巨磁电阻实验报告

/ \/\/\f/\/无外磁场时顶层磁场方顶层铁磁中间导电底层铁磁无外磁场时底层磁场方向图 2 多层膜 GMR 结构图巨磁电阻实验报告【目的要求】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【原理简述】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=pl/S 中，把电阻率 p 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，铜原子的直径约为 0.3nm），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，诺贝尔奖获得者 N.F.Mott 指出，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。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，电电阻k姆-9QDD25匸 S1D磁场强度/高斯图 3 某种 GMR 材料的磁阻特性阻不再减小，进入磁饱和区域。磁阻变化率 AR/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。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...