巨磁阻效应

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巨磁阻效应实验报告

巨磁阻效应实验报告巨磁阻效应实验报告引言：巨磁阻效应是一种材料在外加磁场下，磁阻发生显著变化的现象。

这种现象被广泛应用于磁存储、传感器等领域。

本实验旨在探究巨磁阻效应的基本原理和应用。

一、实验目的本实验的主要目的是通过实验验证巨磁阻效应的存在，并探究其与外加磁场强度、温度等因素的关系。

二、实验原理巨磁阻效应是指材料在外加磁场下，其电阻发生显著变化的现象。

这种变化是由于磁矩在外加磁场作用下发生重排而引起的。

当外加磁场增大时，磁矩的重排程度增加，导致电阻的变化。

巨磁阻效应的大小可以通过磁阻率的变化来衡量。

三、实验材料和仪器本实验所需的材料和仪器有：磁铁、巨磁阻效应样品、电源、万用表、恒温槽等。

四、实验步骤1. 将巨磁阻效应样品放置在恒温槽中，使其温度保持恒定。

2. 将电源接入巨磁阻效应样品，调节电流大小，测量电阻值。

3. 在不同的温度和磁场强度下，重复步骤2，记录数据。

4. 对实验数据进行分析和处理，得出结论。

五、实验结果和分析通过实验测量得到的数据，我们可以得出以下结论：1. 随着外加磁场强度的增加，巨磁阻效应样品的电阻值呈现出明显的变化。

这表明巨磁阻效应的存在。

2. 在一定的温度范围内，巨磁阻效应的大小与温度呈现出一定的关联性。

随着温度的升高，巨磁阻效应的大小逐渐减小。

3. 不同样品的巨磁阻效应大小有所差异，这与样品的材料特性有关。

六、实验误差分析在实验过程中，可能存在一些误差，如电流的测量误差、温度控制的误差等。

这些误差可能会对实验结果产生一定的影响。

为了减小误差，我们可以采取一些措施，如提高仪器的精度、增加数据的重复性等。

七、实验应用巨磁阻效应在磁存储、传感器等领域有着广泛的应用。

通过巨磁阻效应，我们可以设计出更加灵敏、高效的传感器，提高磁存储设备的性能等。

八、结论通过本次实验，我们验证了巨磁阻效应的存在，并探究了其与外加磁场强度、温度等因素的关系。

巨磁阻效应在磁存储、传感器等领域具有重要的应用价值。

巨磁电阻效应

ห้องสมุดไป่ตู้
目前，采用SPIN-VALVE材料研制的新一代硬盘读出磁头，已经把存储密度提高到560亿位/平方英寸，该类型磁头已占领磁头市场的90%～95%。随着低电阻高信号的TMR的获得，存储密度达到了1000亿位/平方英寸。
2007年9月13日，全球最大的硬盘厂商希捷科技（Seagate Technology）在北京宣布，其旗下被全球最多数字视频录像机（DVR）及家庭媒体中心采用的第四代DB35系列硬盘，现已达到1TB（1000GB）容量，足以收录多达200小时的高清电视内容。正是依靠巨磁阻材料，才使得存储密度在最近几年内每年的增长速度达到3～4倍。由于磁头是由多层不同材料薄膜构成的结构，因而只要在巨磁阻效应依然起作用的尺度范围内，未来将能够进一步缩小硬盘体积，提高硬盘容量。
光信息91 09095005 陈松
法国科学家阿尔贝· 费尔和德国科学家彼得· 格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得 2007年诺贝尔物理学奖。这项技术用于读取硬盘数据，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小。
巨磁阻效应，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巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。巨磁阻效应被成功地运用在硬盘生产上，具有重要的商业应用价值。

巨磁阻效应的原理及应用

巨磁阻效应的原理及应用物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁阻效应。

磁性金属和合金材料一般都有这种现象。

一般情况下，物质的电阻率在磁场中仅发生微小的变化，在某种条件下，电阻减小的幅度相当大，比通常情况下约高十余倍，称为巨磁阻效应（GMR ）。

要说这种效应的原理，不得不说一下电子轨道及自旋。

种角动量在原子物理学中，对于单电子原子（包括碱金属原子）处于一定的状态，有一定的能量、轨道角动量、自旋角动量和总角动量。

表征其性质的量子数是主量子数n、角量子数I、自旋量子数s= 1 /2,和总角动量量子数j。

主量子数（n=1 , 2, 3, 4…）会视电子与原子核间的距离（即半径座标r）而定。

平均距离会随着n增大，因此不同量子数的量子态会被说成属于不同的电子层。

角量子数（1=0, 1…n-1）（又称方位角量子数或轨道量子数）通过关系式来代表轨道角动量。

在化学中，这个量子数是非常重要的，因为它表明了一轨道的形状，并对化学键及键角有重大形响。

有些时候，不同角量子数的轨道有不同代号，1=0的轨道叫s轨道，1=1的叫p轨道，1=2的叫d轨道，而1=3的则叫f轨道。

磁量子数（ml= -I, -I+1…0…1-1 , I）代表特征值，。

这是轨道角动量沿某指定轴的射影。

从光谱学中所得的结果指出一个轨道最多可容纳两个电子。

然而两个电子绝不能拥有完全相同的量子态（泡利不相容原理），故也绝不能拥有同一组量子数。

所以为此特别提出一个假设来解决这问题，就是设存在一个有两个可能值的第四个量子数一自旋量子数。

这假设以后能被相对论性量子力学所解释。

我们对过渡金属的电导率有了如下认识：电流由s电子传递，其有效质量近乎于自由电子。

然而电阻则取决于电子从s带跃迁到d带的散射过程，因为跃迁几率与终态的态密度成正比，而局域性的d带在费米面上的态密度是很大的。

这就是过渡金属电阻率高的原因。

这种s-d散射率取决于s电子与d电子自旋的相对取向。

巨磁电阻（GMR ）效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。

巨磁阻效应,霍尔效应原理

霍尔效应的原理在导体上外加与电流方向垂直的磁场，会使得导线中的电子与电洞受到不同方向的劳伦兹力而往不同方向上聚集，在聚集起来的电子与电洞之间会产生电场，此一电场将会使后来的电子电洞受到电力作用而平衡掉磁场造成的劳伦兹力，使得后来的电子电洞能顺利通过
霍尔效应
不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
方便起见，假设导体为一个长方体，长度分别为 a,b,d，磁场垂直ab平面。电流经过ad，电流I = nqv(ad)，n为电荷密度。设霍尔电压为VH，导体沿霍尔电压方向的电压方向的电场为VH / a。设磁场强度为B。 Fe = Fm qVH/ a = qvB VH / a = BI / (nqad） VH = BI / (nqd)
பைடு நூலகம் 庞磁电阻效应
具有显著磁电阻效应的磁性材料。强磁性材料在受到外加磁场作用时引起的电阻变化，称为磁电阻效应。不论磁场与电流方向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应。前者（平行）称为纵磁场效应，后者（垂直）称为横磁场效应。一般强磁性材料的磁电阻率（磁场引起的电阻变化与未加磁场时电阻之比）在室温下小于8％，在低温下可增加到10％以上。已实用的磁电阻材料主要有镍铁系和镍钴系磁性合金。室温下镍铁系坡莫合金的磁电阻率约1％～3％，若合金中加入铜、铬或锰元素，可使电阻率增加；镍钴系合金的电阻率较高，可达6％。与利用其他磁效应相比，利用磁电阻效应制成的换能器和传感器，其装置简单，对速度和频率不敏感。磁电阻材料已用于制造磁记录磁头、磁泡检测器和磁膜存储器的读出器等。
霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔（A.H.Hall，1855—1938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。（如下图）

巨磁电阻效应ppt课件

巨磁电阻效应的制造工艺问题及解决方案
制造工艺问题
巨磁电阻效应的制造工艺涉及到多个复杂的步骤，包括薄膜制备、光刻、干法刻蚀等。这些步骤中的任何错误都可能导致巨磁电阻器件的性能下降或失效。
VS
解决方案
为了解决制造工艺问题，可以采取一系列措施，例如通过引入自动化生产线和严格的质量控制体系来提高生产效率和质量。此外，可以通过研发新的制造工艺来降低成本和提高巨磁电阻器件的性能。
巨磁电阻效应的能效问题及解决方案
能效问题
巨磁电阻效应的能效问题也是影响其应用的重要因素之一。在许多情况下，使用巨磁电阻器件可能会导致较高的功耗和较低的能效。
解决方案
为了提高巨磁电阻效应的能效，可以采取多种措施，例如通过优化巨磁电阻器件的结构和材料来降低功耗和提高能效。此外，可以通过采用新的电路设计和控制策略来进一步降低功耗和提高能效。
05
巨磁电阻效应的未来展望
提高巨磁电阻效应的性能
发展新的制备技术
改进制备工艺，提高巨磁电阻材料的纯度和结晶度，从而提
高其性能。
探索新的物理机制
深入研究巨磁电阻效应的物理机制，为开发新型材料和优化性能提供理论支持。
优化结构设计
通过调整巨磁电阻材料的结构，如纳米结构、多层膜结构等，实现性能的优化。
03
电子的波粒二象性
在磁场中运动的电子具有粒子性和波动性两种特性。
电子散射
在晶体中，电子会受到原子或离子的散射。
磁矩和自旋
电子在磁场中运动时会受到磁矩的影响，导致电子自旋的取向发生变化。
巨磁电阻效应的数学描述
洛伦兹力公式
描述电子在磁场中受到的力。
霍尔效应

巨磁阻抗效应PPT

巨磁阻抗效应
目录
• 引言 • 巨磁阻抗效应的理论基础 • 巨磁阻抗效应的实验研究 • 巨磁阻抗效应的应用前景 • 总结与展望
01
引言
巨磁阻抗效应定义
磁场作用下的电阻变化
巨磁阻抗效应是指在磁场作用下，材料的电阻发生显著变化的现象。
依赖于磁场强度和方向
巨磁阻抗效应的大小和方向与磁场的强度和方向密切相关，这使得该效应具有很高的磁场灵敏度。
其他领域
巨磁阻抗效应还可应用于磁性随机存取存储器(MRAM)、磁性逻辑电路等新兴领域，推动自旋电子学的发展。
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结果分析
根据实验结果，可以分析得到巨磁阻抗效应的一些特性，如阻抗随磁场强度的变化规律、阻抗随频率的变化规律等。这些特性可以为巨磁阻抗效应的应用提供理论依据和技术支持。同时，实验结果还可以与理论模型进行比对，验证理论的正确性，并推动理论的进一步完善。
04
巨磁阻抗效应的应用前景
巨磁阻抗效应在电子工程领域的应用
应的产生机理和影响因素，有助于进一步探索其在电子器件和磁传感器等领域的应用前景。
03
巨磁阻抗效应的实验研究
实验设计与装置
实验设计
本实验旨在研究巨磁阻抗效应的特性，采用控制变量的方法，通过改变磁场强度、频率等参数，观察阻抗的变化规律。
实验装置
实验采用电磁铁产生磁场，样品置于磁场中。通过信号发生器产生交变电流，经过放大器放大后，输入到样品中。样品的阻抗变化通过阻抗分析仪进行测量，最终由计算机进行数据采集与处理。
影响因素
巨磁阻抗效应受到材料组成、微观结构、磁场强度和频率等多种因素的影响，深入理解这些因素对效应的影响机制是关键。
未来研究方向与挑战
材料设计

巨磁电阻效应及其应用

巨磁电阻效应及其应用巨磁电阻效应（GMR）是指一种材料在外加磁场作用下，其电导率发生改变，从而导致电阻率发生变化的现象。

这一现象最早是在20世纪50年代由Alfred G. Yelon等人在垂直于金属层面的磁场作用下观察到的。

但直到1988年，Prinz等人才发现了铁磁性薄膜间的GMR现象，这也使得GMR效应引起了科学家们的广泛兴趣。

GMR效应在接下来的几年里得到了深入研究，被发现可以用于高密度数据存储和无线通讯等多种应用中。

GMR效应可以由一系列不同的物理机制所产生。

其中，最为常见的是自旋環境杂化（SEH）和直接交换耦合（DEC）。

在SEH机制下，电流通过一条薄膜时会造成电子的自旋极化，这个自旋极化可以将与之相邻的薄膜中的自旋磁矩引起旋转，导致自旋的损失。

因此，在自旋磁矩方向相同的情况下，电阻率会较小，而在自旋反向的情况下，电阻率会较大。

在DEC机制下，自旋子交换能会通过金属层之间的电场作用而引起自旋磁矩的反向。

这也可以导致GMR效应的体现，但其具体机理仍有待深入探究。

GMR效应在很多领域都具有重要的应用。

其中最为广泛的是在数据存储中的应用。

磁头读取硬盘上的数据时，通过读取与保存数据时的自旋方向差异来区分不同的数据信息。

而GMR头比传统头更加灵敏，因此能够更准确地读取数据，同时也能够提高数据存储的密度。

此外，GMR效应还可以应用于磁性传感器中。

例如，GMR平面传感器可以精确地测量磁场的强度和方向，因此被广泛应用于导航、探矿以及科学实验中。

此外，GMR还可以应用于生物医学领域中的诊断和治疗。

比如在生命科学中，GMR传感器可以用于检测药物和蛋白质的相互作用，在诊断和治疗中也具有潜在的应用价值。

总之，GMR效应是一种基于材料电导率随磁场变化的现象。

其重要的应用领域包括数据存储、磁性传感器以及生物医学等领域。

随着技术的进步和理解的不断深入，GMR效应将有更多广阔的应用前景。

巨磁电阻效应

巨磁电阻效应――GMR 模拟传感器的磁电转换特性测量【实验目的】1. 掌握GMR 效应的定义；2. 了解GMR 效应的原理；3. 熟悉GMR 模拟传感器的构成；4. 测量GMR 磁阻特性曲线。

【实验仪器】ZKY-JCZ 巨磁电阻效应及应用实验仪、基本特性组件、导线【实验原理】一、巨磁电阻效应定义及发展过程1、定义2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。

本年度，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 Grunberg)因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。

瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。

巨磁阻到底是什么？诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。

他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。

正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信息量才得以大幅度提升。

目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。

“巨磁电阻”效应（GMR ，Giant Magneto Resistance)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巨大变化的现象。

也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。

2、发展过程人们早就知道过渡金属铁、钴、镍能够出现铁磁性有序状态。

量子力学出现后，德国科学家海森伯(W. Heisenberg)明确提出铁磁性有序状态源于铁磁性原子磁矩之间的量子力学交换作用，这个交换作用是短程的，称为直接交换作用。

后来发现很多的过渡金属和稀土金属的化合物具有反铁磁(或亚铁磁)有序状态，化合物中的氧离子(或其他非金属离子)作为中介，将最近的磁性原子的磁矩耦合起来，这是间接交换作用。

巨磁电阻效应

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巨磁电阻效应
1988年阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔发现，在铁、铬相间的三层复合膜电阻中，微弱的磁场可以导致电阻大小的急剧变化，这种现象被命名为“巨磁电阻效应”．
更多的实验发现，并非任意两种不同种金属相间的三层膜都具有“巨磁电阻效应”．组成三层膜的两种金属中，有一种是铁、钴、镍这三种容易被磁化的金属中的一种，另一种是不易被磁化的其他金属，才可能产生“巨磁电阻效应”．
进一步研究表明，“巨磁电阻效应”只发生在膜层的厚度为特定值时．用R 0表示未加磁场时的电阻，R 与膜层厚度d （三层膜厚度均相同）的关系如乙图所示．
1994年IBM 公司根据“巨磁电阻效应”原理，研制出“新型读出磁头”，将磁场对复合膜阻值的影响转换成电流的变化来读取信息．
（1）以下两种金属组成的三层复合膜可能发生“巨磁电阻效应”的是 ▲ ．
A ．铜、银
B ．铁、铜
C ．铜、铝
D ．铁、镍
（2）对铁、铬组成的复合膜，当膜层厚度是时，这种复合膜电阻 ▲ （选填“具
有”或“不具有”）“巨磁电阻效应”．
（3）“新型读出磁头”可将微弱的 ▲ 信息转化为电信息．（4）铁、铬组成的复合膜，发生“巨磁电阻效应”时，
其电阻R 比未加磁场时的电阻R 0 ▲ （选填 “大”或“小”）得多．
（5）丙图是硬盘某区域磁记录的分布情况，其中1
表示有磁区域，0表示无磁区域．将“新型读出磁头”组成如图所示电路，当磁头从左向右匀速经过该区域过程中，电流表读数变化情况应是丁图中的 ▲ ．参考答案：（1）B （2）具有（3）磁（4）小（5）B
A
B
C
D
丁
硬盘上的磁记录
右
左。

巨磁电阻效应

巨磁电阻效应——2007年诺贝尔物理学奖简介瑞典皇家科学院宣布，法国科学家阿尔伯特·费尔和德国科学家彼得·格鲁伯格共同获得2007年诺贝尔物理学奖.获奖的原因是这两位科学家先后独立发现了“巨磁电阻”（GMR）效应.这个发现引发的技术进步极大地提高了计算机硬盘磁头的数据读取能力，使硬盘无论从容量还是体积上都产生了质的飞越.这个发现还导致了新一代磁传感器的出现，而且巨磁电阻被认为是纳米技术最重要的应用之一.1 磁致电阻的发现及应用磁电阻是一种铁、钴、镍等铁磁体置于外磁场中其电阻发生变化的物理现象.铁磁体的这个性质与电流方向和外加磁场方向有密切关系.150年前英国物理学家W.汤姆孙(开尔文勋爵)测量了铁和镍在外加磁场中的磁电阻效应.他写道：“我发现将铁置于磁场中，当电流方向与磁场方向一致时导体的电阻增大，而磁场方向与电流方向垂直时电阻减小.”这一现象被称为磁电阻各向异性(AMR)，现在人们知道这是由电子自旋引起的.磁致电阻技术在应用于硬盘磁头后成为一项重要的实用技术，在20世纪80年代，广泛用于制造磁头的材料是坡莫合金.随着计算机的不断发展，对数据存贮量的要求不断加大.人们迫切需要提高硬盘的存贮密度，但是如果大幅度提高硬盘的数据密度，磁单元就要做得非常小，每个单元的磁场强度就会变得很低.通常情况下，磁致电阻的改变是非常微小的，仅有不到一个百分点的变化，在当时科学家们认为想要提高基于MR技术磁头的效能非常困难.如何提高磁致电阻效能成为当时制约硬盘数据密度进一步扩大的瓶颈技术.2 巨磁电阻现象及其基本原理1988年，两个独立的研究小组意外地发现了非常巨大的磁电阻效应，即后来被命名的巨磁电阻效应.他们在实验中应用了一种叫做多层磁膜的材料，这种材料是由厚度仅为几个原子的铁磁纳米材料薄膜与非磁性金属纳米膜层叠而成.如图1格鲁伯格小组磁膜的结构是铁-铬-铁三明治式结构，而费尔小组的磁膜则是由多达60层的铁-铬层构成。

巨磁电阻效应

巨磁电阻效应材料
巨磁电阻效应材料
1.什么是巨磁阻效应?
2.它是怎样发现的? 3.产生这种效应的物理机制是什么? 4.在应用方面有哪些意义和前景?
巨磁读出磁头
位移传感器
巨磁电阻生物传感器巨磁电阻转速传感器
巨磁阻效应的发展史
1857 年，英国开尔文勋爵通过实验发现了铁磁材料在磁场中电阻改变的磁电阻效应。
磁电阻效应
指某些铁磁性材料在受到外加磁场作用时引起电阻变化的现象。不论磁场与电流方向平行还是垂直，都将产生磁电阻效应，前者(平行 )称为纵磁场效应，后者(垂直)称为横磁场效应。
表征磁电阻大小的物理量为磁阻比（MR）：
ρH—磁场下的电阻率，ρ0—零磁场下的电阻率
巨磁电阻效应
巨磁阻效应(GMR)：指在磁性材料和非磁性材料相间的多层膜中，电阻
外加饱和磁场
当外加于颗粒膜的磁场为零时，颗粒膜的磁化强度为零，各铁磁颗粒的磁化方向混乱排列，传导电子受到最大的散射作用，样品处于大电阻状态；当外磁场增加时，颗粒膜存在一定的磁化强度，各铁磁颗粒的磁化方向趋于外磁场方向，传导电子所受散射小，样品电阻降低。
影响GMR效应的因素
1.颗粒尺寸D0
存在一个平均颗粒尺寸，一般几十纳米，所测得的磁电阻值最大。
硬磁性层分隔层
软磁性层
自旋阀两种方式
自旋阀的优缺点
优点：磁电阻变化率 ∆R/R对外磁场的响应呈线性关系，频率特性好；
低饱和场，工作磁场小；电阻随磁场变化迅速，灵敏度高等；
缺点：自旋阀多层膜的磁电阻变化量并不大，同时现在面临的最大问
题就是它的抗腐蚀和热稳定性都不太好。
纳米颗粒结构的GMR效应
多层膜
多层膜示意图
磁性层和非磁性层交替生长构成磁性多层膜，制备多层膜方法：溅射，蒸发和分子数外延法。

巨磁电阻

产生材料
哪些材料能够产生巨磁电阻效应 1,在掺杂钙钛矿型锰氧化物 R1-xAxMnO3 中发现巨磁电阻（GMR），其中 1989 年在掺杂钙钛矿型锰氧化物 R1-xAxMnO3（其中 A 为二价碱土金属离子，如 Ca2+、Sr2+、 Ba2+等，R 为三价稀土金属离子，如 La3+、Pr3+、Tb3+、Sm3+等）中发现巨磁电阻（GMR），由于其在磁记录、磁传感器等方面潜在的应用前景，以及金属-绝缘体相变等所涉及的强关联效应，使该类化合物吸引了物理学界的广泛注意。2,钙钛矿型锰氧化物 La1-xCaxMnO3 具有较大的磁热效应七十年代末至八十年代初，人们在半导体材料以及顺磁材料中发现了由量子相干效应（由于无序而加强的载流子库仑相互作用）导致的正磁电阻，并建立了一套基于无序的理论来解释所观察到的实验现象。去年, Manyala 在 Fe1-XCoXSi 中首次观察到铁磁材料中的由量子相干效应导致的正磁电阻。另一方面，人们又在 1997 年首次发现钙钛矿型锰氧化物 La1-xCaxMnO3 具有较大的磁热效应后[40,41]，钙钛矿型锰氧化物的磁热效应引起了人们的注意。3,La07Pb03MnO3 单晶样品的由量子相干效应导致的正磁电阻效应、 A05Sr05MnO3 (A= Pr, Nd) 的巨磁热效应、多晶锌铁氧体和多晶 NiXFe1-XS 的巨磁电阻效应
在多层膜巨磁电阻结构中，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。
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，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，从一层铁磁膜进入另一层铁磁膜时都面临状态改变（平行－反平行，或反平行－平行），电子在界面上的散射几率很大，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，电子在界面上的散射几率很小，对应于低电阻状态。其二，铁磁膜内的散射。即使电流方向平行于膜面，由于无规散射，电子也有一定的几率在上下两层铁磁膜之间穿行。无外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向相反，无论电子的初始自旋状态如何，在穿行过程中都会经历散射几率小（平行）和散射几率大（反平行）两种过程，两类自旋电流的并联电阻相似两个中等阻值的电阻的并联，对应于高电阻状态。有外磁场时，上下两层铁磁膜的磁场方向一致，自旋平行的电子散射几率小，自旋反平行的电子散射几率大，两类自旋电流的并联电阻相似一个小电阻与一个大电阻的并联，对应于低电阻状态。

巨磁阻效应

巨磁阻效应姓名:学号:班级:指导教师:巨磁阻效应【实验目的】1.了解巨磁阻效应的原理，掌握巨磁阻传感器原理及特征；2.学习巨磁阻传感器的定标方法并测量其灵敏度；3.了解巨磁阻模拟传感器的结构、特点，并掌握用巨磁阻传感器测量磁场的方法。

【实验仪器】亥姆霍兹线圈（匝数N=200匝/个、导线；线圈间距r=10㎝）；直流稳压电源(5V)；试样AA002202巨磁电阻传感器。

【实验原理】一、巨磁阻效应所谓巨磁阻效应，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巨大变化的现象。

巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。

这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。

当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。

当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。

如图2所示，左面和右面的材料结构相同，两侧是磁性材料薄膜层（灰色），中间是非磁性材料薄膜层（黑色）。

当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相同的电子通过时，电子较容易通过两层磁性材料，都呈现小电阻。

当一束自旋方向与磁性材料磁化方向都相反的电子通过时，电子较难通过两层磁性材料，都呈现大电阻。

这是因为电子的自旋方向与材料的磁化方向相反，产生散射，通过的电子数减少，从而使得电流减小。

在右面的结构中，两层磁性材料的磁化方向相反。

当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相同的电子通过时，电子较容易通过，呈现小电阻；但较难通过第二层磁化方向与电子自旋方向相反的磁性材料，呈现大电阻。

当一束自旋方向与第一层磁性材料磁化方向相反的电子通过时，电子较难通过，呈现大电阻；但较容易通过第二层磁化方向与电子自旋方向相同的磁性材料，呈现小电阻。

二、巨磁阻效应特性测量1. 亥姆霍兹线圈 (1)载流圆线圈磁场根据毕奥—萨伐尔定律，半径为R 通以电流为I 的圆线圈在轴线（通过圆心并与线圈平面垂直的直线）上某点P （如图4所示）的磁感应强度为：NI x R R B 3/22220)(2+=μ (1)式中I 为通过线圈的励磁电流强度；N 为线圈的匝数；R 为线圈的平均半径；x 为轴上P 点到圆心O 的距离；170104--⋅⨯=m H πμ为真空磁导率。

大学巨磁阻效应实验

巨磁阻效应实验一、概述巨磁电阻(GMR）效应是１988年发现的一种磁致电阻效应，由于相对于传统的磁电阻效应大一个数量级以上,因此名为巨磁电阻（GianｔＭaｇnｅtｏres ｉｓtaｎc），简称GMR。

磁电子学是一门以研究介观尺度范围内自旋极化电子的输运特性以及基于它的这些独特性质而设计、开发的在新的机理下工作的电子器件为主要内容的一门交叉学科。

它研究的对象包括载流电子的自旋极化、自旋相关散射、自旋弛豫以及与此相关的性质及其应用等.对巨磁电阻效应的研究就是磁电子学的一个重要内容。

磁场作用于磁性多层膜中导电电子的自旋,导致膜电阻发生很大的变化。

这种变化可以通过测量电阻或以电压方式反映出来。

根据这种特点可以在许多领域得到应用。

到目前磁电子学的研究仍在世界范围轰轰烈烈地进行，它的应用已发展到计算机磁头、巨磁电阻传感器、磁随机存贮器等许多领域,鉴于磁电子学技术的新颖性和复杂性，对于磁电子学的研究仍在持续不断地进行.本实验仪器采用新型巨磁阻传感器，可在微弱磁场中发生巨磁阻效应，操作简单,使用安全，方便，帮助同学们从实验现象和数据中，了解巨磁阻效应的原理和应用,掌握巨磁阻传感器的原理和应用。

二、实验目的1了解巨磁阻效应原理,掌握巨磁阻传感器原理及其特性。

２学习巨磁阻传感器的定标方法，用巨磁阻传感器测量弱磁场。

3了解巨磁阻传感器敏感轴与被测磁场间夹角与传感器灵敏度的关系。

４了解巨磁阻传感器的灵敏度与工作电压的关系。

三、实验仪器巨磁阻效应实验仪亥姆霍兹线圈通电导线电流大小测试架图1 DH-GＭＲ-3巨磁阻效应实验仪四、实验原理1、巨磁电阻（GMＲ）原理图２利用两流模型来解释GＭR机制见图2。

巨磁电阻(GＭR)效应来自于载流电子的不同自旋状态与磁场的作用不同，因而导致的电阻值的变化。

这种效应只有在纳米尺度的薄膜结构中才能观测出来。

赋以特殊的结构设计这种效应还可以调整以适应各种不同的性能需要.２、巨磁电阻（GMR）传感器原理见图３。

巨磁阻效应

巨磁阻效应
量子阻抗效应，又称巨磁阻效应，是一种性质不同的电子态，该态受
到特殊条件下的量子力学效应的影响而形成，主要是量子化磁场与电场交
互作用的结果，即量子相互作用与量子层析。

巨磁阻效应由可调节量子图
状态形成，即一种电子行为模型，可以通过电场和磁场通过电子来改变，
从而该效应的研究也可以有效的提高电子的特异性，以及量子材料的性质。

巨磁阻效应的发现，将会以全新的方式改变整个电子器件的结构，从而实
现电子器件更高的性能，带来新的应用前景。

巨磁阻效应

六思考与讨论
1. 什么是巨磁阻效应?
七参考资料
1. 翟宏如鹿牧 1997
“多层膜的巨磁电阻” 《物理学进展》卷 17(2):159–179,
2. 姜宏伟 1997
“磁性金属多层膜中的巨磁电阻效应” 《物理》卷 26(9):562–567,
3. 张欣陆申龙时晨 “巨磁电阻效应及应用设计性物理实验的研究” 《大学物理》卷 27(11):1–4, 2008
SUES
大学物理选择性实验讲义
磁学
巨磁阻效应∗
2007 年 10 月, 法国科学家阿尔贝 · 费尔 (A. Fert) 和德国科学家彼得 · 格林贝格尔 (P. Gru¨nberg) 因分别独立发现了巨磁阻效应而共同获得了 2007 年诺贝尔物理学奖. 巨磁阻效应是指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的现象, 电阻相对变化率比各向异性磁电阻高一到两个数量级. 磁场的微弱变化将导致巨磁阻材料电阻值产生明显改变, 从而能够用来探测微弱信号.
图 3. 巨磁阻传感器测量通电导线产生的磁场的示意图.
四实验内容
1 观测巨磁阻效应 1. 用 Q9 连接线连接实验主机和实验装置架, 将亥姆霍兹线圈用导线串联起来, 再与实验主机上的 “亥姆霍兹线圈电源” 相连, 将 “传感器输出” 下的 “换档” 调至 ×1 档,“测量电压表” 下的白色波段开关拨向左边. 2. 打开实验主机, 将亥姆霍兹线圈电流调零, 传感器工作电压 V+ 调至 5 V, 将传感器输出调零. 3. 将亥姆霍兹线圈电流由零开始逐渐增大到 0.6 A, 每隔 0.05 A 记录传感器输出电压 V输出.
2. 将待测电流调零, 传感器工作电压 V+ 调至 5 V, 传感器输出电压调零. 3. 待测电流由零开始逐渐增大至 5 A, 每隔 0.5 A 记录传感器输出电压 V输出,

巨磁电阻效应

所谓巨磁阻效应，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巨大变化的现象。

巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。

这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。

当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。

当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。

上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。

铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。

利用两流模型来解释巨磁电阻效应众所周知，计算机硬盘是通过磁介质来存储信息的。

一块密封的计算机硬盘内部包含若干个磁盘片，磁盘片的每一面都被以转轴为轴心、以一定的磁密度为间隔划分成多个磁道，每个磁道又被划分为若干个扇区。

磁盘片上的磁涂层是由数量众多的、体积极为细小的磁颗粒组成，若干个磁颗粒组成一个记录单元来记录1比特（bit）信息，即0或1。

磁盘片的每个磁盘面都相应有一个磁头。

当磁头“扫描”过磁盘面的各个区域时，各个区域中记录的不同磁信号就被转换成电信号，电信号的变化进而被表达为“0”和“1”，成为所有信息的原始译码。

伴随着信息数字化的大潮，人们开始寻求不断缩小硬盘体积同时提高硬盘容量的技术。

198 8年，费尔和格林贝格尔各自独立发现了“巨磁电阻”效应，也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应。

这一发现解决了制造大容量小硬盘最棘手的问题：当硬盘体积不断变小，容量却不断变大时，势必要求磁盘上每一个被划分出来的独立区域越来越小，这些区域所记录的磁信号也就越来越弱。

借助“巨磁电阻”效应，人们才得以制造出更加灵敏的数据读出头，使越来越弱的磁信号依然能够被清晰读出，并且转换成清晰的电流变化。

最早的磁头是采用锰铁磁体制成的，该类磁头是通过电磁感应的方式读写数据。

然而，随着信息技术发展对存储容量的要求不断提高，这类磁头难以满足实际需求。

因为使用这种磁头，磁致电阻的变化仅为1％～2％之间，读取数据要求一定的强度的磁场，且磁道密度不能太大，因此使用传统磁头的硬盘最大容量只能达到每平方英寸20兆位。