CMR 材料阻温特性测量

CMR材料阻温特性测量

引言： 巨磁电阻效应（GMR）最早是20世纪80年代在金属异质结构中发现的， 90年代美国IBM公司就成功地将它应用于高密度地读写磁头，将磁盘记录密度提高了几十倍。90年代初期，人们在一系列具有钙钛矿结构的稀土锰氧化合物Re1-x A x Mn O3 ( A=Ca/Sr/Ba, x>0.2)薄膜及块材中观察到超大磁电阻效应（CMR），这是继GMR材料之后，人们发现的具有更大的磁阻的材料，由于该类材料本身所展示的丰富物理内容，以及磁存储产业对更敏感和具有更快响应速度的磁探测器需求，使该材料在电子学和磁记录应用领域被寄予厚望，掀起了一股研究CMR材料的热潮。

锰基钙钛矿材料是典型的强关联电子体系，自旋，电荷和轨道等自由度的相互耦合对材料的性质起决定性作用。钙钛矿结构的掺杂锰氧化物其超大磁电阻机理，与铜氧化物的高温超导电性一样，是多电子强关联系统中十分有趣的问题。

【实验目的】

(1)了解巨磁电阻的阻温特性及其测量该材料金属—绝缘体转变温度的方法。

(2)了解金属和半导体PN结的伏安特性随温度的变化以及温差电效应。

(3)学习几种低温温度计的比对和使用方法，以及低温温度控制的简便方法。

【实验原理】

1、超大磁电阻（CMR）材料的导电特性

人们在研究钙钛矿结构的稀土锰氧化合物的电阻与温度关系时，发现在某一临界温度以下，材料的电阻随着温度的升高而增大，呈现金属的导电特性，而在该临界温度以上，材料的电阻随温度升高而减小，呈现出绝缘体或半导体的导电特性，如图1所示。该临界温度被定义为：金属—绝缘体转变温度Tp。

在金属—绝缘体转变温度附近，CMR材料除了导电性能发生突变外，其它物理量也发生了变化，例如材料的磁结构的突变（即磁性相变），发生了从铁磁相到顺磁相的转变，即材料的居里温度Tc在Tp附近，如图2中的M－T曲线所示。在高于铁磁居里点T c的温度下,材料的电阻率随着温度的降低而增大(dρ/dT<0)，表现出顺磁绝缘体输运行为，电阻率在T c处达到最大值，随后随着温度的进一步降低,电阻率减小(dρ/dT>0)，呈现铁磁金属性导电行为，如图2中的ρ－T曲线所示。外加磁场能显著降低T c 附近系统的电阻率，使之表现出超大磁电阻效应（CMR）。这就是典型的钙钛矿CMR

材料的电

图1.超大磁电阻（CMR）材料的电阻温度曲线

图2. La0.75Ca0.25Mn金属—绝缘体转变温度的

电磁输运行为

磁输运行为，如图2中MR －T 曲线所示。通过测量CMR 材料的电阻—温度特性，还能了解材料的磁结构相变的有关信息。

采用四端法测量CMR 材料的电阻，采用铂电阻温度计、铜一康铜和铜一康铜热电偶进行测温和控制样品与液面的距离。

2、金属电阻随温度的变化

电阻随温度变化的性质，对于各种类型的材料是很不相同的，它反映了物质的内在属性，是研究物质性质的基本方法之一。

在合金中，电阻主要是由杂质散射引起的，因此电子的平均自由程对温度的变化很不敏感，如锰铜的电阻随温度的变化就很小，实验中所用的标准电阻就是用锰铜线绕制而成的。

在纯度很高的金属中，电阻随温度有显著的变化。我们可以利用金属电阻随温度的变化来测量温度，制成适合于不同温度范围的各种类型的温度计。根据马西林定则，当金属纯度很高时，总电阻可以近似表示为

r i R T R R +=)( （1）

其中)(T R i 是由晶格原子的热振动引起的电阻，随温度的降低而变化。r R 是由杂质或缺陷引起的电阻(称为剩余电阻)，与温度无关，与样品的物理状态和化学纯度有关。在液氮温度以上，由于r i R T R >>)(，因此有

)(T R R i ≈．理论计算表明，当

2/D T Θ>(其中D Θ称为德拜温度)时，

近似地有T R i ∝。

铂的德拜温度为225K ，粗略地说，在

77K 到室温的温度范围内，它们的电阻

)(T R R i ≈近似地正比于温度T。然而，

稍许精确的测量就会发现它们是偏离线性

关系的。在90 K

以下的温度范围内，铂的电阻温度关系如图

3所示。

在液氮正常沸点到室温这一温度范围内，铂

电阻温度计具有较好的线性电阻温度关系，可以

表示为

B AT T R +=)( （2）

为了方便，也可以将上式改写为

b aR R T +=)( （3）

在以上两式中，A 、B 和a 、b 都是不随温度变

化的常量。因此，根据我们所给出的铂电阻温度

计在液氮正常沸点和冰点的电阻值，可以确定所

用的铂电阻温度计的A 、B 或a 、b 的值，并由

图3 铂的电阻温度关系

图4二极管的正向电压温度关系

此可得到用铂电阻温度计测温时任一电阻所相应的温度值。

3、半导体pn结的正向电压随温度的变化

半导体具有与金属很不相同的电阻温度关系。一般而言，在较大的温度范围内，半导体具有负的电阻温度系数。此外，在恒定电流下，硅和砷化镓二极管pn结的正向电压也会随着温度的降低而升高，如图4所示。由图可见，用一支二极管温度计就能测量很宽范围的温度，且灵敏度很高。由于二极管温度计的发热量较大，常把它用作为控温敏感元件。

4、温差电偶温度计

当两种金属所做成的导线连成回路，并使其两个接触点维持在不同的温度时，则该闭合回路中就会有温差电动势存在。如果将回路的一个接触点固定在一个已知温度，例如液氮的正常沸点77.4K，则可以由所测量得到的温差电动势确定回路的另一接触点的温度。

【实验仪器】

本实验装置由以下四部分组成：(1)低温恒温器(其核心部件是安装有高临界温度超导体、铂电阻温度计、铜一康铜、铜-康铜温差电偶及25Ω锰铜加热器线圈的紫铜恒温块，俗称探头)；

(2)不锈钢杜瓦容器和支架；(3)PZ158型直流数字电压表(5 1/2位，1μV)：(4) BW2型高温超导材料特性测试装置(又称电源盒)，以及一根两头带有19芯插头的装置连接电缆和若干根两头带有香蕉插头的面板连接导线。

(一)低温恒温器和不锈钢杜瓦容器

低温恒温器和杜瓦容器的结构如图5

所示。

正常沸点为77.4 K的液氮盛在不锈钢真空夹层

杜瓦容器中，借助于手电筒可通过有机玻璃盖看

到杜瓦容器的内部，拉杆固定螺母(以及与之配

套的固定在有机玻璃盖上的螺栓)可用来调节和

固定引线拉杆及其下端的低温恒温器的位置。低

温恒温器的核心部件是安装有超导样品和温度

计的紫铜恒温块，此外还包括紫铜圆筒及其上

盖、上、下档板、引线拉杆和19芯引线插座等

部件。包围着紫铜恒温块的紫铜圆筒起均温的作

用，上档板起阻挡来自室温的辐射热的作用。

当下档板浸没在液氮中时，低温恒温器将逐

渐冷却下来。适当控制浸入液氮的深度，可使紫

铜恒温块以所需要的速率降温。通常使液氮面维

持在紫铜圆筒底和下档板之间距离的l／2处。

在超导样品的超导转变曲线附近，如果需

要，还可以利用25Ω加热器线圈进行细调。加

热器线圈由温度稳定性较好的锰铜线无感地双

线并绕而成。由于金属在液氮温度下具有较大的

热容，因此在降温过程中使用电加热器时，一定

要注意紫铜恒温块温度变化的滞后效应。

实际上，由于在发生超导转变时，低温恒温

器的降温速率已经变得非常缓慢，往往无需使用

电加热器。然而，为了得到远高于液氮温度的稳定的中间温度，则需要将低温恒温器放在容器中液氮面上方远离液氮面的地方，调节通过电加热器的电流以保持稳定的温度。

图5 低温恒温器和杜瓦结构示意图