各向异性磁电阻测量实验摘要：本文阐述了各向异性磁电阻的实验原理及测量方法，分别测量了电流方向与磁场方向平行和垂直两种情况下电阻虽磁场的变化,最后对本实验进行了讨论。

关键词：各向异性磁电阻、AMR曲线、磁电阻测量引言一般所谓磁电阻是指在一定磁场下材料电阻率改变的现象。

1988年，在分子束外延制备的Ｆｅ／Ｃｒ多层膜中发现ＭＲ可达50％。

并且在薄膜平面上，磁电阻是各向同性的。

人们把这称之为巨磁电阻（简记为GMR），90年代，人们又在Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ａｌ、Ｆｅ／Ａｇ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｃｏ／Ｃｕ、Ｃｏ／Ａｇ和Ｃｏ／Ａｕ等纳米多层膜中观察到了显著的巨磁电阻效应。

1992年人们又发现在非互溶合金（如Ｆｅ、Ｃｏ与Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等在平衡态不能形成合金）颗粒膜如Ｃｏ-Ａｇ、Ｃｏ-Ｃｕ中存在巨磁电阻效应，在液氮温度可达55%，室温可达到20％，并且有各向同性的特点。

1994４年，人们又发现Ｆｅ／Ａｌ2Ｏ3／Ｆｅ隧道结在4.2Ｋ的ＭＲ为30％，室温达18％，之后在其他一些铁磁层／非铁磁层／铁磁层隧道结中亦观察到了大的磁电阻效应，人们将此称为隧道结磁电阻（简记为TMR）。

目前ＭＲ室温达24％的ＴＭＲ材料已制成，用ＴＭＲ材料已制成计算机硬盘读出磁头，其灵敏度比普通ＭＲ磁头高10倍，比ＧＭＲ磁头高数倍。

20世纪90年代后期，人们在掺碱土金属稀土锰氧化物中发现ＭＲ可达103%～106%，称之为庞磁电阻（简记为CMR）。

目前锰氧化物CMR材料的磁电阻饱和磁场较高，降低其饱满和场是将之推向应用的重要研究课题。

利用磁电阻效应可以制成计算机硬盘读出磁头；可以制成磁随机存储器（ＭＲＡＭ）；还可测量位移、角度、速度、转速等。

实验目的（1）初步了解磁性合金的AMR。

（2）初步掌握室温磁电阻的测量方法。

实验原理一些磁性金属和合金的ＡＭＲ与技术磁化相对应，即与从退磁状态到趋于磁饱和的过程相应的电阻变化。

外加磁场方向与电流方向的夹角不同，饱和磁化时电阻率不一样，即有各向异性。

通常取外磁场方向与电流方向平行和垂直两种情况测量ＡＭＲ。

即有Δρ∥＝ρ∥－ρ（０）及Δρ⊥＝ρ⊥－ρ（０）。

若退磁状态下磁畴是各向同性分布的，畴壁散射变化对磁电阻的贡献较小，将之忽略，则ρ（０）与平均值ρav＝１／３（ρ∥＋２ρ⊥）相等。

大多数材料ρ∥＞ρ（０），故计算公式为av av avav av avav av ρρρρρρρρρρρρρρ//////2100∆=∆<-=∆>-=∆⊥⊥⊥ＡＭＲ常定义为00//0//ρρρρρρρ⊥⊥∆-∆=-=AMR如果ρ0≠ρav ，则说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性。

如下图一是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显，，各向异性明显。

如下图二一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线实验仪器亥姆霍兹线圈、电磁铁、特斯拉计、毫特斯拉计、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字微伏表、四探针样品夹具。

实验过程（1）将样品切成窄条，这在测AMR时是必须的，实际上实验室提供的是Ni-Fe合金的样品，已经放置在四探针夹具上。

（2）接通实验仪器，预热15分钟。

用恒流源给样品提供电流，电流设置为6mA。

（3）用大功率扫描电压给亥姆霍兹线圈加电流，产生磁场。

（4）将装好样品的夹具固定在亥姆霍兹线圈中心，并确保电流方向与磁场方向平行。

（5）将扫描电流设为6A，然后慢慢地减小电流值，直到-6A，在此过程中记录电流值和对应的电压值，记录大概30组数据。

接着再将电流从-6A增加到6A，记录30组数据。

注意在调节旋钮过程中要尽量平稳，并且不能反向旋转。

在极值点附近更是要减小步长，多测几组数据。

测量过程尽量快，避免样品温度升高影响实验结果。

（6）将样品转90度，使电流方向与磁场方向垂直。

重复（5）的步骤。

实验数据及讨论（1）电流与磁场垂直-6-4-2024680.9800.9850.9900.9951.0001.005磁电阻 (Ω)扫描电流 (A)从图一中可以看出，在磁场从饱和到退磁再到反向饱和的过程中，电阻值是在不断变化的。

图中的双峰是磁滞引起的。

因为电阻∝电阻率，而电压∝电阻，所以我们可以取电压值来计算AMR 。

取两个峰值U=6.006mV 和U=6.015mV ，四个饱和值U=5.898mV 、U=5.911mV 、U=5.909mV 、U=5.919mV 。

计算得到0ρ=6.0105，⊥ρ=5.909由θρρθρ20cos ∆+=）（，如果认为电流与磁场真的垂直了，那么⊥ρ应该等于0ρ，但是并不是这样的，说明电流与磁场之间夹角不是90度。

在这里用双峰的平均值作为0ρ，用饱和值的平均值作为⊥ρ。

这么做的原因是在没有磁滞的情况下，双峰是应该重合在H=0处的，现在双峰偏离，就用平均值做0ρ，而实验数据中的电流为0时对应的值没有意义。

（2）电流与磁场平行1.0051.0101.0151.0201.0251.0301.0351.040磁电阻 (Ω)扫描电流 (A)图二和图一一样电阻发生变化，并且有双峰。

取两个谷值U=6.056mV 和U=6.059mV ，四个饱和值U=6.205mV 、U=6.222mV 、U=6.221mV 、U=6.227mV 。

计算得到0ρ=6.0575，//ρ=6.21875 可以看出两个0ρ并不相等，这可能是因为长时间通电引起的，使样品的温度发生了变化。

在下面的计算中我们取0ρ=（6.0575+6.0105）/2=6.034 由3/2(//av ）⊥+=ρρρ可得，av ρ=6.012 可见av ρ≠0ρ，说明该样品在退磁状态下有磁畴织构。

由AMR 的定义，00//0//ρρρρρρρ⊥⊥∆-∆=-=AMR ，AMR=0.31/6.304=5.13%(3)由图一和图二，我们可以看到所测得的磁电阻—电流曲线的图像在一个周期下并没有完全闭合。

很明显在图像的最末端饱和磁电阻较初始状态的饱和磁电阻有明显的上升趋势，图一中上升了0.021mV,图二上升了0.022mV ，实验最终测得的AMR 也不过才5.13%。

这样的结果是温度变化造成的。

在考虑任何磁效应时我们都不能忽略温度这一因素的影响。

在此实验中我们使用细条状的样品并在其上通上了电流。

在实验过程中由于样品的电阻效应，样品会不断地产生焦耳热，随着时间的推移，样品温度会逐渐升高，使得合金样品中的晶格热运动增强，对电子等载流子的散射作用不断增强，电阻率变大。

可见由热效应引起的误差不可忽略，且时间越长热效应说产生的影响越明显。

在实验中我们在做第二组时经历的时间更长，所以上升值也略多。

这一实验事实与我们的分析是符合的。

（4）在理想情况下，双峰或双谷应关于原点对称，但在该实验中，双峰和双谷关于原点有明显的偏移，这可能由样品的磁滞回线不对称引起，也可能由仪器的系统误差引起。

也有可能是在亥姆霍兹线圈中磁场并不均匀，且磁场方向并未与样品完全平行或垂直所致。

同时地球磁场的影响，仪器漏磁效应也会有一些影响。

思考题（1）测量AMR 后计算出来的0ρ 和 av ρ是否相同，如不同说明什么问题？答：0ρ 和av ρ 的计算值不相等，说明该样品在退磁状态下有磁畴织构，即磁畴分布非完全各向同性的，说明样品薄膜是各向异性的材料。

（2）按前述步骤手动测量的磁电阻曲线与自动测量的磁电阻曲线有何异同，为什么？答：手动测量误差比较大，而自动测量误差比较小，由于实验中并没有自动测量，实验图无法得知。

由实验误差引起的情况可以看出自动测量的图形波动没有那么明显。

在非零点应该基本上是一条直线，在零点附近出现峰值。

（3）手动测量与自动测量时如何更好的选择流过样品的电流的大小？答：对于选取的电流根据样品的的情况和测量仪表的精度所决定，电流值不能太大，否则会引起样品的发热而引起实验误差，但是电流值也不宜太小，否则测量起来会很不方便。

本实验中选取的电流值为6mA 。

（4）测量中如何减小热效应对测量的影响？答：1.实验过程不能太长，电流长时间会引起热效应。

2.通过样品的电流不能太大，要适中，电流越大，引起的热效应越明显。

3.调节磁场电流的值不能太大，最好不要超过6A 。

磁场电流太大，会提高测量环境的温度。

电流越大热效应越明显。

4.应尽量使装置放在通风的环境中，减小温度变化。

（5）样品夹具采用的材料有何要求？答：1，对于样品夹具，接触电阻对实验有影响，因而对于夹具的材料，电阻值应该比较小，尽量减少接触电阻对实验的影响。

夹具与样品的接触面积应比较小但必须有良好的接触。

2，材料不要具有铁磁性，在磁场作用下性质不发生变化。

实验探究我们知道，利用磁电阻效应可以可以制成计算机硬盘读出磁头，因此较大的AMR 值是我们所追求的。

AMR 具有小的饱和场以及高的磁场灵敏度，所以即使在巨磁电阻(GMR)效应发现之后， 用传统的各向异性磁电阻薄膜制作的计算机读头和传感器现在市场上仍占很大比重。

目前国外有关各大公司仍在不断地挖掘AMR 读头的潜力。

怎样才能让做出的材料有较大的AMR 值呢？关于这个问题目前有很多的研究。

坡莫合金是一种比较有前景的材料。

利用磁控溅射方法制备一系列 Ta(x)/Ni81Fe19(100nm)/Ta(3nm)磁性薄膜，可以发现基片温度对于AMR 值有很大的影响。

2基片温度对薄膜的各向异性磁电阻及饱和场有显著影响，室温下制作的样品AMR 值几乎为0，随着基片温度的升高，薄膜各向异性磁电阻随之增大，饱和场则相反。

基片温度在400℃时制备的Ni81Fe19 薄膜具有较大的各向异性磁电阻比和较低的磁化饱和场，样品 AMR 值达到最大值 4.23%，远大于我们实验中所用的材料。

此外真空度和工作气压对于材料的AMR值也有影响3。

较高的本底真空和较低的工作气压下制备的薄膜有较大的各向异性磁电阻值ΔR/ R。

其原因是高本底真空和低工作气压导致大晶粒尺寸和低粗糙度,进而降低电子的散射,减小电阻R ,增大各向异性磁电阻ΔR/ R。

参考文献1，黄润生等.近代物理实验(第二版).南京大学出版社2010年2，赵洪辰Ni_81_Fe_19_各向异性磁电阻薄膜的工艺和微结构的研究《功能材料》2003 3，何建方基片温度对Ni_81_Fe_19_薄膜结构和各向异性磁电阻的影响《磁性材料及器件》2012。