1、鐵磁金屬薄膜的磁電阻測量鑒定報告一、主題 把當今科學研究領域和高新技術領域中的科研成果、 科研思想、 科研開發和生產中實際 應用的物理測量技術轉化到大學本科的物理實驗教學中， 不斷提高和更新普通物理實驗教學 的檔次， 加深物理實驗的內容， 拓展教學思路， 使物理實驗教學更貼近當今高新技術的發展， 從而使學生們在學校期間就能夠接觸到一些同學術研究和高新技術領域相關的實驗內容， 對 于提高學生們的學習興趣和培養將來實際科研開發能力將起到很大的幫助。培養具有能力 強，善于獨立思考和創新型的高水平人才， 使高等學校培養的畢業生進入社會后能夠更快地 擔負起從事尖端學術研究和發展國家高新技產業的重擔， 這

2、應當是當今物理實驗教學改革的 重要方向之一。把科研開發中的重要成果和實際應用的方法向工科物理實驗教學轉化。 科研開發中的成 果和實際應用的方法包括二部分（1）最新科研進展、最新科研成果在高新技術中的應用、研究和開發所用的具體實驗方法、原理和設備（統稱：硬件）；（ 2）提出問題、分析問題和解決問題的思維方法（統稱：軟件） 。我們的目的是希望通過物理實驗，全面培養學生 的科學素質，充分發揮我校工科實驗教學的特色。本實驗就是把當今最前沿的科學研究和開發中廣泛應用的方法鐵磁金屬薄膜的磁 電阻測量引入到工科物理實驗教學中。二、目的1讓同學們直接地接觸薄膜材料，對薄膜材料有一個直觀的感性認識；了解和學會現

3、在科研開發和生產實踐中廣泛使用的四探針法測量金屬薄膜電阻率的原理和方法；2了解當今受到十分關注的新興研究領域：磁電子學和磁性薄膜材料科學的一些基本概念 和知識；1. 了解目前廣泛應用于微電子技術中的磁電阻（MR,各向異性磁電阻（AMR,巨磁電阻（GMR和龐磁電阻（CMR等材料和一些相關的基本概念；2. 了解和學會當今科研開發中廣泛使用的四探針法測量磁性薄膜磁電阻的原理和方法；3. 分析影響薄膜磁電阻的一些基本因素，從而學會分析影響材料物性的因素，學會把材料的物性與結構聯系起來，由此了解科學研究的一些基本思想和方法；4. 使學生們直接感受到工科物理實驗在當今科學研究和高新技術中的應用實例，從而提

4、高學生們的學習興趣和探索自然的積極性；5. 培養學生們提出問題、分析問題和解決問題的科研和開發能力，培養學生們的創新意識和創新能力；6. 分析用四探針法測量金屬薄膜電阻率時可能產生誤差的根源；三、實驗講義實驗講義在內容上有以下幾個特點： （1,主要標題中的 引言、實驗目的 、實驗 儀器 、實驗原理 、實驗測量及數據處理 、討論、結論、參考文獻 為通常科學論 文所用的形式， 其目的是讓學生們在閱讀實驗講義和寫實驗報告時能夠熟悉科學論文的寫作 方式。（2 ,講義中的 引言 部分主要介紹了與相關實驗有關的應用背景、在物理學發展史中的作用等知識， 其目的是提高學生們的學習興趣、 探索自然奧秘的積極性以

5、及開闊學生們的 眼界。（3 ,講義中的 討論 、研究性題目 部分主要分不同層次地給學生們提出一些與實驗 相關的問題，要求學生們認真思考后，通過自己分析、設計，用實驗結果回答提出的問題， 其目的是提高學生們提出問題、 分析問題、解決問題的能力， 培養創新意識和創新能力，體現層次化教育的思想。（4）講義中的結論部分讓學生們通過實驗給出通過分析得到的自己 認為最有意義的結論和他們對研究實驗的體會，對實驗的的一些思考。其目的是讓同學們從自己感興趣的視角給出結論，拓寬學生們的思維空間，培養學生們的科學概括、總結能力。（5）講義中的參考文獻部分提醒和培養同學們在科研開發工作中應該養成參考學習前人 的結果的

6、工作習慣和實事求是的科學道德。四、實驗內容1實驗儀器主要實驗儀器包括，亥姆霍茲磁場線圈、HY1791-10S直流磁場電源、四探針組件、SB118 精密直流電流源、PZ158A直流數字電壓表、具有三組不同沉積條件的NiFe薄膜和六組不同沉積條件的NiFe /Cu/NiFe 三層薄膜材料。薄膜樣品薄膜樣品所加磁場由亥姆霍茲線圈提供，磁場可從零線性增加到180奧斯忒，磁場靈敏度可達到 0.5奧斯忒；樣品放在線圈中心的可調樣品臺上， 線圈可在360度范圍內 繞樣品旋轉；四探針組件是由具有引線的四根探針組成，這四根探針被固定在一個架子上，SB118精密直流電流源是精密恒流源，它的輸出電流在1微安（1微安

7、=10-6安培）一一200毫安（1毫安=10-3安培）范圍內可調，其精度為土0.03%。PZ158A直流數字電壓表是具有6位半字長、0.1微伏（1微伏=10-6伏特）電壓分辨率的帶單片微機處理技術的高精度電 子測量儀器，分別具有200毫伏、2伏、20伏、200伏、1000伏的量程，其精度為土 0.006%。 HY1791-10S直流磁場電源的輸出電流在0-10安培，其精度為土 0.1%。三組不同沉積條件的 NiFe薄膜和NiFe /Cu/NiFe 三層薄膜，其具體條件為：三種不同 沉積速率和背底真空的厚度為50納米NiFe薄膜、六種不同非磁性層Cu厚度的 NiFe/Cu/NiFe三層薄膜。其中

8、 Cu厚度分別為0.8納米（1納米=10-9米）、1.6納米、2.4納米、 3.2納米、4.0納米、4.8納米實驗儀器是由北京科技大學物理系設計、上海精密科學儀器有限公司上海電子儀器廠制造的，實驗儀器的成本是低廉的（不超過二萬兀人民幣）。2.實驗原理磁電阻效應 MR是指物質在磁場的作用下電阻發生變化的物理現象。表征磁電阻效應大小的物理量為MR其定義為：MR = x100%（21）PP。其中t和訂分別表示物質在某一不為零的磁場中和磁場為零時的電阻率。磁電阻效應按磁電阻值的大小和產生機理的不同可分為：正常磁電阻效應（OMR）各向異性磁電阻效應（AMR）、巨磁電阻效應（GMR）和超巨磁電阻效應（CM

9、R等。本實驗主要測量單層磁性 NiFe薄膜的各向異性磁電阻和NiFe /Cu/NiFe三層薄膜的巨磁電阻效應各向異性磁電阻效應在居里點以下，鐵磁金屬的電阻率隨電流I與磁化強度M的相對取向而異，稱之為各向異性磁電阻效應。即。各向異性磁電阻值通常定義為：AMR = S 十一）/ 'o（2.1）這里心為鐵磁材料在理想退磁狀態下的電阻率。不過由于理想的退磁狀態很難實現，通常取n 二23(2.2)則有：A PP P |AMRpp(2.3)avav其中'av表示物質在飽和磁場 H中和磁場為零時的平均電阻率。低溫5K時，鐵、鈷的各向異性磁電阻值約為1%，而坡莫合金（Ni“Fei9）為15%，

10、室溫下坡莫合金的各向異性磁電阻值仍有23%。金屬多層磁性薄膜中的巨磁電阻效應金屬多層磁性薄膜是人為生長的、由金屬磁性材料（鐵、鈷、鎳及其合金等）和金屬非磁性材料（銅、鉻、銀和金等）構成的金屬超晶格材料。磁性多層膜巨磁電阻特點：a. 數值遠比AMF大得多；b. 隨磁場增加呈現負電阻值變化；c. 磁電阻效應各向同性，只與鐵磁層間磁矩的相對取向有關；d. 磁電阻效應的大小隨非磁性層厚度而發生周期性的振蕩變化。e. GMR出現的必要條件是：電子自旋要“識別”鐵磁層間磁矩是平行排列還是反平行排列，這就要求多層膜的“周期”厚度FM+NM<<Mean Free Path（電子平均自由程）。如果非

11、磁層厚度過大，影響到上述條件，則GMRI減。磁性多層膜巨磁電阻的理論解釋Mott提出二流體模型對巨磁電阻給予簡單的且有說服力的解釋，也是最為廣泛應用的模型。圖1和圖2為零場及較大外磁場作用下傳導電子的運動情況。圖1對應著零場時傳導電子的運動狀態，此時多層膜中同一磁性層中原子的磁矩排列方向一致。但相鄰磁層原子的磁矩反平行排列。按照 Mott的二流體模型，傳導電子分為自旋向上和自旋向下的電子，多 層膜中非磁性層對這兩種狀態的傳導電子的影響是相同的，而磁層的影響卻完全不同。 當兩磁層的磁矩方向相反時，兩種自旋狀態的傳導電子在穿過磁矩與其自旋方向相同的磁層后， 必然在下一個磁層處遇到與其方向相反的磁矩

12、，并受到強烈的散射作用，宏觀上表現為高電阻狀態；當外場足夠大時，使得磁層的磁矩都沿外場方向排列（圖2），則自旋與其磁矩方向相同的電子受到的散射小， 而方向相反的電子受到的散射作用強，宏觀上表現出低電阻狀態。圖1和圖2右側的圖表示對應高阻態和低阻態的等效電路圖。圖1零場時傳導電子的運動狀態R圖2強場時傳導電子的運動狀態鐵磁金屬薄膜磁的電阻很低，所以，它的電阻率測量需要采用四端接線法。但是，為了滿足實際的需要，在生產、科研、開發中測量金屬薄膜電阻率的四端接線法已經發展成四探 針法，圖3顯示了四探針法測量鐵磁金屬薄膜磁電阻的原理圖。圖3四探針測量法的原理圖如圖 3 所示， 讓四探針的針尖同時接觸到薄

13、膜表面上，四探針的外側二個探針同恒流源相連接，四探針的內側二個探針連接到電壓表上。 分別在電流與磁場平行和垂直方向加一恒定的 電流 , 并使磁場從零慢慢增大到磁電阻不在增加 (即達到飽和 ) 為止 , 測量不同磁場下對應 的電壓值 , 再將磁場慢慢降為零 , 測量不同磁場下對應的電壓值 , 然后讓電流反向 , 重復 以上操作。 當電流從恒流源流出流經四探針的外側二個探針時， 流經薄膜產生的電壓將可從 電壓表中讀出。根據測出的電壓值計算出不同磁場下的電阻 , 根據公式 (2.1 或 2.3) 做出磁 電阻比隨磁場變化的關系曲線。 注意： 在選擇電流值時， 最大的電流值對應的電壓值不能超 過 5

14、毫伏，以免流過薄膜的電流太大導致樣品發熱，從而影響測量的準確性。3實際測量 NiFe 薄膜的磁電阻 首先，選擇普通玻璃作為襯底，玻璃襯底的大小尺寸是：長約 15 毫米、寬約 3 毫米、 厚 1 毫米。分別用丙酮、去離子水、無水乙醇對玻璃襯底各進行超聲波清洗 5 分鐘。然后， 把玻璃襯底放入多功能磁控濺射鍍膜儀的鍍膜室中，把鍍膜室的壓強抽到3x 10-4帕，在室溫條件下， 濺射或蒸發沉積一層厚度為 50 納米的 NiFe 薄膜。濺射沉積條件： 濺射電壓 300V， 電流200mA氬氣壓強04 沉積時間15分鐘。本實驗用四探針儀測得的NiFe薄膜的磁電阻(MR)為：2.50%, AMF為3.3%與

15、在物理所賴武彥老師實驗室測結果一致 .4結論對比上述 3 中實際測得的銅薄膜的電阻率， 我們可以得出以下結論： 在測量的誤差允許 的范圍之內， 用這兩種四探針儀的測得的銅薄膜的電阻率符合的很好的， 也即，使用本實驗 用的四探針儀在測量方面是完全可靠的。五、實驗安排鐵磁金屬薄膜磁電阻的測量 實驗是一個電磁學綜合實驗。 它既是一個材料基本電學 量的測量實驗， 又是一個磁性材料基本磁性能的測量實驗 , 是一個極具有實際應用價值的實 驗，通過該實驗學生們能接觸并了解當今高新技術中廣泛應用的薄膜材料的一些最基本的特 性以及廣泛應用于現代為電子領域中磁性薄膜的磁電阻特性。本實驗把普通物理中的電阻及磁場等基

16、本知識與當今高新技術結合起來 . 這個實驗被安排在工科普通物理實驗課程的 “綜 合性實驗”當中。本實驗培養和訓練的重點包括基本要求和提高要求。基本要求 ： (1 )了解和學會現在科研開發和生產中使用的四探針法測量鐵磁金屬薄膜磁電阻的原理和方法，分析用四探針法測量鐵磁金屬薄膜磁電阻時可能產生的誤差根源； (2)獨立完成接線、 實驗測量點的選取；(3) 了解薄膜沉積條件對鐵磁金屬薄膜磁電阻的影，定量地地總結出 NiFe薄膜的AMR和壓氣壓強及沉積速率以及 NiFe /Cu/NiFe三層薄膜的GMF與非磁性層金屬Cu厚度的關系。提 高要求 ：(1)從對磁性知識的了解，對上述三個實驗結果給予一些更深入

17、的認識和討論； (2)把所得到的物性與材料的結構聯系起來； (3)根據分析提出對所測薄膜結構和物性的 改進方法， 并設計一種或幾種具有更好磁電阻特性的薄膜材料；(3)查閱有關資料提出和設想巨磁電阻薄膜的應用前景；在實際科研開發中如何實現之？。本實驗的內容分為基本內容和提高內容。 基本內容 ： (1)獨立正確完成接線，恰當選 擇恒流值和磁場的改變量使正確測出樣品的磁電阻； (2)學會處理實驗數據的方法 , 由所得 實驗數據 :電流 , 電壓和磁場的關系正確畫出磁電阻隨磁場的變化曲線。通過實驗說明， 用四探針法測量鐵磁金屬薄膜磁電阻的主要誤差來源是探針壓樣品力的大小和探針離樣品邊緣 的距離。(3)

18、由所得磁電阻結果，總結出 NiFe薄膜的AMF與壓氣壓強及沉積速率的關系以 及NiFe /Cu/NiFe 三層薄膜的GMR與非磁性層金屬 Cu厚度的關系。提高內容:要求學生 們通過查閱相關資料和學術文獻 , 學習一些有關磁電子學的知識 ,認真思考、 分析， 從物理上 理解各種磁電阻的產生機理 , 從自己感興趣的視角出發，拓寬思維空間，結合理論知識擴展 和延伸本實驗的基本內容。(1)分析為什么 NiFe薄膜的AMR和壓氣壓強及沉積速率有關，解釋自己的實驗結果， 分析磁性薄膜的電阻隨磁場變化的原因 , 了解磁疇和磁結構的一些知 識;( 2)把所得到的物性與材料的結構聯系起來；( 3)根據分析提出對

19、所測薄膜結構和物性的改進方法， 并設計一種或幾種具有更好磁電阻特性的薄膜材料；( 4)查閱有關資料提出和設想巨磁電阻薄膜的應用前景；在實際科研開發中如何實現之？。（1）（2）（3）（ 4）為提高的選擇實驗內容只為那些對物理非常感興趣又程度非常好的學生設的實驗內容。六、實驗難點 儀器本身和測量方法不復雜， 因此實驗講義 在有關如何調節儀器和具體的測量方式 方面， 寫得不多，主要是讓學生們積極主動地思考，通過自己的努力獲得實驗結果。本實驗 難點是 （1） 緩慢增加磁場 , 測得真實的磁電阻數據 , （2） 正確處理好實驗數據 , 準確畫出 磁電阻隨磁場的變化曲線 , （3） 本實驗的提高內容均為難點 ; 要完成實驗提高部分的內容， 在實驗前，學生們應該積極主動地查閱有關薄膜磁性和磁電子學的知識 , 閱讀有關的參考書 和參考文獻，也可向有關老師請教 , 提前做好知識上的準備。七、鑒定結論鐵磁金屬薄膜磁電阻的測量實驗具有以下幾個特點：（1）在基本要求 和基本內容 中，既可使學生們了解和學會現在科研開發和生產中廣泛使用的四探針法測量磁性薄膜 磁電阻的原理和方法，在實際應用中應注意的問題（引起實驗測量誤差） ；同時又使學生們 親身