各向异性磁电阻测量 南京大学

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文档大全实验10.1 各向异性磁电阻测量

南京大学物理学院

一、实验目的

（1）初步了解磁性合金的各向异性磁电阻（AMR）；

（2）初步掌握室温磁电阻的测量方法。

二、实验原理

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

(0)?????

及(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

//(0)1/3(2)av????????。

对于大多数材料(0)???，故

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0012avavavavavavavav????????????????????????

?

AMR常定义为：

000AMR???????????????

如果0av???，则说明该样品在退磁状态下有磁畴结构，即磁畴分布非完全各项同性。图1是曾用作磁盘读出磁头和磁场传感器材料的Ni81Fe19的磁电阻曲线，很明显(0)???，(0)????，各向异性明显。图中的双峰是材料的磁滞引起的。图2是一些铁磁金属与合金薄膜的各向异性磁电阻曲线。

图1 Ni81Fe19薄膜的磁电阻曲线

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图2 一些铁磁金属与合金薄膜的AMR曲实线和曲线分别表示横向和纵向的磁电阻

二、实验仪器

亥姆霍兹线圈、大功率恒流电源、大功率扫描电源、精密恒流源、数字微伏表、四探针样品夹具。

四、实验内容

1. 方法

（1）将样品切成窄条，这在测AMR时是必需的。对磁性合金薄膜，饱和磁化时，样品电阻率有如下关系：

20()cos????????

其中?是磁场方向与电流方向的夹角。

为保证电流有一确定方向，常用的方法是：①

将样品刻成细线，使薄膜样

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文档大全品的宽度远远小于长度。②用平行电极，当电极间距远小于电极长度时，忽略电极端效应，认为两电极间的电流线是平行的。

（2）用非共线四探针法测电阻值，如图3所示。这种方法当数字微伏表内阻很大时，可以忽略探针接触电阻的影响，已在半导体、铁氧体、超导体等的电测量中广泛使用。

图3 四探针法示意图

2. 测量

（1）将大功率恒流源与亥姆霍兹线圈连接，将样品装上四探针夹具并按图4连接好。将装好样品的夹具固定在亥姆霍兹线圈中心，使电流方向与磁场方向平行。启动仪器，预热校准。

（2）调整精密恒流源输出，使测量电流（流过样品的电流）为1~100mA 范围内的某个确定电流，本实验为6mA。

（3）调节大功率恒流源输出电流，从-6A开始，逐点增大至6A，并记录大功率恒流源输出电流值、数字微伏表显示的电压值。注意在0A附近时磁场变化的步距要小。

（4）调节大功率恒流源输出电流，从6A到-6A，记录对应的电流值和电压值（同上）。

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文档大全（5）将样品夹具转90°固定好，是电流方向与磁场方向垂直，再重复（3）-（4）步，测量记录电流值和电压值。

（6）将测量记录的数据，绘制R-H曲线（H与记录的电流值I成正比，R 与记录的电压值V成正比，由于AMR是一种相对变化量，这里可以直接用I代替H，V代替R）。

（7）根据R-H曲线计算出av?，相对饱和电阻率?，?

?）。

?以及AMR（计算时可用R代替

五、实验数据

测量得到电流值和电压值，下面对测量得到的数据作出R-H曲线，并计算相应量。

1. 磁场方向与电流方向平行时

得到的R-H曲线如图所示，

图4 磁场方向与电流方向平行时的R-H曲线

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文档大全从图中可以看到，平行情况下，随着磁场的增大，电阻值也逐渐增大，直到饱和。而且在零磁场的两边，出现了双峰，这与前面的讨论也是吻合的。

但是这里的R-H曲线呈现了一种奇怪的形状，即同支曲线的两边是不等高的，如下面那支曲线（从-6A到+6A扫描）的右边比左边明显要高，而且

两支曲线在竖直方向上也错开了一段距离。

我们在实验中观察到的一种现象，即在特定的H值下，我们保持H值不变，但是此时的R值却会随时间逐渐增大，这说明有某种磁场以外的因素使得R值随时间增大。这种增益因子或许可以解释上述曲线的奇怪之处，对于下面的那支曲线，由于我们是从左往右扫描的，随着时间流逝，增益因子使得右边的R值比左边多出了一些，因此曲线右边比左边高。而两支曲线的错位也可以用增益来说明，因为我们先测下面的曲线后测上面的曲线，增益使得上面的曲线产生了一定的“抬升”，因而比下面的曲线要高。但是具体是什么原因导致了这种增益因子，有待于进一步的实验，其中一种可能是热效应的影响。

为了使增益因子的影响最小化，我们取下支曲线做计算。下支曲线中，(0)21.716??，()21.847H??

因此，

0()(0)0.60%(0)H?????????

2. 磁场方向与电流方向垂直时

R-H曲线如图，

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图5 磁场方向与电流方向垂直时的R-H曲线

从图中可以看到，垂直情况下，随着磁场的增大，电阻值逐渐减小，直到饱和。而且在零磁场的两边，出现了双峰，这与前面的讨论吻合。

同样地，曲线的不对称和错位可以用增益因子来解释（见平行情况的讨论）。取下支曲线做计算，其中

(0)21.607??，()21.333H??

因此，

0()(0)1.27%(0)H??????????

3. av?和AMR 由原理部分可知，

//1/3(2)21.504av???????

001.87%AMR??????????

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文档大全由上述分析可知，在这种磁性材料中存在各项异性磁电阻效应，AMR并不大，实验结果为1.87%。

六、实验注意事项

1、亥姆霍兹线圈中通的电流比较大，因而不能长时间让线圈工作在强电流下，以免烧毁线圈。

2、实验结束时要将各个电源归零，关闭数字万用表。

3、在记录过程中，在样品电压变化缓慢的区域，线圈电流可以调节得快