巨磁阻效应实验报告.docx

基础物理实验研究性实验报告
巨磁电阻效应及其应用
目录
摘要 1
. 基本原理 1
.实验仪器 2
实验仪主机 2
基本特性组件模块 3
电流测量组件 3
角位移测量组件 3
磁读写组件 4
.实验内容 4
GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 4
GMR 磁阻特性测量 5
GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 5
用GMR模拟传感器测量电流 6
GMR 梯度传感器的特性及应用 7
磁记录与读出 7
.注意事项 8
.数据处理 8
GMR模拟传感器的磁电转换特性测量 8
公式推导 8
GMR模拟传感器的磁电转换特性数据处理 9
GMR磁阻特T^测量 10
GMR开关（数字）传感器的磁电转换特性曲线测量 11
用GMR模拟传感器测量电流 11
GMR梯度传感器的特性及应用 12
磁记录与读出 13
.误差分析 13
.结果讨论 14
.实验总结 14
[参考文献 ] 15
附录 15
摘要
本文的主要内容包括对 GMR真拟传感器的磁电转换特性、GMR?阻特性、GMR 开关（数字）传感器的磁电转换特性的测量及探究， 对运用GMR真拟传感器测量 电流的探究，对GM就度传感器的特性探究及应用，以及磁记录与磁读出的原理 与过程。通过具体实验数据处理，进一步理解实验的原理及步骤，并作出相应的 误差分析与结果讨论。最后，对本次实验进行总结并表达感想。
关键词：GMR传感器，实验,数据处理，总结
.基本原理
根据导电的微观机理，电子在导电时并不是沿电场直线前进， 而是不断和品 格中的原子产生碰撞（又称散射），每次散射后电子都会改变运动方向，总的运 动是电场对电子的定向加速与这种无规散射运动的叠加。 称电子在两次散射之间
走过的平均路程为平均自由程，电子散射几率小，则平均自由程长，电阻率低。 电阻定律R=l/S中，把电阻率视为常数，与材料的几何尺度无关，这是因为通 常材料的几何尺度远大于电子的平均自由程（例如铜中电子的平均自由程约 34nm）,可以忽略边界效应。当材料的几何尺度小到纳米量级，只有几个原子的 厚度时（例如，）,电子在边界上的散射几率大大增加， 可以明显观察到厚度减小，电阻率增加的现象。
电子除携带电荷外，还具有自旋特性，自旋磁矩有平行或反平行于外磁场两 种可能取向。实验证明，在过渡金属中，自旋磁矩与材料的磁场方向平行的电子， 所受散射几率远小于自旋磁矩与材料的磁场方向反平行的电子。 总电流是两类自
旋电流之和；总电阻是两类自旋电流的并联电阻，这就是所谓的两电流模型。
下图所示的多层膜结构中，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。
无外磁场时顶层磁场方向
顶层铁磁膜
中间导电层
底层铁磁膜
无外磁场时底层磁场方向
图1多层膜GMR结构图
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。
.实验仪器
实验所用仪器与主要组件简介如下:
实验仪主机
如图为巨磁阻实验仪系统的实验仪前面板图。
包括：
(1)输入部分
电流表部分：可做为一个独立的电流表使用。两个档位： 2mA档和200mA档，
可通过电流量程切换开关选择合适的电流档位测量电流。
电压表部分：可做为一个独立的电压表使用。两个档位： 2V档和200mV档，可
通过电压量程切换开关选择合适的电压档位。
(2)输出部分
包流源部分：可变恒流源，对外提供电流
包压源部分：提供GMR传感器工作所需的4