多層膜巨磁電阻特性及電流最佳測量

姚 志，孫繼忠，李建東

（大連理工大學物理與光電工程學院，遼寧大連116024）

1 引 言

1986年德國P.Grunberg采用納米技術，對Fe／Cr／Fe 3層膜結構進行實驗研究發現，在兩鐵磁層之間存在反鐵磁耦合作用[1].1988年法國A.Fert的研究小組將Fe和Cr交替制成多層超晶格薄膜，發現了外磁場引起材料的電阻變化率十分明顯即巨磁電阻（giant magnetoresistance，簡稱GMR）效應[2].GMR效應的發現，導致了新的自旋電子學的創立.目前，GMR傳感器已經得到了廣泛的應用[3－4]，基于GMR效應的相關物理實驗也在大學物理實驗教學中得到開展[5－6].但由于不同方向外磁場以及不同環境溫度對GMR器件的特性影響如何報道不多，同時GMR傳感器測量電流時，有時需要加磁偏置，而如何選擇磁偏置使測量效果最佳也十分重要.為此，筆者對多層膜GMRAA002在不同方向磁場和溫度下的磁阻特性進行了實驗研究和分析，并且通過GMRAA002在不同磁偏置時對導線電流的測量，給出了電流測量效果最佳的磁偏置，從而為學生開展GMR的綜合性和研究性實驗提供了有益的指導和參考.

2 原 理

2.1 GMR效應

GMR效應可以由N.F.Mott的兩電流模型[7]給出相應解釋.根據Mott理論，鐵磁材料的傳導電子可分為自旋向上和自旋向下的2類電子，2類自旋電子在2個近似獨立的通道內輸運，總電流為兩通道的電流之和，總電阻為兩通道的并聯電阻.在多層膜Fe／Cr中，傳導電子在不同外磁場作用下的運動情況不同，圖1（a）為無外加磁場時電子的運動狀態.圖中頂層和底層為鐵磁層，中間層為非鐵磁層.相鄰磁層的磁矩反平行排列，磁層內電子的自旋磁矩相對磁層磁矩為平行和反平行狀態.電子自旋磁矩與磁層磁矩平行的電子受到的散射弱，其平均自由程長，電阻率低；而自旋磁矩與磁層磁矩反平行的電子，受到的散射強，電阻率高.由于無論哪部分傳導電子，在穿過兩磁矩相反的磁層后都會經歷強和弱的2種散射過程，因此，在宏觀上多層膜處于高阻狀態.圖1（b）為外磁場足夠強時電子的運動狀態.此時，各磁層磁矩與外磁場方向一致，磁層內電子的自旋磁矩相對磁層磁矩仍為平行和反平行排列.自旋方向與磁矩取向相同的那部分電子穿越磁層時只受到弱散射，這部分電子構成低電阻導通狀態，而自旋方向與磁矩取向相反的那部分電子構成高電阻狀態，整個多層膜電阻可視為低阻和高阻的并聯，因此宏觀上多層膜處于低阻狀態.通常定義GMR的磁電阻變化率[8]MR＝[R（0）－R（Bs）]／R（Bs），其中R（0）為無外磁場的電阻，R（Bs）為飽和磁感應強度Bs的電阻.

圖1 多層膜電子運動狀態示意圖

2.2 GMR結構

圖2為AA002－02e多層膜GMR的內部結構，它由4個GMR組成（R1＝R2＝R3＝R4＝R），其中R2和R4被高導磁材料坡莫合金層覆蓋屏蔽，阻值不受外界磁場影響.筆者實驗測得，在外磁場B＝0時，R2＝R4＝R1＝R3＝R（0）＝R；B≠0時，R1＝R3＝R＋ΔR，ΔR＝2[R總（B）－R]，R總（B）為不同磁感應強度B時V＋和V＿端的總電阻，ΔR為不同磁感應強度B時單個GMR的電阻改變量，可計算單個多層膜GMR阻值R（B）＝R＋ΔR.將AA002－02e作為傳感器使用時，在V＋和V＿端加輸入電壓VIN，輸出電壓VOUT為

圖2 AA002－02e多層膜巨磁電阻內部結構

3 GMR特性研究與電流測量

3.1 實驗裝置

實驗儀器及器材：成都世紀中科有限公司生產的ZKY－JCZ巨磁電阻效應及應用實驗儀、多層膜GMRAA002－02e、長直螺線管及磁線圈、特斯拉計、溫度傳感器、加熱器及液氮.

3.2 不同磁場方向的磁阻特性測量

實驗中將多層膜GMRAA002－02e置于螺線管磁場中心位置，使螺線管磁場方向垂直于GMR鐵磁膜的膜平面方向.測量時將AA002的電阻R2和R4置于短路狀態，電阻R1和R3為并聯狀態，在V＋和V－端加4V恒定電壓，采用伏安法測量GMR的電阻.實驗中改變通過螺線管線圈電流大小，測得不同磁感應強度B所對應GMR的阻值，從而得到磁感應強度B與單個GMR阻值的磁阻特性.實驗測得在室溫294K時的GMR磁阻特性曲線如圖3（a）所示.改變AA002在螺線管中的方向，使GMR鐵磁膜的膜平面平行于螺線管磁場方向，測得GMR的磁阻特性曲線如圖3（b）所示.

圖3 不同磁場方向GMR的磁阻特性曲線

實驗結果表明，同一GMR阻值對應的不同方向外場的場強值不同，外場方向與膜平面垂直時的場強值大于與膜平面平行時的場強值，即場強相同但方向不同的外磁場對GMR的作用效果不同.當外場足夠強使GMR達到飽和狀態時，無論外磁場方向與膜平面垂直還是平行，GMR的阻值均相同，本實驗為2 483.0Ω，相應的飽和磁感應強度Bs不同，分別為36.0mT（垂直）和2.71mT（平行）.這是由于GMR阻值與相鄰鐵磁層磁矩相對取向角θ有關[9]，而外磁場強弱影響磁層磁化，從而影響磁層磁矩間的夾角θ，磁矩間夾角θ與外磁場的關系可根據磁性自由能極小原理確定，對于Fe／Cr多層膜，磁性自由能與層間交換能、各層退磁能和塞曼能以及各層的磁晶各向異性能有關[10].筆者認為在本實驗中，外磁場與鐵磁膜的膜平面平行和垂直時，多層膜各層退磁能和磁晶各向異性能可能不同，使得2種狀態的磁性自由能不同，因而場強雖然相同但所對應的相鄰磁層磁矩的相對夾角θ不同，所以GMR的阻值也不相同.當外磁場足夠強時，磁層磁矩為平行排列，磁矩相對夾角θ為0，GMR的飽和阻值不變，與外磁場方向無關，但是不同方向的Bs值不同.

3.3 不同溫度下的磁阻特性測量

將GMR AA002置于螺線管磁場中心位置，使GMR鐵磁膜的膜平面平行于磁場方向，電路仍同于3.2測量狀態.改變GMR的環境溫度到77.4K，通過溫度傳感器監測GMR環境溫度，并維持環境溫度在77.4K不變，對GMR做伏安測量，使GMR的環境溫度為338K做相應測量.測得GMR在不同溫度下的磁阻特性實驗曲線如圖4所示，由實驗結果可以看出，無外加磁場時，環境溫度分別為77.4K和338K情況下，GMR的阻值是2 173.9Ω和2 949.8Ω；增加外磁場使GMR飽和時，GMR的阻值分別是1 855.2Ω和2 661.3Ω；MR分別為17.2%和10.8%；相應的Bs為3.91mT和2.41mT.

實驗結果表明，在同一磁場強度下，GMR在低溫環境下測得的磁電阻變化率比在高溫下測得的數值大，環境溫度增加GMR的阻值增大.這是由于多層膜GMR體系的總電阻與非彈性散射和彈性散射有關.非彈性散射是與自旋無關的散射[11]，溫度越高，非彈性散射越強，總的電阻值就越大，對應的磁電阻變化率的值就越小.多層膜GMR在外磁場中的變化主要源于與自旋相關的彈性散射.由于兩電流模型建立的前提條件是假定溫度趨于0K，因此當溫度升高時，自旋向上和向下的2個通道將存在相互影響，會出現自旋混合效應[11]，使2個通道的電流趨于相等，GMR的阻值減小，同時飽和磁場值也相應地減弱.依據實驗結果，筆者認為從低溫到338K范圍內，溫度對GMR阻值的影響主要來自于與自旋無關的非彈性散射，而與自旋相關的彈性散射受溫度的影響較小.

圖4 不同溫度GMR的磁阻特性曲線

3.4 GMR模擬傳感器的電流最佳測量

將GMR模擬傳感器AA002－02e置于導線（近似無限長）旁2mm處，在V＋和V－端加4V恒定電壓，由（1）式可以得到導線在不同電流下的傳感器電壓輸出.對較弱的被測電流，通常需要給傳感器施加一固定已知磁場稱為磁偏置.實驗時，使磁偏置分別為0.30，1.05，1.51mT，相應的VOUT分別為25.9，121.2，193.1mV，增大導線電流I，測得傳感器輸出電壓VOUT的VOUT－I曲線如圖5所示，由圖中曲線可以看出，不同磁偏置下曲線斜率不同，相應的測量靈敏度也不同，分別為4.118，5.543，4.208mV／（V·A），擬合相關系數為r＝0.999.可以看出磁偏置為1.05mT時曲線的斜率最大且線性度最好，在此磁偏置下電流測量精度最高.因為由（1）式可知，傳感器的輸出特性存在線性區，而要使傳感器工作在線性區，必須使GMR工作于磁阻特性的線性區，當被測電流較弱時，應施加磁偏置使GMR工作在磁阻特性的線性區，而磁偏置不能太弱也不能過強，由本文實驗結果可知，選擇磁偏置使GMR工作在近于磁阻特性的線性區中心，電流測量效果最佳.

圖5 不同磁偏置下傳感器的VOUT－I曲線

4 結束語

場強相同方向不同的外磁場對GMR的作用效果不同，相應的GMR阻值不同，但GMR飽和時阻值與外磁場方向無關.溫度對GMR磁阻特性的影響，主要由于非彈性散射的概率變化所引起，而自旋相關的散射受溫度影響較小.溫度升高，MR減小，GMR阻值增大，飽和磁場值相應減弱.用GMR模擬傳感器測量電流時，選擇合適的磁偏置測量效果最佳.

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