巨磁电阻效应

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1、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(AlbertFert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(PeterGrunberg)因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得20

2、07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，Gia

3、ntMagnetoResistance)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、发展过程图1（Fe/Cr）n多层膜的GMR效应特性曲线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

4、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PhysicalReviewLetters8/8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

5、分子外延生长工艺（MBE）制成Fe(100)/Cr(100)规则型点阵多层膜结构。在这种（Fe/Cr）n结构中，Fe为强铁磁性金属，Cr为反铁磁性金属，n为Fe和Cr的总层数。它是采用MBE工艺将Fe(100)/Cr(100)生长在GaAs芯片上，其工艺条件是，保持MBE室内剩余压力为6.7×10-9Pa，芯片温度20℃，淀积速率：对于Fe为0.06nm/s；对于Cr为0.1nm/s。它们每层的厚度约（0.9～9）nm，通常为30层。为获得上述淀积速率，还专门设计了坩埚蒸发器。经实验发现，当Cr的厚度小于（0.

6、9～3）nm时，它与Fe层之间偶合的一个反向铁磁特性（AF）的磁滞回线斜率逐渐增大。图1显示了Fe层为3nm，Cr层分别为0.9nm、1.2nm和1.8nm，磁感应强度B在±2T范围内，热力学温度T=4.2K，n=30、35、60时，3个不同样本的特性。随着Cr厚度的增加和总层数的降低，Δr/r也升高，而且高斯磁场强度B越弱，Δr/r越高，当B≈2T时，[Fe(3nm)/Cr(0.9nm)]60膜的Δr/r可达50%以上。实验还发现，即使温度升至室温，B降低了30%Δr/r也可达到低温值的一半，这一结论具有十分

7、大的实用价值。就在此前3个月，德国尤利希科研中心的物理学家彼得·格伦贝格尔(PeterGrunberg)领导的研究小组采用分子束外延(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，这个新现象成为巨磁电阻效应出现的前提。格伦贝格尔接下来发现，两个磁矩反平行时对应高

8、电阻状态，平行时对应低电阻状态，两个电阻的差别高达10%。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。并且随着非磁层厚度增加，上述超晶格的磁电阻值振荡下降。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，为GMR材料开辟了广阔的空间，