磁性薄膜磁电阻测量讲义.doc

实验B-2 磁性薄膜的磁电阻测量 [引言] 2007年12 月10 日，法国物理学家阿尔贝·费尔（Albert Fert）和德国物理学家彼得· 格伦贝格（Peter Crünberg）分别获得了一枚印着蓝白红标志的2007 年诺贝尔物理奖章, 他们各自独立发现的巨磁阻效应（giant magnetoresistance, GMR），导致了具有海量存储硬盘技术的出现，从而引发了一场信息存储技术的革命，给我们的生活带来了极大的便利：用MP3 聆听音乐，拿数码相机记录生活，甚至能够让我们十分轻松地将一个“图书馆”随身携带。 铁磁金属输运特性受磁场影响的现象人们早在一百多年前就做过相当仔细的观测，有了突飞猛进的发展在这样一个高度信息化的时代，作为这个时代的大学生能在本科学习期间接触并了解这一学术研究，甚至深入到这个学术领域中来，将是非常有意义的一件事。 本实验磁性薄膜材料和磁电子学科学产生兴趣。 了解磁性薄膜材料科学和磁电子学的一些基本概念和知识； 了解目前广泛应用的磁电阻（MR），各向异性磁电阻（AMR），巨磁电阻（GMR）等一些基本概念； 了解和学会当今科研开发中经常使用的四探针法测量磁性薄膜磁电阻的原理和方法； 分析用四探针法测量薄膜磁电阻时可能产生的误差来源 [实验仪器] 亥姆霍兹磁场线圈、四探针组件、HY1791-10S直流磁场电源、SB118精密直流电压电流源、PZ158A直流数字电压表、NiFe薄膜 [实验原理] 一、物质的磁性简介 物质的磁性是物质的极其复杂又丰富多彩的物理性质，是人们最早认识的物性之一。人们经过几个世纪的不断研究，对物质磁性的认识得到了深入的发展。尽管物质磁性对人类科学技术的发展以及当今的高新技术起到重要推动作用, 对其研究引起了人们十分关注，并由此诞生了磁电子学这个目前人们十分关心的学术领域, 但人类对物质的磁性的认识还远未十分清楚。铁磁金属输运特性受磁场的影响的现象人们早在一百多年前就做过相当仔细的观测，Thomson于1857年发现铁磁多晶体的各向异性磁电阻效应。由于科学发展水平及技术条件的限制，数值不大的各向异性磁电阻效应在一个多世纪的历史时期内并未引起人们太多的关注。1971年，Hunt 提出可以利用铁磁金属的各向异性磁电阻效应来制作磁盘系统的突出磁头，在随后的二十多年里，就这样一个非常小的磁电阻效应却对计算机存储技术产生了深刻的影响。1985年，IBM公司将Hunt的设想变成现实，并将这样的读出磁头用与IBM3480磁带机上； 1990年又将感应式的写入薄膜磁头与坡莫合金制作的磁电阻式读出磁头组合成双元件一体化的磁头，在CoPtCr合金薄膜磁记录介质盘上实现了面密度为1Gb/in2的高密度记录方式。1991年，日立公司报道了在3.5寸硬盘上利用双元件磁头实现了2Gb/in2的高记录密度。所有这些当时都采用坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻效应，室温值仅为2.5%左右。八十年代末，在法国巴黎大学Fert教授研究小组工作的巴西学者Baibich发现（Fe/Cr）多层膜的磁电阻效应比坡莫合金大一个数量级，立刻引起了全世界的轰动。在这种多层膜中，存在一种新物理效应，那就是巨磁阻效应。我们知道，磁场可以使许多金属的电阻发生改变，只不过变化率很小，一般不超过2%-3%，这种由磁场引起的电阻变化称为磁致电阻(magnetoresistance,缩写为MR)。 磁性多层膜巨磁电阻效应的发现委实给凝聚态物理学工作者还有电子工程技术人员带来了一个不小的惊奇和惊喜。在随后的几年中，有关巨磁电阻效应的研究成果接踵而至，人们不但在“铁磁金属/非磁金属”多层膜中发现了巨磁电阻效应，随后又在“铁磁金属/非磁金属”的颗粒膜中发现同样存在巨磁电阻效应。之后1994年在类钙钛矿La-Ca-Mn-O系列中发现了特大磁电阻效应。而“铁磁金属/非磁绝缘体/铁磁金属”磁隧道节的研究在多层膜巨磁电阻研究的促进下又有了突飞猛进的发展，1994年在Fe/Al2O3/Fe组成的三明治结构中发现其隧道磁电阻值在室温下可达18%，1995年在Co-Al-Co颗粒膜中同样发现了类似大的隧道磁电阻效应。2001年在GaMnAs/AlAs/GaMnAs半导体隧道结薄膜上获得了高达72%的隧道磁电阻。 磁记录(硬磁盘)存储密度逐年以很高的百分比增加。商用硬磁盘驱动器在过去十年中的面存储密度差不多以27%的年速率增加。目前,市场上硬磁盘 Gbits/in2。若要在硬磁盘上实现10Gbits/in2的存储密度这一具有挑战性的目标,尚需研究新的材料。根据最近报导,膜或Fe/Pt多层膜或许有希望成为这一挑战性目标的纵向记录介质的候选物。其次,需采用具有更高磁矩的写头和自旋阀磁电阻的读头。后者的一典型材料为,NiFe/Cu/NiFe/FeMn的多层结构。在