材科制备与检测技术实验第4章 ③高压系统的操作应特别注意安全，实验前应检查好地线，每次观察完毕必须将高 压降至零位。由于电路中有一个滤波电容，所以关闭高压开关后不要马上去接触高压 部分 ④电子在加速前进中打在金属上会激发X射线，对人体有害。要注意在观察窗调整 样品时不要加高压，加高压时要加防护罩。观察荧光屏上的衍射图样时避免直接照射。 ⑤电子衍射仪为高压真空器件，为了防止在实验时各金属表面的严重放气，整个系 统应长期保持真空。当仪器长期不用时，应定期用机械系抽真空。 【思考与讨论】 (1)100kV加速电压下电子波的波长为多少？为什么要用品体作电子衍射光册才能 观察到衍射现象？ (2)实验中为什么选用金属晶体而不选用共价晶体和离子晶体作为晶体光栅？ (3)如果用单品体作样品会观察到什么样的电子衍射图样？为什么？ (4)试简述根据电子衍射现象研究品体结构的基本原理和方法。 (5)电子行射与X射线衍射有何异同？ 【参考文献】 [1]周世助.量子力学教程，第2版.北京：人民教育出版社，2009. [2]高立模近代物理实验.天津：南开大学出版社，2006 [3]吴思诚，王祖铨，近代物理实验，北京：高等教有出版社，2005 [4]史庆藩.英汉近代物理实验，北京：国防工业出版社，2010. [5]成元发，肖海波.近代物理实验.北京：科学出版社，2009. 实验42磁性材料的磁电阻特性测量 磁电阻效应(magnetoresistance effect)是指在外加磁场中材料的电阻率发生变化的 现象，也称为磁致电阻变化效应。目前发现的磁电阻效应有正常磁电阻(ordinary magne toresistance,)MR)效应，各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance,AMR)效应，巨 磁电阻(giant magnetoresistance,GMR)效应、庞磁电阻(colossal magnetoresistance CMR)效应和遂道磁电阳(tunnel magnetoresistance,TMR)效应等。巨陵电阻效应是指 磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在显著变化的现象。1988 年法国科学家阿尔贝·费尔(Albert Fert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(Peter A. Grunberg)各自独立发现了巨磁电阻数应，并因此共同获得了2007年诺贝尔物理学奖 这一发现开启了磁电子新技术的大门一 一自旋电子学，并很快引发了磁盘的大容量、小型 化革命。巨磁电阻效应现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域。根据磁电阻效应 制成的各种磁敏电阻器件可用于角度，转速、加速度、位移等物理量的测量和控制，在家用 151
— １５１ — ③ 高压系统的操作应特别注意安全,实验前应检查好地线,每次观察完毕必须将高 压降至零位.由于电路中有一个滤波电容,所以关闭高压开关后不要马上去接触高压 部分. ④ 电子在加速前进中打在金属上会激发 X射线,对人体有害.要注意在观察窗调整 样品时不要加高压,加高压时要加防护罩.观察荧光屏上的衍射图样时避免直接照射. ⑤ 电子衍射仪为高压真空器件,为了防止在实验时各金属表面的严重放气,整个系 统应长期保持真空.当仪器长期不用时,应定期用机械泵抽真空. 【思考与讨论】 (１)１００kV 加速电压下电子波的波长为多少? 为什么要用晶体作电子衍射光栅才能 观察到衍射现象? (２)实验中为什么选用金属晶体而不选用共价晶体和离子晶体作为晶体光栅? (３)如果用单晶体作样品会观察到什么样的电子衍射图样? 为什么? (４)试简述根据电子衍射现象研究晶体结构的基本原理和方法. (５)电子衍射与 X射线衍射有何异同? 【参考文献】 [１] 周世勋．量子力学教程．第２版．北京:人民教育出版社,２００９． [２] 高立模．近代物理实验．天津:南开大学出版社,２００６． [３] 吴思诚,王祖铨．近代物理实验．北京:高等教育出版社,２００５． [４] 史庆藩．英汉近代物理实验．北京:国防工业出版社,２０１０． [５] 成元发,肖海波．近代物理实验．北京:科学出版社,２００９． 实验４Ｇ２ 磁性材料的磁电阻特性测量 磁电阻效应(magnetoresistanceeffect)是指在外加磁场中材料的电阻率发生变化的 现象,也称为磁致电阻变化效应.目前发现的磁电阻效应有正常磁电阻(ordinarymagneＧ toresistance,OMR)效应、各向异性磁电阻(anisotropicmagnetoresistance,AMR)效应、巨 磁电 阻 (giant magnetoresistance,GMR)效 应、庞 磁 电 阻 (colossalmagnetoresistance, CMR)效应和隧道磁电阻(tunnelmagnetoresistance,TMR)效应等.巨磁电阻效应是指 磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在显著变化的现象.１９８８ 年法国科学家阿尔贝 费尔(AlbertFert)和德国科学家彼得 格林贝格尔(PeterA． Grünberg)各自独立发现了巨磁电阻效应,并因此共同获得了２００７年诺贝尔物理学奖. 这一发现开启了磁电子新技术的大门———自旋电子学,并很快引发了磁盘的大容量、小型 化革命.巨磁电阻效应现已广泛应用于电子、磁信息存储等技术领域.根据磁电阻效应 制成的各种磁敏电阻器件可用于角度、转速、加速度、位移等物理量的测量和控制,在家用
物理实验教程一近代物理实经 电器、汽车工业和自动控制技术中得到广泛应用。在高精度电子罗盘等磁场测量传感器 和生物传感器方面磁电阻效应也有重要应用。本实验采用多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁 电阻和各向异性磁电阻3种磁电阻传感器，研究各种磁电阻的基本特性和磁电阻传感器 的输出特性，并应用磁电阻传感器测量电流。 【实验目的】 ()理解磁电阻效应的基本原理，掌握测量磁电阻特性的实验方法和技术。 (2)测量多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁电阻、各向异性磁电阻的基本特性。 (3)掌握测量磁电阻传感器输出特性的基本原理和实验方法。 【预习要求】 (1)什么是磁电阻效应？正常磁电阻与巨磁电阻有何区别？ (2)为什么巨磁电阻会随外加磁场的增大而减小？ (3)实验中磁场是如何测量的？ (4)什么是磁电阻传感器的灵敏度？ 【实验原理】 一、磁电阻效应 早在1856年英国物理学家威廉·汤姆森即开尔文勋爵(William Thomson,Lord Klvi)就发现了磁电阻效应。通常以电阻率的相对变化率来表示磁电阻的大小，磁电阻 通常定义为： △2_Ps-Pg (4-2-1) 式中，P为无外磁场作用时的电阻率：a为有外磁场B作用时的电阻率。有时式(4-2-1) 也可以表示为： △R_RB-Rg R。 R。 (4-2-2) 式中，R。为无外磁场作用时的电阻：R为有外磁场B作用时的电阻。 根据式(4-2-1)或式(4-2-2).可以将磁电阳划分为两类，即正磁电阻和负磁电阳。如 果考虑磁场与电场之间的关系，又可以分为纵向磁电阻、横向磁电阻和垂直磁电阻，如图 4-2-1所示（图中』为电流密度），沿电流方向测量磁电阻。 (a) (e) 图4-2-1依赖于磁场和电流方向的三种磁电阻 (a)纵向磁电阳：(b)横向磁电阻：（©）垂直磁电阻 目前，已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致包括：由磁场直接引起的磁性材料的正 常磁电阻效应、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻效应、掺杂稀土氧化物中的庞大磁电 —152
— １５２ — 电器、汽车工业和自动控制技术中得到广泛应用.在高精度电子罗盘等磁场测量传感器 和生物传感器方面磁电阻效应也有重要应用.本实验采用多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁 电阻和各向异性磁电阻３种磁电阻传感器,研究各种磁电阻的基本特性和磁电阻传感器 的输出特性,并应用磁电阻传感器测量电流. 【实验目的】 (１)理解磁电阻效应的基本原理,掌握测量磁电阻特性的实验方法和技术. (２)测量多层膜巨磁电阻、自旋阀巨磁电阻、各向异性磁电阻的基本特性. (３)掌握测量磁电阻传感器输出特性的基本原理和实验方法. 【预习要求】 (１)什么是磁电阻效应? 正常磁电阻与巨磁电阻有何区别? (２)为什么巨磁电阻会随外加磁场的增大而减小? (３)实验中磁场是如何测量的? (４)什么是磁电阻传感器的灵敏度? 【实验原理】 一、磁电阻效应 早在１８５６年英国物理 学 家 威 廉 汤 姆 森 即 开 尔 文 勋 爵 (William Thomson,Lord Kelvin)就发现了磁电阻效应.通常以电阻率的相对变化率来表示磁电阻的大小,磁电阻 通常定义为: Δρ ρ０ ＝ ρB －ρ０ ρ０ (４Ｇ２Ｇ１) 式中,ρ０ 为无外磁场作用时的电阻率;ρB 为有外磁场B 作用时的电阻率.有时式(４Ｇ２Ｇ１) 也可以表示为: ΔR R０ ＝ RB －R０ R０ (４Ｇ２Ｇ２) 式中,R０ 为无外磁场作用时的电阻;RB 为有外磁场B 作用时的电阻. 根据式(４Ｇ２Ｇ１)或式(４Ｇ２Ｇ２),可以将磁电阻划分为两类,即正磁电阻和负磁电阻.如 果考虑磁场与电场之间的关系,又可以分为纵向磁电阻、横向磁电阻和垂直磁电阻,如图 ４Ｇ２Ｇ１所示(图中J 为电流密度),沿电流方向测量磁电阻. 图４Ｇ２Ｇ１ 依赖于磁场和电流方向的三种磁电阻 (a)纵向磁电阻;(b)横向磁电阻;(c)垂直磁电阻 目前,已被研究的磁性材料的磁电阻效应大致包括:由磁场直接引起的磁性材料的正 常磁电阻效应、与技术磁化相联系的各向异性磁电阻效应、掺杂稀土氧化物中的庞大磁电
0 材科制各与检测技术实验第4章 阻效应，磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻效应以及隧道磁电阻效应等。图4-2-2列 出了几种磁电阻材料的电阻值R随外磁场B的变化形式，图中的百分数表示最大磁电 阻。在上述磁电阻效应中，正常磁电阻已经逐步被巨磁电阻取代，成为应用最为普遍的磁 电阻。 R R 约109% 1 B/T 2 8/mT (a)正常破电阻(OMR》 (d)巨电阻(GMR) 约20% -505m (b)老楼电阻(CMR】 (e)能道蓝电阻(TMR R R 约红 123m时 100 100Bm (©)各向异性磁电阻(AMR (0粉未磁电阻 图4-2-2几种典型的磁电阻效应 二、多层膜巨磁电阻效应 1,多层膜巨磁电阻效应基本原理 巨磁电阻材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时大幅度诚小，电阻率 相对变化率比各向异性磁电阻的高1一2个数量级。磁场的微弱变化将导致巨磁电阻材 料的电阻率产生明显改变，从而能够用来探测微弱信号。一般材料的△p/。值都很小，通 常小于1%，各向异性磁电阻材料（如坡莫合金）的△/。值可达到3%，而巨磁电阻材料 的△0/。值通常都在10%以上，有些可达到100%以上。 多层膜巨磁电阻是一种层状结构，由厚度为几个纳米的铁磁金属层(F,Co,Ni等)和 非磁性金属层(Cr,Cu,Ag等)交替制成，相邻铁磁金属层的磁矩方向相反。这种多层膜 的电阻随外磁场变化而显著变化。当外磁场为零时，材料电阻最大，当外磁场足够大时， 原本反向平行的各铁磁金属层磁矩都沿外磁场方向排列，材料电阻最小。 多层膜巨磁电阻效应可以用二流体模型来解释。在铁磁金属层中，导电的5电子要 受到磁性原子磁矩的散射作用，散射的概率取决于导电的s电子自旋方向与薄膜中磁性 原子磁矩方向的相对取向，即自旋方向与磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱，自旋 方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用，而传导电子受到的散射作用的强弱 直接影响到材料电阻的大小。 153
— １５３ — 阻效应、磁性多层膜和颗粒膜中特有的巨磁电阻效应以及隧道磁电阻效应等.图４Ｇ２Ｇ２列 出了几种磁电阻材料的电阻值 R 随外磁场B 的变化形式,图中的百分数表示最大磁电 阻.在上述磁电阻效应中,正常磁电阻已经逐步被巨磁电阻取代,成为应用最为普遍的磁 电阻. 图４Ｇ２Ｇ２ 几种典型的磁电阻效应 二、多层膜巨磁电阻效应 １．多层膜巨磁电阻效应基本原理 巨磁电阻材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时大幅度减小,电阻率 相对变化率比各向异性磁电阻的高１~２个数量级.磁场的微弱变化将导致巨磁电阻材 料的电阻率产生明显改变,从而能够用来探测微弱信号.一般材料的 Δρ/ρ０ 值都很小,通 常小于１％,各向异性磁电阻材料(如坡莫合金)的 Δρ/ρ０ 值可达到３％,而巨磁电阻材料 的 Δρ/ρ０ 值通常都在１０％以上,有些可达到１００％以上. 多层膜巨磁电阻是一种层状结构,由厚度为几个纳米的铁磁金属层(Fe,Co,Ni等)和 非磁性金属层(Cr,Cu,Ag等)交替制成,相邻铁磁金属层的磁矩方向相反.这种多层膜 的电阻随外磁场变化而显著变化.当外磁场为零时,材料电阻最大;当外磁场足够大时, 原本反向平行的各铁磁金属层磁矩都沿外磁场方向排列,材料电阻最小. 多层膜巨磁电阻效应可以用二流体模型来解释.在铁磁金属层中,导电的s电子要 受到磁性原子磁矩的散射作用,散射的概率取决于导电的s电子自旋方向与薄膜中磁性 原子磁矩方向的相对取向,即自旋方向与磁矩方向一致的电子受到的散射作用很弱,自旋 方向与磁矩方向相反的电子则受到强烈的散射作用,而传导电子受到的散射作用的强弱 直接影响到材料电阻的大小
物理实验教程一近代物理失险O 根据二流体模型，传导电子分成自旋向上和自旋向下两种。由于多层膜中非磁性金 属层对两组自旋状态不同的传导电子的影响是相同的，所以只考虑铁磁金属层的影响。 当外磁场为零时，相邻铁磁金属层的磁矩方向相反，如图4-2-3(a)所示，两种电子都在穿 过与其自旋方向相同的铁磁金属层后在下一铁磁金属层受到强烈的散射作用，其阻值 (R)较大，宏观上材料处于高电阻状态。当外磁场饱和时，原本反向平行排列的各铁磁金 属层磁矩都沿外磁场方向排列，一半电子可以穿过许多铁磁金属层且只受到很弱的散射 作用，其阻值()较小，另一半在每个铁磁金属层都受到很强的散射作用，其阻值(R)较 大，宏观上材料处于低电阻状态。这样就产生了巨磁电阻现象。 电流方向 R R 外磁场B (a)当外脑场为零时。巨磁电阻材料处于高电阻状态 电流方向一 R R 外蓝场B> (b)当外磁场胞和时，巨磁电阳材料处于低电阻状态 图4-2-3二流体模型对巨磁电阻效应的解释 2.多层膜巨磁电阻传感器的输出电压及灵敏度测号 多层膜巨磁电阻传感器的电路原理如图424所示，由4个相同的巨磁电阻组成惠斯 登电桥结构，分别为R,=R,=R,=R,=R。其中电阻R,和R,涂有磁屏被层，其阳值 不随外磁场变化，即R2=R,=R。通过测量传感器的输出电压VT随外磁场的变化曲 线可以给出两者的线性区域范围，在线性区域内磁电阻的灵敏度S(单位： mV·V-1·mT)可由下式计算得到： (4-2-3) 亥姆霍兹线图轴线中心位置磁感应强度的计算公式为： B-82,N-8X4红X10×201=17.98×10- (4-2-4) 5号×0.100 154
— １５４ — 根据二流体模型,传导电子分成自旋向上和自旋向下两种.由于多层膜中非磁性金 属层对两组自旋状态不同的传导电子的影响是相同的,所以只考虑铁磁金属层的影响. 当外磁场为零时,相邻铁磁金属层的磁矩方向相反,如图４Ｇ２Ｇ３(a)所示,两种电子都在穿 过与其自旋方向相同的铁磁金属层后在下一铁磁金属层受到强烈的散射作用,其阻值 (R)较大,宏观上材料处于高电阻状态.当外磁场饱和时,原本反向平行排列的各铁磁金 属层磁矩都沿外磁场方向排列,一半电子可以穿过许多铁磁金属层且只受到很弱的散射 作用,其阻值(r)较小,另一半在每个铁磁金属层都受到很强的散射作用,其阻值(R)较 大,宏观上材料处于低电阻状态.这样就产生了巨磁电阻现象. 图４Ｇ２Ｇ３ 二流体模型对巨磁电阻效应的解释 ２．多层膜巨磁电阻传感器的输出电压及灵敏度测量 多层膜巨磁电阻传感器的电路原理如图４Ｇ２Ｇ４所示,由４个相同的巨磁电阻组成惠斯 登电桥结构,分别为R１ ＝R２ ＝R３ ＝R４ ＝RB . 其中电阻R２ 和R４ 涂有磁屏蔽层,其阻值 不随外磁场变化,即R２＝R４ ≡R０. 通过测量传感器的输出电压VOUT随外磁场的变化曲 线 可 以 给 出 两 者 的 线 性 区 域 范 围,在 线 性 区 域 内 磁 电 阻 的 灵 敏 度 S (单 位: mVV－１mT－１)可由下式计算得到: S＝ １ V＋ dVOUT dB ＝ １ V＋ ΔVOUT ΔB (４Ｇ２Ｇ３) 亥姆霍兹线圈轴线中心位置磁感应强度的计算公式为: B ＝ ８μ０NI ５ ２ ３r ＝ ８×４π×１０－７ ×２００ ５ ２ ３ ×０．１００ I＝１７．９８×１０－４I (４Ｇ２Ｇ４)
材料制备与检测技术实验第4章 式中，B为磁感应强度，1为通过线圈的电流：r为线圈半径，r=0.100m。测出亥姆霍兹 线圈的通电电流，由式(4-2-4)就可计算出相应的磁感应强度。 图424多层膜巨磁电阻传感器的惠斯登电桥结构 3.多层膜巨磁电阻测量原理 采用伏安法测量多层膜巨磁电阻。在测量多层膜巨磁电阻时需要将R,和R,短路， 将传感器等效成简单的巨磁电阻，测量结构图和等效图如图4-2-5所示。 等效后的传感器总电阻为单个巨磁电阻的一半，即R=R/2。再将一个已知阻值 的精密电阻R,与传感器总电阻R串联，施加一个已知工作电压V+,在R,两端并联 个数字电压表，使可则出惠斯登电桥中单个巨蓝电阻的阻值R:,如图4-2-5(b)所示。 00 0。 (a)测敏结构图 (b)等效电路图 图4-2-5多层膜巨磁电阻的测量结构图和等效电路图 根据图4-2-5(b)可得： R._V.-V (4-2-5) R 式中，V为数字电压表读数。式(4-2-5)可变为： R=2R,Y,- (4-2-6) 当外磁场为0时，有： R。=2R,(V4-V) (4-2-7) V。 式中，R。为巨磁电阻在外磁场为0时的阻值：V。为数字电压表在外磁场为0时的读数 -155
— １５５ — 式中,B 为磁感应强度;I 为通过线圈的电流;r 为线圈半径,r＝０．１００m.测出亥姆霍兹 线圈的通电电流,由式(４Ｇ２Ｇ４)就可计算出相应的磁感应强度. 图４Ｇ２Ｇ４ 多层膜巨磁电阻传感器的惠斯登电桥结构 ３．多层膜巨磁电阻测量原理 采用伏安法测量多层膜巨磁电阻.在测量多层膜巨磁电阻时需要将R２ 和R４ 短路, 将传感器等效成简单的巨磁电阻,测量结构图和等效图如图４Ｇ２Ｇ５所示. 等效后的传感器总电阻为单个巨磁电阻的一半,即Rtotal＝RB/２. 再将一个已知阻值 的精密电阻Ra 与传感器总电阻Rtotal串联,施加一个已知工作电压V＋ ,在Ra 两端并联一 个数字电压表,便可测出惠斯登电桥中单个巨磁电阻的阻值RB ,如图４Ｇ２Ｇ５(b)所示. 图４Ｇ２Ｇ５ 多层膜巨磁电阻的测量结构图和等效电路图 根据图４Ｇ２Ｇ５(b)可得: RB ２ ＝ V＋－V V Ra (４Ｇ２Ｇ５) 式中,V 为数字电压表读数.式(４Ｇ２Ｇ５)可变为: RB ＝ ２Ra(V＋－V) V (４Ｇ２Ｇ６) 当外磁场为０时,有: R０ ＝ ２Ra(V＋－V０) V０ (４Ｇ２Ｇ７) 式中,R０ 为巨磁电阻在外磁场为０时的阻值;V０ 为数字电压表在外磁场为０时的读数