巨磁电阻效应及应用.PDF

大学物理实验 巨磁电阻效应及应用 人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态，后来发现很多过渡金属 和稀土金属的化合物具有反铁磁有序状态，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 可达1nm 以上，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 ）采用分子束外延方法制备 了铁-铬-铁三层单晶薄膜，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，这个新现象称为巨磁电阻（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。 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将近一 半，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 效应的应用使得计算机硬盘 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 。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 【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,角位移测量组件。 【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则散射运动的叠加。电子在两次散射之间走过的平均路程称为平均自 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 1 大学物理实验 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。 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 1 多层膜GMR 结构图 电 阻 /