巨磁电阻效实验讲义.doc

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1、巨磁电阻效应实验讲义一．概述2007年10月，法国科学家阿尔贝.费尔和德国科学家彼得.格林贝格尔因分别独立发现了巨磁电阻效应而共同获得了2007年诺贝尔物理学奖。由磁场引起材料电阻变化的现象称为磁电阻效应。巨磁电阻是指材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时大幅度减小，电阻相对变化率比各向异性磁电阻高一到两个数量级。磁场的微弱变化将导致巨磁电阻材料电阻值产生明显改变，从而能够用来探测微弱信号。巨磁电阻材料在数据读出磁头、磁随机存储器和传感器上有广泛的应用前景。用巨磁电阻材料制成的高灵敏度读出磁头

2、，使存储单字节数据所需的磁性材料尺寸大为减少，从而使磁盘存储密度得到大幅度的提高。如今，电脑、数码相机、MP3等各类数码电子产品所装备的硬盘，基本上都应用了巨磁电阻磁头。巨磁电阻传感器可广泛的应用于家用电器、汽车工业和自动控制技术中，对角度、转速、加速度、位移等物理量进行测量和控制，与各向异性磁电阻传感器相比，具有灵敏度更高、线性范围宽、寿命长等优点。本仪器提供新型巨磁电阻传感器，帮助学生了解巨磁电阻效应的原理及应用，仪器安全可靠，实验内容丰富。可用于高校、中专的基础物理实验、近代物理实验及综合性设计

3、性物理实验。【实验目的】1．了解巨磁电阻效应原理，测量不同磁场下的巨磁电阻阻值，作关系图，求电阻相对变化率的最大值；2.学习巨磁电阻传感器定标方法，计算巨磁电阻传感器灵敏度，由巨磁电阻传感器输出电压，得到电阻相对变化率的最大值；3．测定巨磁电阻传感器输出电压与其工作电压的关系；4．测定巨磁电阻传感器输出电压与通电导线电流的关系。【实验仪器】图1巨磁电阻效应实验仪装置FD-GMR-B型巨磁电阻效应实验仪主要由两台实验主机，实验装置架及各种连接线组成。实验装置架包括亥姆霍兹线圈和巨磁电阻传感器，实验主机含

4、亥姆霍兹线圈用恒流源，待测直流电源，传感器工作电源，传感器输出测量表及巨磁电阻测量表等。【实验原理】（一）巨磁电阻效应早在1856年，英国物理学家W.汤姆孙就发现了磁致电阻效应。所谓磁致电阻效应是指由磁场引起材料电阻变化的现象。通常以电阻率的相对变化率来表示磁电阻的大小，，其中和分别为磁场强度为和零时的电阻率。也可以用来表示，其中和分别为磁感应强度为和零时的电阻。目前发现的磁电阻效应有：正常磁电阻效应（OMR）、各向异性磁电阻效应（AMR）、巨磁电阻效应（GMR）、庞磁电阻效应（CMR）及隧穿磁电阻效

5、应（TMR）等。1988年法国巴黎大学阿尔贝.费尔教授和德国优利西研究所的彼得.格林贝格尔教授分别独立发现了巨磁电阻效应，因而共同获得了2007年诺贝尔物理学奖。巨磁电阻材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时大幅度减小，比各向异性磁电阻效应高一到两个数量级。磁场的微弱变化将导致巨磁电阻材料电阻值产生明显改变，从而能够用来探测微弱信号。一般材料的值都很小，通常小于1%；各向异性磁电阻材料（例如坡莫合金），可达到3%；而巨磁电阻材料通常都在-10%以上，有些可达到-100%以上。因此，巨磁电阻材料

6、受到了世界各国学术界和工业界的巨大关注，在短时间内取得了令人瞩目的理论及实验成果，并迅速进入应用领域获得巨大成功。巨磁电阻是一种层状结构，由厚度为几个纳米的铁磁金属层（Fe,Co,Ni等）和非磁性金属层（Cr,Cu,Ag等）交替制成的，相邻铁磁金属层的磁矩方向相反。这种多层膜的电阻随外磁场变化而显著变化。当外磁场为零时，材料电阻最大；当外磁场足够大时，原本反平行的各层磁矩都沿外场方向排列，材料电阻最小。（a）外加磁场为零时，巨磁电阻材料呈高阻态（b）外加饱和磁场时，巨磁电阻材料呈低阻态图1二流体模型对

7、巨磁电阻效应的解释巨磁电阻效应可以由二流体模型来解释。在铁磁金属中，导电的s电子要受到磁性原子磁矩的散射作用，散射的几率取决于导电的s电子自旋方向与薄膜中磁性原子磁矩方向的相对取向。即自旋方向与磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱，自旋方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用，而传导电子受到的散射作用的强弱直接影响到材料电阻的大小。根据二流体模型，传导电子分成自旋向上和自旋向下两种，由于多层膜中非磁性金属层对两组自旋状态不同的传导电子的影响是相同的，所以只考虑磁层的影响。外加磁场为零时，相邻铁磁层

8、的磁矩方向相反，如图1a所示，两种电子都在穿过与其自旋方向相同的磁层后，在下一磁层受到强烈的散射，宏观上看，巨磁电阻材料处于高电阻状态。当外加磁场足够大时，如图1b所示，原本反平行排列的各磁层磁矩都沿外磁场方向排列，一半电子可以穿过许多磁层只受到很弱的散射，另一半在每一层都受到很强的散射，宏观上，材料处于低电阻状态。这样就产生了巨磁电阻现象。（一）巨磁电阻传感器本仪器所用巨磁电阻传感器采用惠斯登电桥和磁通屏蔽技术。传感器基片上镀了一层很厚的磁性材料，这层