巨磁阻效应实验讲义

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1、巨磁阻效应实验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。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。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

2、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。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磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，称为“巨磁阻效应”（GMR）；而在很强的磁场中某些绝缘体会突然变为导体，称为“超巨磁阻效应”（CMR）。巨磁阻效应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。这种结构物质的电阻值与铁磁性材料薄膜层的磁化方

3、向有关，两层磁性材料磁化方向相反情况下的电阻值，明显大于磁化方向相同时的电阻值，电阻在很弱的外加磁场下具有很大的变化量。1986年德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔(PeterGrunberg)采用分子束外延(MBE)方法制备了铁-铬-铁三层单晶结构薄膜。在薄膜的两层纳米级铁层之间夹有厚度为0.8nm的铬层，实验中逐步减小薄膜上的外磁场，直到取消外磁场，发现膜两边的两个铁磁层磁矩从彼此平行(较强磁场下)转变为反平行(弱磁场下)。换言之，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。1988年巴黎十一大学固体物理实验室物理学家阿尔贝·费尔(Al

4、bertFert)的小组将铁、铬薄膜交替制成几十个周期的铁-铬超晶格，也称为周期性多层膜。发现当改变磁场强度时，超晶格薄膜的电阻下降近一半，即磁电阻比率达到50%。他用两电流模型解释这种物理现象，并把这种效应命名为巨磁阻效应（GiantMagneto-Resistive，GMR）。1990年IBM公司的斯图尔特·帕金(S.P.Parkin)首次报道了除铁-铬超晶格，还有钴-钌和钴-铬超晶格也具有巨磁电阻效应。在随后的几年，帕金和世界范围的科学家在过渡金属超晶格和金属多层膜中，找到了20种左右具有巨磁电阻振荡现象的不同体系。GMR效应表明，电子自旋对于电流的影响非常强烈，电子的

5、电荷与自旋两者都可能载运信息。GMR效应的发现，导致了新的自旋电子学的创立。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。2007年诺贝尔物理学奖授予了巨磁电阻效应的发现者——法国物理学家阿尔贝·费尔和德国物理学家彼得·格伦贝格尔。瑞典皇家学会在诺贝尔奖官方网站的介绍中指出，GMR效应应该算是纳米技术在现实中最早的应用。诺贝尔奖评审委员会在宣布2007年诺贝尔物理奖归属时说，这是一次“好奇心导致的发现”。但其

6、随后的应用却不啻为革命性的，因为它使得计算机硬盘的容量从几十MB、几百MB，一跃而提高了几百倍，达到几十GB乃至上百GB（1GB=1024MB）。【实验目的】1.了解巨磁阻效应的原理，掌握巨磁阻传感器原理及其特性；2.学习巨磁阻传感器的定标方法并测量其灵敏度；用巨磁阻传感器测量弱磁场。3.测量巨磁阻传感器敏感轴与被测磁场间夹角与传感器灵敏度的关系。4.测量巨磁阻传感器的灵敏度与工作电压的关系。【实验仪器】巨磁阻传感器（饱和磁场15Gs，1T=104Gs）；灵敏度3.3mV/V.Gs--4.0mV/V.Gs.亥姆霍兹线圈（，.【实验原理】一、巨磁阻原理1.自旋散射与巨磁电阻效应

7、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。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。在欧姆定律中，一般将电阻率视为常数，与材料的几何尺度无关，这是忽略了边界效应的结果。当材料的几何尺度小到纳米量级（即只有几个原子的厚度）时，电子在边界上的散射几率将大大增加，就可以明显观察到随着材料的厚度减小，电阻率增加的现象。电子