磁性薄膜磁电阻测量讲义

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1、实验B-2磁性薄膜的磁电阻测量[引言]2007年12月10日，法国物理学家阿尔贝·费尔（AlbertFert）和德国物理学家彼得·格伦贝格（PeterCrünberg）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（giantmagnetoresistance,GMR），导致了具有海量存储硬盘技术的出现，从而引发了一场信息存储技术的革命，给我们的生活带来了极大的便利：用MP3聆听音乐，拿数码相机记录生活，甚至能够让我们十分轻松地将一个“图书馆”随身携带。铁磁金属输运特性受磁场影响的现象人们早在一百多年前就做过

2、相当仔细的观测，直到磁电阻尤其是巨磁电阻薄膜材料的广泛应用才使得人们对磁性尤其是磁性薄膜的研究有了突飞猛进的发展，由此也带来了计算机存储技术的革命性变化。在这样一个高度信息化的时代，作为这个时代的大学生能在本科学习期间接触并了解这一学术研究，甚至深入到这个学术领域中来，将是非常有意义的一件事。本实验通过测量磁性薄膜的磁电阻效应，了解磁性薄膜材料和磁电子学的有关知识，并由此引起对高新技术和未知科学产生浓厚的兴趣。[实验目的]1．了解磁性薄膜材料科学和磁电子学的一些基本概念和知识；2．了解目前广泛应用的磁电阻（MR），各向异性磁电阻（AMR），巨磁电

3、阻（GMR）等一些基本概念；3．了解和学会当今科研和开发中经常使用的四探针法测量磁性薄膜磁电阻的原理和方法；4．分析用四探针法测量薄膜磁电阻时可能产生的误差来源；[实验仪器]亥姆霍兹磁场线圈、四探针组件、HY1791-10S直流磁场电源、SB118精密直流电压电流源、PZ158A直流数字电压表、NiFe或Co磁性薄膜样品。[实验原理]一、物质的磁性简介物质的磁性是物质的极其复杂又丰富多彩的物理性质，是人们最早认识的物性之一。人们经过几个世纪的不断研究，对物质磁性的认识得到了深入的发展。尽管物质磁性对人类科学技术的发展以及当今的高新技术起到重要推动

4、作用,对其研究引起了人们十分关注，并由此诞生了磁电子学这个目前人们十分关心的学术领域,但人类对物质的磁性的认识还远未十分清楚。自然界中的所有物质均有磁性，即其在外磁场中被磁化而获得磁矩。单位体积的磁矩称为磁化强度M，磁化强度与磁场强度的比值定义为磁化率χ，即χ=M/H。15物质的磁性大体可分为五类，即抗磁性，顺磁性，反铁磁性，铁磁性及亚铁磁性。抗磁性物质的磁化率为负，其磁化强度M与磁化场H反向；顺磁性物质的磁化率为正，M与H同向。这两种物质磁化率的数值均很小，约为10-4—10-7；反铁磁性物质的磁化率也为正值，其数值亦很小。因此上述三种物质均属

5、弱磁性物质，但反铁磁性物质有磁相变点，称为奈耳点TN。当温度高于TN时，呈顺磁性，当温度低于TN时，原子磁矩自发地反平行排列，或按螺旋形或其他形式排列，原子磁矩相互抵消，不加磁场时，M=0，在磁场作用下，M很小，χ~10-5—10-4，是磁有序的弱磁性。铁磁性物质、亚铁磁性物质及反铁磁性物质均为磁有序物质，只有前两种物质属于强磁性物质，它们都有相变点，称为居里点TC，当温度高于TC时，物质呈顺磁性，只有当温度低于TC时才呈铁磁性或亚铁磁性。强磁性的第一个特点是具有远比顺磁高的磁化率（χ~100—105），在不太高的磁场下可使铁磁状态下的物质获得高

6、磁化强度；铁磁体的磁化曲线存在饱和现象，饱和磁化强度的大小因材料而异，但均为温度的函数。铁磁性材料较易达到磁饱和，磁化率与磁导率随磁场而变。铁磁体的第二个特征为磁化曲线的非线性和磁滞。若铁磁体从未被磁化过，外磁场H为零时，磁感应强度B及磁化强度M均为零，称为磁中性或退磁状态。当加入磁场后，B及M沿磁化曲线增大，初始部分常较缓慢，然后迅速上升而达到“漆点”。该点与零点的连线恰为该点的切线，其斜率为最大磁导率。过漆点后磁化曲线又变得缓慢，然后趋于饱和。铁磁体的磁化曲线随材料及样品形状而异，这与铁磁体特殊的磁化过程有关。其不可逆磁化过程导致磁滞。当H从

7、饱和状态下降时，在高场范围，B(或M)可逆地沿磁化曲线下降，但从某一磁状态开始，出现不可逆过程，B(或M)不沿原磁化曲线下降而发生滞后。当H=0时，B(或M)不回到零点，而达到剩磁点，剩余磁感应强度。只有再加一负磁场（反向磁场）才能使磁状态回到零，与之对应的磁场称为矫顽力Hc,Hc常表示使B=0的磁场。使M=0的磁场，记为MHc,称为内禀矫顽力，MHc³Hc。磁场变化一周，得到磁滞回线。磁滞回线、矫顽力、剩磁、饱和磁化强度、磁化曲线及磁导率均为铁磁物质应用的重要参量。顺磁磁化率很小，这是由于通常条件下，热运动或电子动能远大于磁场与电子磁矩的作用能

8、所造成的，磁矩无规分布占主导地位。然而在铁磁状态下，何以很低的磁场会导致很高的磁化强度呢？现代实验与理论证明，外斯在1907年提出的分子