霍尔效应与电阻测量

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2 磁电阻效应
正常磁电阻效应
各向异性磁电阻效应
磁电阻效应
巨磁阻效应
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2 磁电阻效应
磁电阻效应MR是指物质在磁场的作用下电阻发生 变化的物理现象。表征磁电阻效应大小的物理量为MR， 其定义为：
其中
和 0分别表示物质在某一不为零的磁场中和磁
颗粒膜中的巨磁电阻效应类似于多层膜的情 况,主要是磁性颗粒本身之间的相互散射.
隧道巨磁电阻效应 磁性多层膜的巨磁阻效应一般发生在磁性层/非磁 层/磁性层之间,其中非磁层为金属层,对于非磁层为 半导体或绝缘体材料的磁性多层膜体系,若在垂 直于膜面即横跨绝缘体材料层的电压作用下可以 产生隧穿电流,便形成了隧道磁电阻效应.
何沛雄教授－－香港大学中文系名誉教授 吴家玮——香港科技大学创校校长 钟景辉——资深的香港舞台剧演员和导演，戏剧教育家 视制作人，电视剧演员及电视节目主持。 唐英年——现任香港财政司司长。 黄杏秀——香港电视艺员。 欧倩怡——香港电视艺员。 王晶——香港电影导演、编剧、制作人。 关锦鹏——香港电影导演。 陈键锋——香港电视艺员。 周松岗——地铁公司行政总裁。 卓以和博士——半导体之父 沈吕九博士——著名物理学家 林思齐博士——前加拿大不列颠哥伦比亚省省督 谢志伟博士——前浸会大学校长 吴清辉教授——浸会大学校长 萧荫堂教授——哈佛大学数学系系主任 郭新教授——香港大学理学院院长，著名天文学家
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2.14 磁电阻效应应用
巨磁电阻读出磁头
当记录媒质上的剩余磁场作用于磁头时,自旋阀的自 由层磁化强度方向发生变化,电阻的变化通过磁头的电流 读出。
传统的薄膜感应式磁头的读出电压与线圈圈数和磁通 变化率成正比,为检测与高密度位信息相对应的微弱的剩磁 通,不得不增加线圈的圈数和增加硬盘的线速度。线圈圈数 的增加不仅增大了制造过程的难度,同时也引起了磁头阻抗 的增长,对提高磁记录密度是不利的,而随着硬盘的小型化, 硬盘线速度相应下降,读出信号的幅度会变的更小。
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氧化物膜
主要由钙钛矿类的亚锰酸(LaMnO3 )中的 La 3 部分被Ca、Ba和Cd等二价离子替换。 类钙钛矿的Ln1 - xMxMnO3 系氧化物具有一个 共同特征,在一定温度范围时外磁场可使其从顺磁性 或反铁磁性变为铁磁性,在磁性发生转变的同时,其导 电特性从半导体态转变为金属态,从而使其电阻率产 生巨大的变化.庞磁电阻( colossal magnetoresistance,CMR).
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2.12 各向异性磁电阻效应
在铁磁性物质中,当外磁场与电流的 夹角变化时,样品的电阻也随之变化. 这 种现象被称之为各向异性磁电阻效应. 各向异性散射是由于电子自旋轨道耦合和势散射中心的低对称,降低 了电子波函数的对称性,从而导致了电 子散射的各向异性.
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崔琦、施特默和劳克林在比整数量子霍尔 效应更低的温度0.1K 和更强的磁场20T条件 下,对具有高迁移率的更纯净的二维电子气系统 样品的测量中,也在一些电阻和温度范围内观测 到横向霍尔电阻呈现平台而同时纵向电阻减小 到零的现象,但不同的是,这些平台对应的不是 整数值,而是分数值,称为分数量子霍尔效应。
崔琦
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Stormer, Horst L.
Prof. Robert B. Laughlin
崔琦，1939年出生在中国河南省宝 丰县一个殷实的家庭，崔琦在家中是老 幺，上有三位姐姐。1949年国内战乱, 姐 姐们逃至香港, 1951年,12岁的崔琦被接 到香港, 四姐弟远离父母, 在香港自力更 生。 聪颖的崔琦进入香港培正中学读初 二, 并完全依靠奖学金读至高中毕业。 1958年, 崔琦以优异的成绩获得留美奖学 金的资助进入美国里斯特纳大学, 毕业后 又入芝加哥大学攻读物理博士, 后进入贝 尔实验室做研究, 80年代中期, 进入普林 顿大学执教至今。
eEH evB
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Is nevbd
得
IsB 1 IsB VH E H b RH ne d d
1 RH ne
霍尔系数
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霍尔效应的应用
测量载流子浓度 判断半导体类型 测量磁场强度 测量地磁场 电信号转换及运算 设计磁流体发电机 测量电流强度 测量微小位移
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可以从复合玻色子(每电子携带奇数根 量子磁通) 的角度有一个较好的理解.
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应用:
1. 1990年起, 电阻标准为:
2. 精细结构常数
在量子电动力学中，任何电磁 现象都可以用精细结构常数的 幂级数来表达。这样一来，精 细结构常数就具有了全新的含 义：它是电磁相互作用中电荷 之间耦合强度的一种度量，或 者说，它就是电磁相互作用的 强度。
8000
7950
7900
7850 -6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000
H(Oe)
图７ [Co（1 nm）/ITO （2nm）]50 多层膜 电阻随磁场的变化关系
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图８
隧道结的结构与测量示意图
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图４
巨磁阻效应示意图
FM 表示磁性材料,NM 表示非磁性材料,磁性材 料中的箭头表示磁化方向,Spin 的箭头表示通过电 子的自旋方向;在下部的两个线路图中,R 表示电阻 值,R 的大小用体积大小形象表示．
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颗粒膜 颗粒膜具有微颗粒和薄膜双重特性及其交互 作用效应,因此从磁性多层膜巨磁效应的研究延 伸到磁性颗粒膜巨磁效应的研究有其内在的必然 性.

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2.13 巨磁电阻效应
巨磁阻效应(giant magnetoresistance， GMR) ,是指在磁性材料和非磁性材料相间的多 层膜中,电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场 作用时存在巨大变化的现象. 巨磁电阻效应只有在纳米尺度的薄膜中才 能观测到,因此纳米材料以及超薄膜制备技术的 发展使巨磁电阻传感器芯片得以实现.
物理磁阻效应 正常磁电阻效应 几何磁阻效应
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物理磁阻效应
当洛仑兹力和霍尔电场所产生的静电 力合力作用的结果平衡时电子的速度V0为
V0 VH /( B j b)
如果电子运动的速度V > V0 时,电子将沿着 洛仑兹力作用的方向偏转, 使沿着外电场方向的 电流密度减小,即由于磁场的存在而增加了电阻,
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1.21 整数量子霍尔效应
德国物理学家冯· 克利青等在二维体系 的霍尔效应实验中，多次研究在处于极低温度 1.5K 和强磁场18T 的作用下，发现了一个与 经典霍尔效应完全不同的现象: 霍尔电阻R H 随磁场的变化出现了一系列量子化电阻平台, h 这些平台电阻为 2 ,这种现象称为整数量 ie 子霍尔效应。
0 MR 100% 0
场为零时的电阻率。 磁电阻效应按磁电阻值的大小和产生机理的不同 可分为：正常磁电阻效应(OMR)、各向异性磁电阻效 应(AMR)、巨磁电阻效应(GMR) 等。
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2.11 正常磁电阻效应
正常磁电阻效应来源于磁场对电子的洛 仑兹力,导致载流子运动发生偏转或产生螺旋运 动,使电子碰撞几率增加,电阻增大.
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Δ ρ ρ B ρ 0 2 2 H 其关系式为 ρ ρ0
ρ0 、ρB 分别为无有磁场时的电阻率. H是磁 场强度,μ是载流子迁移率.
几何磁阻效应
几何磁阻效应是在相同磁场作用下,几何形 状不同的半导体片出现电阻值不同变化的现象.
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GMR 随机存储器( RA M)
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GMR 传感器
磁传感器主要用来检查磁场的存在、强弱、方 向等. 在GMR 传感器出现以前,人们使用的磁电阻传 感器主要是利用AMR 效应材料,但由于AMR 磁电阻 率变化小,因而在检测微弱磁场时受到限制. 利用 GMR 效应的传感器继承了AMR传感器所具有的优 点,而且由于GMR 磁电阻变化率大,使它能传感微弱 磁场,从而大大提高了传感器的分辨率、灵敏度、精 确性等指标,扩大了测量范围和应用面.
何弢博士——建筑师 何钟泰博士——工程师 黄干亨博士——律师 叶惠康博士——香港儿 童合唱团创办人 石信之——指挥家 马思聪——音乐家 何建宗教授——环保及 极地探险家(培正中学校监) 毛钧年——前新华社社 长 谢仕荣——AIA保险集团 亚太区总裁 林秀棠——商人 赵世曾——商人、建筑 师 陈国强——商人、土木 工程师 何重恩——香港电台节 目监制及主持人。 顾明均－－香港著名商 人，南太电子集团创办人。
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1.1 经典霍尔效应
当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于 磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的 现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔 电压）。
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图１
霍尔效应原理
ev B
当载流子所受的横向电场力eEH与洛仑兹力 相 等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有
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2.2 磁电阻测量
恒流源
V
电流
四探针
薄膜
d
mA
磁场电源
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图５ 四探针测量法的原理图
图６ 四端法测电阻示意图
R=U/I ρ=RS/L S=Wt
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8200
8150
8100
8050
R(0
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0
av
AMR / ( // ) / 0
这里 0 为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率。 不过由于理想的退磁状态很难实现，通常取
0 av ( // 2 ) / 3
则有：
// AMR av av
他是获得这一世界科学最高奖的第六名华人, 另外五 名分别是杨振宁、李政道、丁肇中、李远哲、朱棣文。
宇称不守恒理论
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发展利用雷射冷却与 以分子水平化学反应动力学的研究 J粒子 捕捉原子方法
崔琦——物理学家，1998年诺贝尔物理奖得主之一。 丘成桐——数学家，数学界最高荣誉菲尔兹奖得主之一
实验证明, 在弱磁场的作用下,电阻率的相对 变化率为
RB B (1 g 2 B 2 ) R0 0
在中等磁场下:
RB B (1 g n B n ) R0 0
(1<n<2)
在强磁场下:
RB B (1 gB) R0 0
g为形状系数,与半导体片长L、宽W 等有关
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霍尔效应及磁电阻测量
2 磁电阻效应
1 霍尔效应
1.1 经典霍尔效应 整数量子霍尔 效应 1.2 量子霍尔效应 分数量子霍尔 效应
Magnetic Resistance
2.1 磁电阻效应(MR)原理 2.11 正常磁电阻效应(OMR) 的基本原理 Ｏrdinary
2.12 各向异性磁电阻效应(AMR) 的基本原理 Anisotropic 2.13 巨磁阻效应(GMR) 的基本原理 Ｇiant 2.2 磁电阻测量
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二维电子气主要用MOSFET方式实现
图２
MOSFET 示意图
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图３ 整数量子霍尔效应
二维电子系统在强磁场作用下, 会形成 电子的分立能级(称为Landan 能级).
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1.22 分数量子霍尔效应