巨磁阻效应某实验报告材料

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1、基础物理实验研究性实验报告巨磁电阻效应及其应用目录摘要11.基本原理12.实验仪器22.1实验仪主机22.2基本特性组件模块32.3电流测量组件32.4角位移测量组件32.5磁读写组件43.实验内容43.1GMR模拟传感器的磁电转换特性测量43.2GMR磁阻特性测量53.3GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量53.4用GMR模拟传感器测量电流63.5GMR梯度传感器的特性及应用73.6磁记录与读出74.注意事项85.数据处理85.1GMR模拟传感器的磁电转换特性测量85.1.1公式推导85.1.2GMR模拟传感

2、器的磁电转换特性数据处理95.2GMR磁阻特性测量105.3GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量115.4用GMR模拟传感器测量电流115.5GMR梯度传感器的特性及应用125.6磁记录与读出136.误差分析137.结果讨论148.实验总结14[参考文献]15附录15基础物理实验研究性报告摘要本文的主要内容包括对GMR模拟传感器的磁电转换特性、GMR磁阻特性、GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性的测量及探究，对运用GMR模拟传感器测量电流的探究，对GMR梯度传感器的特性探究及应用，以及磁记录与磁读出的原理与过

3、程。通过具体实验数据处理，进一步理解实验的原理及步骤，并作出相应的误差分析与结果讨论。最后，对本次实验进行总结并表达感想。关键词：GMR，传感器，实验，数据处理，总结1.基本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=rl/S中，把电阻率r视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因

4、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。实验证明，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

5、两电流模型。下图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。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，对应于高第15页基础物理实验研究性报告电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电

6、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

7、。2.实验仪器实验所用仪器与主要组件简介如下：2.1实验仪主机如图为巨磁阻实验仪系统的实验仪前面板图。包括：（1）输入部分电流表部分：可做为一个独立的电流表使用。两个档位：2mA档和200mA档，可通过电流量程切换开关选择合适的电流档位测量电流。电压表部分：可做为一个独立的电压表使用。两个档位：2V档和200mV档，可通过电压量程切换开关选择合适的电压档位。（2）输出部分恒流源部分：可变恒流源，对外提供电流恒压源部分：提供GMR传感器工作所需的4V电源和运算放大器工作所需的±8V电源。巨磁阻实验仪操作面板第15页基础物理

8、实验研究性报告2.2基本特性组件模块基本特性组件由GMR模拟传感器、螺线管线圈、输入输出插孔组成，用以对GMR的磁电转换特性，磁阻特性进行测量。GMR传感器置于螺线管的中央。螺线管用于在实验过程中产生大小可计算的磁场，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式中n为线圈密度，I为流经