多层膜巨磁电阻特性及电流最佳测量

姚 志，孙继忠，李建东

（大连理工大学物理与光电工程学院，辽宁大连116024）

1 引 言

1986年德国P.Grunberg采用纳米技术，对Fe／Cr／Fe 3层膜结构进行实验研究发现，在两铁磁层之间存在反铁磁耦合作用[1].1988年法国A.Fert的研究小组将Fe和Cr交替制成多层超晶格薄膜，发现了外磁场引起材料的电阻变化率十分明显即巨磁电阻（giant magnetoresistance，简称GMR）效应[2].GMR效应的发现，导致了新的自旋电子学的创立.目前，GMR传感器已经得到了广泛的应用[3－4]，基于GMR效应的相关物理实验也在大学物理实验教学中得到开展[5－6].但由于不同方向外磁场以及不同环境温度对GMR器件的特性影响如何报道不多，同时GMR传感器测量电流时，有时需要加磁偏置，而如何选择磁偏置使测量效果最佳也十分重要.为此，笔者对多层膜GMRAA002在不同方向磁场和温度下的磁阻特性进行了实验研究和分析，并且通过GMRAA002在不同磁偏置时对导线电流的测量，给出了电流测量效果最佳的磁偏置，从而为学生开展GMR的综合性和研究性实验提供了有益的指导和参考.

2 原 理

2.1 GMR效应

GMR效应可以由N.F.Mott的两电流模型[7]给出相应解释.根据Mott理论，铁磁材料的传导电子可分为自旋向上和自旋向下的2类电子，2类自旋电子在2个近似独立的通道内输运，总电流为两通道的电流之和，总电阻为两通道的并联电阻.在多层膜Fe／Cr中，传导电子在不同外磁场作用下的运动情况不同，图1（a）为无外加磁场时电子的运动状态.图中顶层和底层为铁磁层，中间层为非铁磁层.相邻磁层的磁矩反平行排列，磁层内电子的自旋磁矩相对磁层磁矩为平行和反平行状态.电子自旋磁矩与磁层磁矩平行的电子受到的散射弱，其平均自由程长，电阻率低；而自旋磁矩与磁层磁矩反平行的电子，受到的散射强，电阻率高.由于无论哪部分传导电子，在穿过两磁矩相反的磁层后都会经历强和弱的2种散射过程，因此，在宏观上多层膜处于高阻状态.图1（b）为外磁场足够强时电子的运动状态.此时，各磁层磁矩与外磁场方向一致，磁层内电子的自旋磁矩相对磁层磁矩仍为平行和反平行排列.自旋方向与磁矩取向相同的那部分电子穿越磁层时只受到弱散射，这部分电子构成低电阻导通状态，而自旋方向与磁矩取向相反的那部分电子构成高电阻状态，整个多层膜电阻可视为低阻和高阻的并联，因此宏观上多层膜处于低阻状态.通常定义GMR的磁电阻变化率[8]MR＝[R（0）－R（Bs）]／R（Bs），其中R（0）为无外磁场的电阻，R（Bs）为饱和磁感应强度Bs的电阻.

图1 多层膜电子运动状态示意图

2.2 GMR结构

图2为AA002－02e多层膜GMR的内部结构，它由4个GMR组成（R1＝R2＝R3＝R4＝R），其中R2和R4被高导磁材料坡莫合金层覆盖屏蔽，阻值不受外界磁场影响.笔者实验测得，在外磁场B＝0时，R2＝R4＝R1＝R3＝R（0）＝R；B≠0时，R1＝R3＝R＋ΔR，ΔR＝2[R总（B）－R]，R总（B）为不同磁感应强度B时V＋和V＿端的总电阻，ΔR为不同磁感应强度B时单个GMR的电阻改变量，可计算单个多层膜GMR阻值R（B）＝R＋ΔR.将AA002－02e作为传感器使用时，在V＋和V＿端加输入电压VIN，输出电压VOUT为

图2 AA002－02e多层膜巨磁电阻内部结构

3 GMR特性研究与电流测量

3.1 实验装置

实验仪器及器材：成都世纪中科有限公司生产的ZKY－JCZ巨磁电阻效应及应用实验仪、多层膜GMRAA002－02e、长直螺线管及磁线圈、特斯拉计、温度传感器、加热器及液氮.

3.2 不同磁场方向的磁阻特性测量

实验中将多层膜GMRAA002－02e置于螺线管磁场中心位置，使螺线管磁场方向垂直于GMR铁磁膜的膜平面方向.测量时将AA002的电阻R2和R4置于短路状态，电阻R1和R3为并联状态，在V＋和V－端加4V恒定电压，采用伏安法测量GMR的电阻.实验中改变通过螺线管线圈电流大小，测得不同磁感应强度B所对应GMR的阻值，从而得到磁感应强度B与单个GMR阻值的磁阻特性.实验测得在室温294K时的GMR磁阻特性曲线如图3（a）所示.改变AA002在螺线管中的方向，使GMR铁磁膜的膜平面平行于螺线管磁场方向，测得GMR的磁阻特性曲线如图3（b）所示.

图3 不同磁场方向GMR的磁阻特性曲线

实验结果表明，同一GMR阻值对应的不同方向外场的场强值不同，外场方向与膜平面垂直时的场强值大于与膜平面平行时的场强值，即场强相同但方向不同的外磁场对GMR的作用效果不同.当外场足够强使GMR达到饱和状态时，无论外磁场方向与膜平面垂直还是平行，GMR的阻值均相同，本实验为2 483.0Ω，相应的饱和磁感应强度Bs不同，分别为36.0mT（垂直）和2.71mT（平行）.这是由于GMR阻值与相邻铁磁层磁矩相对取向角θ有关[9]，而外磁场强弱影响磁层磁化，从而影响磁层磁矩间的夹角θ，磁矩间夹角θ与外磁场的关系可根据磁性自由能极小原理确定，对于Fe／Cr多层膜，磁性自由能与层间交换能、各层退磁能和塞曼能以及各层的磁晶各向异性能有关[10].笔者认为在本实验中，外磁场与铁磁膜的膜平面平行和垂直时，多层膜各层退磁能和磁晶各向异性能可能不同，使得2种状态的磁性自由能不同，因而场强虽然相同但所对应的相邻磁层磁矩的相对夹角θ不同，所以GMR的阻值也不相同.当外磁场足够强时，磁层磁矩为平行排列，磁矩相对夹角θ为0，GMR的饱和阻值不变，与外磁场方向无关，但是不同方向的Bs值不同.

3.3 不同温度下的磁阻特性测量

将GMR AA002置于螺线管磁场中心位置，使GMR铁磁膜的膜平面平行于磁场方向，电路仍同于3.2测量状态.改变GMR的环境温度到77.4K，通过温度传感器监测GMR环境温度，并维持环境温度在77.4K不变，对GMR做伏安测量，使GMR的环境温度为338K做相应测量.测得GMR在不同温度下的磁阻特性实验曲线如图4所示，由实验结果可以看出，无外加磁场时，环境温度分别为77.4K和338K情况下，GMR的阻值是2 173.9Ω和2 949.8Ω；增加外磁场使GMR饱和时，GMR的阻值分别是1 855.2Ω和2 661.3Ω；MR分别为17.2%和10.8%；相应的Bs为3.91mT和2.41mT.

实验结果表明，在同一磁场强度下，GMR在低温环境下测得的磁电阻变化率比在高温下测得的数值大，环境温度增加GMR的阻值增大.这是由于多层膜GMR体系的总电阻与非弹性散射和弹性散射有关.非弹性散射是与自旋无关的散射[11]，温度越高，非弹性散射越强，总的电阻值就越大，对应的磁电阻变化率的值就越小.多层膜GMR在外磁场中的变化主要源于与自旋相关的弹性散射.由于两电流模型建立的前提条件是假定温度趋于0K，因此当温度升高时，自旋向上和向下的2个通道将存在相互影响，会出现自旋混合效应[11]，使2个通道的电流趋于相等，GMR的阻值减小，同时饱和磁场值也相应地减弱.依据实验结果，笔者认为从低温到338K范围内，温度对GMR阻值的影响主要来自于与自旋无关的非弹性散射，而与自旋相关的弹性散射受温度的影响较小.

图4 不同温度GMR的磁阻特性曲线

3.4 GMR模拟传感器的电流最佳测量

将GMR模拟传感器AA002－02e置于导线（近似无限长）旁2mm处，在V＋和V－端加4V恒定电压，由（1）式可以得到导线在不同电流下的传感器电压输出.对较弱的被测电流，通常需要给传感器施加一固定已知磁场称为磁偏置.实验时，使磁偏置分别为0.30，1.05，1.51mT，相应的VOUT分别为25.9，121.2，193.1mV，增大导线电流I，测得传感器输出电压VOUT的VOUT－I曲线如图5所示，由图中曲线可以看出，不同磁偏置下曲线斜率不同，相应的测量灵敏度也不同，分别为4.118，5.543，4.208mV／（V·A），拟合相关系数为r＝0.999.可以看出磁偏置为1.05mT时曲线的斜率最大且线性度最好，在此磁偏置下电流测量精度最高.因为由（1）式可知，传感器的输出特性存在线性区，而要使传感器工作在线性区，必须使GMR工作于磁阻特性的线性区，当被测电流较弱时，应施加磁偏置使GMR工作在磁阻特性的线性区，而磁偏置不能太弱也不能过强，由本文实验结果可知，选择磁偏置使GMR工作在近于磁阻特性的线性区中心，电流测量效果最佳.

图5 不同磁偏置下传感器的VOUT－I曲线

4 结束语

场强相同方向不同的外磁场对GMR的作用效果不同，相应的GMR阻值不同，但GMR饱和时阻值与外磁场方向无关.温度对GMR磁阻特性的影响，主要由于非弹性散射的概率变化所引起，而自旋相关的散射受温度影响较小.温度升高，MR减小，GMR阻值增大，饱和磁场值相应减弱.用GMR模拟传感器测量电流时，选择合适的磁偏置测量效果最佳.

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