第五界全国高等学校物理实验教学研讨会 《巨磁电阻效应实验仪的研制》 汇报人：张朝民

一、 磁电阻效应与巨磁电阻效应 二 、巨磁电阻实验仪的设计思路 三 、巨磁电阻实验仪的使用情况

一、磁电阻效应与巨磁电阻效应 1.磁电阻效应: 物质在磁场的作用下，其电阻发生变化的效应 。 电阻变化的原因可来自 ： 磁电阻：物质在磁场中电阻之改变量，即， 此处 是在磁场H下样品的电阻率。 电阻变化的原因可来自 ： 电荷受洛仑兹力作用改变路径造成电荷与晶格间散射几 率增加， 此时 受磁矩在磁场下电子自旋与磁矩间散射状态改变的影响， 若样 品是铁磁性材料，其磁矩对电荷自旋之散射几率会 因外加磁场的增加而减小，此时 其他物理原因。

2.巨磁电阻效应 2007年10月16日，由瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖项正式揭晓，物理学奖项由2位不同国籍的科学家共享殊荣，分别是法国科学家阿尔贝•费尔和德国科学家彼得•格林贝格尔，因为他们分别独立的发现了“巨磁效应”这一磁物理领域的特殊现象。

德国科学家彼得·格林贝格尔 法国科学家阿尔贝·费尔

巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这 种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的 巨磁电阻效应：是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之 无外磁场作用时存在巨大变化的现象。 巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这 种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的 磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电 阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的 电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材 料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可 以得到较大电阻变化的材料。

巨磁效应意义： 巨磁效应对硬盘磁头读写数据，增加存储密度 方面的设计有着重大影响。存储硬盘业是涉足“纳 米技术”的先驱，而巨磁电阻正是纳米技术应用于 高容量高科技产品的最佳范例。诺贝尔奖的颁发 正标志着先进的物理概念能够在短时间内对当今 的产品产生巨大的影响。

二 、巨磁电阻实验仪的设计思路 一、正常磁电阻（锑化铟InSb） 磁电阻效应普遍存在于磁性和非磁性良导体材料 中，对非磁性金属磁电阻（OMR）的特点是：磁电 阻的相对变化率为正（ ＞０），其值很小（一 般＜0.01％），磁电阻效应来源于载流子在运动中 受到磁场导致的洛伦兹力。锑化铟在大于0.12T强的 磁场下磁阻器件工作在线性范围，弱磁场阻值变化 很小。应用于交通、仪器仪表、医疗器械等领域。

各向异性磁电阻效应依赖于铁磁合金带自发的磁 二、坡莫合金磁电阻（各向异性磁电阻） 铁、钴、镍及其合金等磁性金属，当外加磁场平 行于磁体内部磁化方向时，电阻几乎不随外加磁场 变化；外加磁场偏离金属的内部磁化方向时，电阻 减小，这就是强磁金属的各向异性磁阻效应。 各向异性磁电阻效应依赖于铁磁合金带自发的磁 化方向，是铁磁性磁畴在外磁场的作用下，各向异 性运动引起的。广泛应用于军事、工业、航空、航 海等领域。

由图可知：坡莫合金磁电阻值为正，在 0.6mT外磁场时将达到饱和，其电阻变化率 的值最大为0.5%

三、巨磁电阻效应 巨磁电阻的基本特征与非磁性金属磁电阻 相反：磁电阻相对变化率为负（ <０）， 且其值很大（一般>5％），巨磁电阻物理机 理源于多层磁性薄膜导体中传导电子的自旋 相关散射.

由图可看出：巨磁电阻在磁场中其电阻变化 率 为负值，且值最大为-11% . 由实验结果显示，它既不同于锑化铟正常磁电阻 MR为正值，且MR很小；又不同于坡莫合金各向异 性磁电阻，MR为正其值较大.巨磁阻效应一个重要 特点是GMR电阻随外磁场增加而减小，MR为负， 其值很大，可以达到电阻相对变化率MR为-30%.根 据需要它可以做成MR为-30%—-35%巨磁电阻；也 可以做成MR为-10%左右的巨磁电阻传感器（保证 其灵敏度一致很好 ）， AA002-02型巨磁电阻传感 器测量结果MR值为-11%，因此巨磁电阻效应只能 用自旋电子学的相关理论进行解释.

为了让学生尽早掌握先进的物理概念，了 解物理中纳米技术-巨磁电阻效应在科技产品 的应用。及巨磁电阻效应对我们生活产生巨 大的影响，我们设计了巨磁电阻实验仪。

创新点： 研究巨磁电阻效应起步较早。2005年我们 课题组就开始这方面的探所工作，高校中 最早采用美国NVE公司生产的基本AA系 列巨磁电阻传感器对巨磁效应进行测试。 2007年诺贝尔奖项物理学奖项颁发给了发现了“巨磁效应” 的两位科学家。

设计了测量巨磁电阻的实验方案与测量方法（比较法等）， 推导出巨磁电阻阻值的理论计算公式。 根据实际测量的需要，设计并制作了两种型号的巨磁电阻实验仪（A，B）（目前还没发现有相关的仪器供参考） 实验仪器稳定、实验效果好、测量精度高。一般磁电阻的电阻变化率约为0.1%~0.6 % ,我们研制的巨磁电阻实验仪可大于10% 。

应用情况： 经上海工程技术大学等几所学校的使用，反映较好，在我校学生完成巨磁电阻效应实验后，部分学生从事巨磁电阻传感器在验钞机等方面的应用研究。（华夏磁电子技术开发有限公司 库万军）

四、撰写论文 序号 作 者 撰写论文题目 已投期刊名称 时间 1 张朝民 巨磁电阻效应及在物理实验中的应用研究 实验室研究与探索 2008.3 2 巨磁电阻效应实验仪的研制与应用 物理实验 2008.8 3 张欣 2008.4 4 陈余行 利用巨磁电阻传感器测量微小位移量的研究 修改中 2008.9

汇报结束 谢谢各位专家！