百倍，达到几百G 乃至上千G。” 凝聚态物理研究原子，分子在构成物质时的微观结构，它们之间的相互作用力，及其与宏观物理性质之间的联系。 GMR作为自旋电子学的开端具有深远的科学意义。传统的电子学是以电子的电荷移动为基础的，电子自旋往往被忽略了。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。除利用铁磁膜-金属膜-铁磁膜的GMR效应外，由两层铁磁膜夹一极薄的绝缘膜或半导体膜构成的隧穿磁阻(TMR)效应，已显示出比GMR效应更高的灵敏度。除在多层膜结构中发现GMR效应，并已实现产业化外，在单晶，多晶等多种形态的钙钛矿结构的稀土锰酸盐中，以及一些磁性半导体中，都发现了巨磁电阻效应。 本实验介绍多层膜GMR效应的原理，并通过实验让学生了解几种GMR传感器的结构、特性及应用领域。 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则散射运动的叠加。称电子在两次散射之间走过的平均路程为平均自 221
巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻(Giant magneto resistance, 简称GMR)效应表示在一个巨磁电阻系统中, 非常弱小的磁性变化就能导致巨大的电阻变化的特殊效应. 法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter Grunberg )因分别独立发现巨磁阻效应而共同荣膺2007年诺贝尔物理学奖. G MR是一种量子力学和凝聚态物理学现象, 是磁阻效应的一种, 可以在磁性材料和非磁性材料相间的薄膜层（几个纳米厚）结构中观察到. 在量子力学出现后, 德国科学家海森伯(W. Heisenberg, 1932年诺贝尔奖得主)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. 随后, 科学家们又发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物也具有反铁磁有序状态, 即在有序排列的磁材料中, 相邻原子因受负的交换作用, 自旋为反平行排列, 如图1所示. 此时磁矩虽处于有序状态, 但总的净磁矩在不受外场作用时仍为零. 这种磁有序状态称为反铁磁性. 反铁磁性通过化合物中的氧离子(或其他非金属离子)将最近的磁性原子的磁矩耦合起来, 属于间接交换作用. 此外, 在稀土金属中也出现了磁有序, 其中原子的固有磁矩来自4f电子壳层. 相邻稀土原子的距离远大于4f电子壳层直径, 所以稀土金属中的传导电子担当了中介, 将相邻的稀土原子磁矩耦合起来, 这就是RKKY 型间接交换作用. 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. 据此美国IBM实验室的江崎和朱兆祥提出了超晶格的概念．所谓的超晶格就是指由两种（或两种以上）组分（或导电类型）不同、厚度极小的薄层材料交替生长在一起而得到的一种多周期结构材料, 其特点是这种复合材料的周期长度比各薄膜单晶的晶格常数大几倍或更长. 上世纪八十年代, 制作高质量的纳米尺度样品技术的出现使得金属超晶格成为研究前沿. 因此凝聚态物理工作者对这类人工材料的磁有序, 层间耦合, 电子输运等进行了广泛的基础方面的研究. 其中相关的代表性研究工作简介如下. 其一是德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔. 他一直致力于研究铁磁性金属薄膜表面和界面上的磁有序状态, 其研究对象是一个三明治结构的薄膜, 两层厚度约10nm的铁层之间夹有厚度为1nm的铬层. 之所以选择选择这一材料系统, 首先是因为金属铁和铬是周期表上相近的元素, 具有类似的电子壳层, 容易实现两者的电子状态匹配. 其次, 金属铁和铬的晶格对称性和晶格常数相同, 它们之间晶格结构相匹配. 这两类匹配非常有利于对基本物理过程进行探索. 尽管如此, 长期以来该课题组所获得的三明治薄膜仅为多晶体. 随着制备薄膜技术的发展, 分子束外延(MBE)方法的应用才使得结构完整的单晶样品得以问世, 其成分依然是铁-铬-铁三层膜. 此后,
巨磁电阻效应及其应用实验报告记录
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巨磁电阻效应及其应用 【实验目的】 1、 了解GMR 效应的原理 2、 测量GMR 模拟传感器的磁电转换特性曲线 3、 测量GMR 的磁阻特性曲线 4、 用GMR 传感器测量电流 5、 用GMR 梯度传感器测量齿轮的角位移，了解GMR 转速（速度）传感器的原理 【实验原理】 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，这是因为通常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约34nm ），可以忽略边界效应。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，英国物理学家，诺贝尔奖获得者N.F.Mott 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2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。 无外磁场时顶层磁场方向 顶层铁磁膜 中间导电层 底层铁磁膜 无外磁场时底层磁场方向 图2 多层膜GMR 结构图 图3是图2结构的某种GMR 材料的磁阻特性。由图可见，随着外磁场增大，电阻逐渐减小，其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后，继续加大磁场，电阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 ΔR/R 达百分之十几，加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条，分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性，这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。 图3 某种GMR 材料的磁阻特性 磁场强度 / 高斯 电阻 \ 欧姆
实验38 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，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，相关理论指出这些状态源于铁磁性原子磁矩之间的直接交换作用和间接交换作用.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，科学家们开始了探索人工微结构中的磁性交换作用. 1986年德国物理学家彼得·格伦贝格尔( Peter Grunberg )采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜.发现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( Giant magneto resistance，简称GMR)效应出现的前提.进一步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年法国物理学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)的研究小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格薄膜，发现当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，磁电阻比率达到50%.这个前所未有的电阻巨大变化现象被称为巨磁电阻效应. GMR效应的发现，导致了新的自旋电子学的创立.GMR效应的应用使计算机硬盘的容量提高几百倍，从几百Mbit，提高到几百Gbit甚至上千Gbit. 阿尔贝·费尔和彼得·格伦贝格尔因此获得2007年诺贝尔物理学奖. 【实验目的】 1. 了解多层膜GMR效应的原理. 2. 测量GMR的磁阻特性. 3. 了解GMR模拟传感器的结构、特点，并掌握用GMR传感器测量电流的方法. 【实验仪器】 巨磁电阻效应及应用实验仪，基本特性组件，电流测量组件. 【实验原理】 1. GMR效应的原理 根据导电的微观机理，金属中电子在导电时并不是沿电场直线前进，而是不断与处于晶格位置的原子实产生碰撞（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和随机散射运动的叠加.电子在两次散射之间运动的平均路程称为平均自由程，电子散射几率越小，平均自由程就越长，电阻率就低.欧姆定律R=ρl/S应用于宏观材料时，通常忽略边界效应，把电阻率ρ视为常数.当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几
巨磁电阻效应及其应用 2007年7月27日来源:《国际电子变压器》2007年7月刊作者： 余声明 1 前言 磁性金属和合金一般都有磁电阻效应，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻发生改变的现象。所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧变化而比常规磁电阻要大一个数量级以上的效应，是近十多年来发现的一种新现象。 在过去十多年中，已经发现了三种技术上可行的磁电阻：“巨磁电阻”（Giant Magneto-Resistive，GMR）、“超巨磁电阻”（Colossal Magneto-Resistance，CMR）和“穿隧磁电阻”（Tunneling Magneto-Resistive，TMR）。它们都具有三层结构：上下两层为磁性层引发电子自旋、产生磁场的层级；中间为非磁性层，其功能是产生变化的电阻。不同类型的磁电阻的非磁性层所使用的材料有所不同：GMR使用的是金属铜，CMR使用的是稀土锰氧化物，TMR则是使用氧化铝。 本文只就GMR效应、器件与应用作一论述。 2 巨磁电阻效应 1986年德国的Grunberg和C.F.Majkrgak等人发现了Y/Gd、Y/Dy和Fe/Cr/Fe多层膜中的层间耦合现象。1988年法国的M.N.Baibich等人首次在纳米级的Fe/Cr多层膜中发现
其Δρ/ρ在 4.2K低温下可达50%以上，由此提出了GMR 效应的概念，在学术界引起了很大的反响。由此与之相关的研究工作相继展开，陆续研制出Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag、Co/Au……等具有显著GMR效应的层间耦合多层膜。1988年后的3年，人们便研制出可在低磁场（10-2～10-6T）出现GMR效应的多层膜如[CoNiFe/CoFe/AgCu/CoFe/CoNiFe]等结构，此后更掀起了GMR效应的研发热潮。 GMR是一个量子力学效应，它是在层状的磁性薄膜结构中观察到的。这种结构由铁磁材料和非磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。三层结构的与自旋有关的输运性质如图1所示，上下两层为铁磁材料，中间夹层是非磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的。现在可以制造出对小的磁场就能得到很大电阻变化的材料，并且可以在室温下工作。 巨磁电阻效应从发现到器件的商品应用也是一个迅速转化的过程。现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域，还出现了许多GMR 器件，如磁盘驱动器的读写磁头和随机存储器（RAM）等。 磁电子新技术的实用化，源于纳米磁性材料和纳米制造技
五、实验数据及处理 1.GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示：（n=24000匝/m）
以B为横坐标，输出电压U为纵坐标，作图得： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最低处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
2. GMR的磁阻特性曲线的测量 根据实验数据由公式B = μ0nI算得的磁感应强度，由R=U/I算得的电阻如下表所示：（磁阻两端电压U=4V）
作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内，反应在图像上就是最高处的输出都在y轴上，实际上应当是分别分布在y轴左右两侧的； （2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；
3. GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 实验数据及由公式B = μ0nI算得的磁感应强度如下表所示： 作图如下： 误差分析： （1）在实验操作中，用恒流源调节励磁电流时距离要调到的值总会有部分偏差，其范围在正负0.2mA以内；（2）用恒流源调节励磁电流时，为保证调到需要调到的励磁电流的精确度，会有很小幅度的回调，可能因磁滞现象造成影响； （3）使用Excel表格处理数据的过程中可能会有精度损失；