巨磁电阻效应及其应用+实验报告.doc

巨磁电阻效应及其应用实验报告巨磁电阻效应及其应用【实验目的】1、了解GMR效应的原理2、测量GMR模拟传感器的磁电转换特性曲线3、测量GMR的磁阻特性曲线4、用GMR传感器测量电流5、用GMR梯度传感器测量齿轮的角位移,了解GMR转速(速度)传感器的原理【实验原理】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=?l/S中,把电阻率?视为常数,与材料的几何尺度无关,这是因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,),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。早在1936年,英国物理学家,,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,这就是所谓的两电流模型。在图2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。电流的方向在多数应用中是平行于膜面的。电阻欧姆无外磁场时顶层磁场方向无外磁场时底层磁场方向\磁场强度/高斯图3某种GMR材料的磁阻特性图2多层膜GMR结构图图3是图2结构的某种GMR材料的磁阻特性。由图可见,随着外磁场增大,电阻逐渐减小,其间有一段线性区域。当外磁场已使两铁磁膜完全平行耦合后,继续加大磁场,电阻不再减小,进入磁饱和区域。磁阻变化率ΔR/R达百分之十几,加反向磁场时磁阻特性是对称的。注意到图2中的曲线有两条,分别对应增大磁场和减小磁场时的磁阻特性,这是因为铁磁材料都具有磁滞特性。1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,对应于高电阻状态。有外磁场时,上下两层铁磁膜的磁场方向一致,电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。多层膜GMR结构简单,工作可靠,磁阻随外磁场线性变化的范围大,在制作模拟传感器