薄膜材料磁电阻效应实验
王立锦 编
北京科技大学材料学院实验测试中心
2007年6月
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薄膜材料磁电阻效应实验
用巨磁电阻（GMR）和各向异性磁电阻（AMR）磁性薄膜材料制作计算机硬盘读出磁头和各种弱磁传感器，已经广泛应用于信息技术、工业控制、航海航天导航等高新技术领域。通过本实验能够使同学们对磁性薄膜材料的知识和磁电子学有所了解，并由此引起对纳米磁性薄膜材料研究和应用的浓厚兴趣。本实验仪器由我校教师设计搭建，采用高精度纳伏表和数控恒流源，计算机自动采集和显示数据，具有结实牢固、操作简便等优点，适用于大专院校教学和科研使用。
一、实验目的
1. 2. 3. 4.
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； 了解磁电阻（MR），各向异性磁电阻（AMR）和巨磁电阻（GMR）等一些基本概念； 了解和学会四探针法测量磁性薄膜磁电阻的原理和方法； 分析用四探针法测量薄膜磁电阻时可能产生的误差来源；
二、实验原理
1.磁性薄膜的磁电阻效应
磁电阻效应MR是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。表征磁电阻效应大小的物理量为MR，其定义为：
MR???????0?0
??100% （1）
其中ρ和ρ0分别表示物质在某一不为零的磁场中和磁场为零时的电阻率。磁电阻效应按磁电阻值的大小和产生机理的不同可分为：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)和超巨磁电阻效应(CMR)等。 （1）正常磁电阻效应
正常磁电阻效应(OMR)为普遍存在于所有金属中的磁场电阻效应，它由英国物理学家W.Thomson于1856年发现。其特点是：
a.磁电阻MR>0
b.各向异性，但?>?(?和?分别表示外加磁场与电流方向垂直及平行时的电阻
////??率)
c.当磁场不高时，MR正比于H2
OMR来源于磁场对电子的洛伦兹力，该力导致载流体运动发生偏转或产生螺旋运动，
因而使电阻升高。大部分材料的OMR都比较小。以铜为例，当H=10-3T时，铜的OMR仅为4?10-8%。
（2）各向异性磁电阻效应
在居里点以下，铁磁金属的电阻率随电流I与磁化强度M的相对取向而异， 称之为各向异性磁电阻效应。即????//。各向异性磁电阻值通常定义为：
AMR???/??(?//???)/?0 （2）
低温5K时，铁、钴的各向异性磁电阻值约为1%，而坡莫合金(Ni81Fe19)为15%，室温下坡莫合金的各向异性磁电阻值仍有2~3%。图1所示为厚度为200 nm的NiFe单层薄膜的磁电阻（MR）变化曲线。
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图1 NiFe单层薄膜的磁电阻变化曲线
（3）磁性金属多层薄膜中的巨磁电阻效应
1986年，德国科学家P.Grunberg和法国科学家A.Fert制成Fe/Cr/Fe三层薄膜和Fe/Cr 超晶格薄膜。其中，每个单层膜厚度只有几个纳米。1988年Baibich etal报道：低温下（T=4K），外场为20KOe时，用分子束外延（MBE）方法生成（Fe3.0nm/Cr0.9nm）多层膜中电阻的变化率达50%。这种巨大的磁电阻效应被称为巨磁电阻效应，简记为GMR。这种效应立刻引起了各国科学家的注意，人们纷纷从理论上和实验上对其加以研究。Binasch等人报道了(Fe25.0nm/Cr1.0nm/Fe25.9nm)三明治结构当Cr 层厚度合适时，两Fe层之间存在反铁磁耦合作用。类似的反铁磁耦合和大的磁电阻效应也在Co/Ru和Co/Cr等多层结构中被观察到。1991年，Dieny B独辟捷径，提出铁磁层/隔离层/铁磁层/反铁磁层自旋阀结构（Spin-valve）,并首先在NiFe/Cu/NiFe/FeMn中发现了一种低饱和场巨磁电阻效应。随后，人们在纳米颗粒膜、亚稳态合金膜、氧化物膜及磁隧道结多层膜等材料中也发现了GMR效应。目前，GMR的研究正向物理学的各领域渗透，并将推动纳米材料科学的进一步发展。
基于Mott的二流体模型可以对这种磁电阻进行简单解释。载流子自旋方向与铁磁层少数自旋子带电子的自旋方向平行时，受到的散射就强，对应电阻值大；而自旋方向与铁磁层多数自旋子带电子的自旋方向平行时，受到的散射就弱，对应电阻值小。当相邻铁磁层磁矩反平行时，在一个铁磁层中受散射较弱的电子进入另一铁磁层后必定遭受较强的散射，故从整体上说，所有电子都遭受较强的散射，表现为电阻RH值较大；而当相邻铁磁层磁矩趋于平行时，虽然和铁磁层少数自旋子带电子的自旋方向平行的电子受到极大的散射，但是和铁磁层多数自旋子带电子的自旋方向平行的电子在所有铁磁层中受的散射都弱，相当于构成了短路状态(如图2所示)，表现为电阻RL值较小。两种状态下的电阻分别为:
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RP?RHRLRH?RL (3)
RAP?RH?RL2 (4)
磁电阻为：
RP?RAPRAP(RH?RL)(RH?RL)22MR?? (5)
（a）相邻铁磁层的磁化方向反平行 （b）相邻铁磁层的磁化方向平行
图2.多层膜磁矩反平行、平行时自旋电子散射和对应电阻示意图 图3是几种周期性多层膜中的巨磁电阻效应
图3.几种周期性多层膜的巨磁电阻效应
2.磁性薄膜磁电阻的测量
由于铁磁金属薄膜磁的电阻很低，所以，它的电阻率的测量需要采用四端接线法，以以避免电极接触电阻对测量结果的影响。为了方便四端接线法已经发展成四探针法，测量时让四探针的针尖同时接触到薄膜表面上，对距离相等直线型四探针，恒流源从最外面二个探针流入，从另外二个探针测量电压。在薄膜的面积为无限大或远远大于四探针中相邻探针间距离的时候，金属薄膜的电阻率ρF可以由下式给出：
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?F??ln2?VI?d （6）
公式（6）中，d是薄膜的膜厚，I是流经薄膜的电流，V是电流流经薄膜时产生的电压。
共线四探针不能测量薄膜各向异性磁电阻效应（AMR），必须采用非共线四探针来测量薄膜各向异性磁电阻效应。
y
I (-x0,y0) 。
II (x0,y0) 。
。 Q (-x,0)
。 P (x,0)
x
图4.电流探针与电压探针位置图
如图4所示，四探针测量中两个电流探针位置在I（－x0，y0），II（x0，y0）提供电流源，两个电压位置在Q（－x，0），P（x，0）获得取样电压。假设恒流源电流为I，电流探针接触膜面区域为无限小，电流密度J在膜厚度t内是均匀的，且薄膜为无限大，则薄膜上任一点电势为：
I4??t?x?y(x?x0)?ln(x?x0)?22????xyxy(y?y0)(y?y0)2?(x,y)? （7）
2式中?x，?y分别是金属薄膜在x和y方向的电导率， 如果电压探针位置为Q（－x，0），P（x，0），则?(q,p)(x,0)??p(x,0)??Q(?x,0)。由（2）式得出
(x?x0)?lny2????xyxy?(q,p)(x,0)?2I2??t?x?y0y02 （8）
(x?x0)?22可以推出
??与
??(q,p)之间的关系为
??1Mr?0?0?0??(q,p)//??(q,p)?(?(q,p)//??(q,p)?)/2?1Mr??(q,p)?0 （9）
其中：Mr是探针因子
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薄膜材料磁电阻效应实验
