各向异性磁电阻.doc

各向异性磁电阻、巨磁电阻测量 侯建强 （南京大学匡亚明学院理科强化部2010级，学号：101242015） 1.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。通常将磁场引起的电阻率变化写成，其中和分别表示在磁场Ｈ中和无磁场时的电阻率。磁电阻的大小常表示为： 其中可以是或。 绝大多数非磁性导体的MR很小，约为10-5％，磁性导体的MR最大约为3％～5％，且电阻率的变化与磁场方向与导体中电流方向的夹角有关，即具有各向异性，称之为各向异性磁电阻（Anisotropy magnetoresistance，简记为AMR）。 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（giant magnetoresesistance， 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。 1994年，人们又发现Fe/Al2O3/Fe隧道结在4.2K的MR为30%，室温达18%，见图12.1-2。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（Tunneling magnetoresistance简记为TMR）。 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（Colossal magnetoresistance，简记为CMR）。 2.实验目的 （1）初步了解磁性合金的AMR，多层膜的GMR，掺碱土金属稀土锰氧化物的CMR。 （2）初步掌握室温磁电阻的测量方法。 实验原理 1.各向异性磁电阻 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ρρ(0)，故 AMR常定义为 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。 ，，各向异性明显。 图10.1-3 剥膜的磁电阻曲线 2.多层膜的巨磁电阻 巨磁电阻效应首次在Ｆｅ／Ｃｒ多层膜中发现。图12.1-5为这种多层膜的磁电阻曲线。由图四可见，Ｆｅ／Ｃｒ多层膜室温下的ＭＲ约11.3％，4.2Ｋ时约42.7％。Ｃｏ／Ｃｕ多层膜室温ＭＲ可达６０％～８０％，远大于ＡＭＲ，故称为巨磁电阻，这种巨磁电阻的特点是： （1）数值比ＡＭＲ大得多。 （2）基本上是各向同性的。图六中高场部分的双线分别对应于（ＭＲ）∥和（ＭＲ）⊥，其差值为ＡＭＲ的贡献。该多层膜在３００Ｋ和4.2Ｋ下分别为0.35％和2.1％，约为其GMR的二十分之一。 （3）多层膜的磁电阻按传统定义ＭＲ＝[ρ（Ｈ）－ρ（０）／ρ（０）]×100％是负值，恒小于１００％。常采用另一定义ＧＭＲ＝[ρ（０）－ρ（Ｈ）／ρ（Ｈ）]×100％，用此定义数值为正，且可大于１００％。 （4）中子衍射直接证实，前述多层膜相邻铁磁层的磁化为反铁磁排列，来源于层间的反铁磁耦合。无外磁场时各层Ｍs反平行排列，电阻最大，加外磁场后，各层Ｍs平行排列，电阻最小。如图五所示。 （5）除Ｆｅ／Ｃｒ多层膜外，人们已在许多系统如Ｆｅ／Ｃｕ、Ｆｅ／Ａｌ、Ｆｅ／Ａｇ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｆｅ／Ｍｏ、Ｃｏ／Ｃｕ、Ｃｏ／Ａｌ、Ｃｏ／Ａｇ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｃｏ／Ｒｕ、ＦｅＮｉ／Ｃｕ等中观察到不同大小的ＧＭＲ，但并不是所有多层膜都有大的磁电阻，有的很小，甚至只观察到ＡＭＲ，如Ｆｅ／Ｖ多层膜。 下图是NiFe/Cu/Co/Cu多层膜的室温磁电阻曲线。 3.掺碱土金属稀土锰氧化物的庞磁电阻 图七是Ｎｄ0.7Ｓｒ0.3ＭｎＯ3薄膜样品的电阻率、磁电阻随温度变化关系。该样品的MR106% 到目前为止，对ＲＥ1-xＴxＭｎＯ3（ＲＥ＝Ｌａ，Pr，Ｎｄ，Sm；Ｔ＝Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｐｂ），在x＝0.2～0.5范围都观测到ＣＭＲ和铁磁性。这种ＣＭＲ的特点是： （1）数值远大于多层膜的ＧＭＲ。 （2）各向同性。 （3）负磁电阻性，即磁场增大，电阻率降低。 （4）ＣＭＲ总是出现在居里温度附近（T＜Tc），随温度升高或降低，都会很快