Лабораторная работа № 4
ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТОСОПРОТИВЛЕНИЯ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ И ГРАНУЛИРОВАННЫХ КОМПОЗИТОВ
Цель работы: Ознакомиться с методикой и эксперимен-тальной установкой для исследования магнитосопротивления (МС). Провести исследование магнитосопротивления ферромагнетиков и концентрационной зависимости МС в композитах ферромагнетик-диэлектрик.
Используемое оборудование и материалы: установка для измерения магнитосопротивления, образцы ферромагнитных переходных металлов и гранулированных композитов.
Теоретическая часть
Магнитосопротивление или магниторезистивный эффект, заключается в изменении электрического сопротивления твёрдых тел под действием внешнего магнитного поля. В обычных материалах (металлы, металлические сплавы, полупроводники - т.е. гомогенные проводники) причина магниторезистивного эффекта кроется в искривлении траекторий носителей тока в магнитном поле. Очевидно, что по этой причине для гомогенных проводников значимой является взаимно-перпендикулярная ориентация электрического тока и магнитного поля. Обычно определяется относительное магнитосопротивление в виде
. (1)
Здесь R(H) - сопротивление в фиксированном поле Н, R(0) - сопротивление в нулевом магнитном поле. У металлов и их сплавов относительное изменение электросопротивления при комнатной температуре весьма невелико и составляет 0,01-0,1 % в полях Н = 10 кЭ. Как правило, такое магнитосопротивление положительно, т.е. увеличение магнитного поля приводит к возрастанию электросопротивления.
В гранулированных композитах металл-диэлектрик обнаруживается МС, которое достигает 10 % при комнатной температуре и имеет отрицательный знак, т.е. при приложении магнитного поля сопротивление композитов уменьшается.
В соответствии с современными представлениями МС в гранулированных композитах определяется туннелированием электронов через непроводящий барьер, разделяющий металлические гранулы. Если рассмотреть две ферромагнитные гранулы, разделённые диэлектрическим барьером, то перенос электрона из одной гранулы в другую может осуществляться только за счет туннелирования. В такой системе металл/диэлектрик/металл электрон с определенным спиновым состоянием может туннелировать через барьер только в точно такое же спиновое состояние. Вероятность туннелирования электрона в состояние с противоположным спином равна нулю. Это, в свою очередь, означает, что интенсивность туннелирования, а, следовательно, и туннельный ток, зависят от взаимной ориентации магнитных моментов гранул. В том случае, когда имеется гранулированный композит с неметаллической проводимостью (гранулы изолированы в матрице) и суперпарамагнитными свойствами (магнитные моменты гранул ориентированы случайным образом), то в отсутствии внешнего магнитного поля туннельный ток низок. Увеличение магнитного поля приводит к тому, что магнитные моменты гранул становятся параллельными, а это приводит к росту туннельного тока и, соответственно, к снижению электросопротивления материала.
«В первом приближении» структуру гранулированных композитов можно представить как совокупность огромного количества наноразмерных туннельных переходов (tunnel junction), в которых роль ферромагнитных электродов играют гранулы, а роль диэлектрического изолятора – диэлектрик, разделяющий гранулы. Этим объясняется то, что при описании МС используют два подхода, основанных на двух различных моделях магнитосопротивления туннельного перехода.
Первая модель - модель Jullere. Она основана на том, что ведется учёт числа спин-поляризованных электронов, участвующих в электропереносе, в обоих электродах, разделённых диэлектрическим барьером. В соответствии с моделью, если Р1 и Р2 это спиновая поляризация электронов проводимости двух ферромагнитных электродов, тогда изменение туннельного сопротивления даётся выражением
R/R=(Ra-Rp)/Ra = 2P1P2/(1+P1P2) (2)
Здесь Rp и Ra это сопротивление при параллельной и антипараллельной ориентации намагниченности электродов. Например, для туннельного перехода Fe-Co и значений спиновой поляризации Р1 = 40 % и Р2 = 30 % соответственно, приведённое выражение дает изменение туннельного сопротивления при переориентации магнитных моментов электродов от анти- к параллельному, в размере 24 %. Данная модель дает чрезмерно завышенные значения МС и не в состоянии объяснить значительную температурную зависимость МС, наблюдаемую в эксперименте.
Другая базовая теория туннелирования между двух ферромагнитных электродов предложена Слончевски (Slonczewski). Эта модель рассматривает перенос заряда и спиновые токи через прямоугольный барьер, разделяющий ферромагнитные металлы с почти свободными электронами. Эта теория предсказывает сильное влияние высоты туннельного барьера на ориентацию спинов, туннелирующих через поверхность ферромагнетик-изолятор, действуя тем самым на спиновую поляризацию и также, на обменное взаимодействие между ферромагнетиками. Данная модель связывает величину МС с намагниченностью ферромагнитных металлов, образующих переход. Эта модель не противоречит низким значениям магнитосопротивления, наблюдающимся в эксперименте и адекватно отражает корреляцию МС и намагниченности гранулированных композитов.
Величина изменения электросопротивления при приложении магнитного поля зависит от состава композитов. Имеется некоторое соотношение между металлической и диэлектрической фазами, соответствующее максимальному значению магнитосопротивления. Установлено, что максимум МС соответствует такому соотношению фаз, при котором гранулы еще не сформировали сплошную сеть с металлической проводимостью, но барьеры между гранулами - минимальны. Такая структура реализуется в гранулированных материалах вблизи порога протекания. Порог протекания это такое соотношение металлической и диэлектрической фаз в композите, при котором в материале начинает доминировать металлическая проводимость. Иными словами, в композите формируются протяженные металлические каналы, пронизывающие весь образец, по которым и осуществляется электроперенос.
Экспериментальная часть
Исследование магнитосопротивления ферромагнетиков и композитов осуществляется путем непосредственного измерения электросопротивления образцов при изменении внешнего магнитного поля. Измерение сопротивления образцов проводится методом амперметра-вольтметра на постоянном токе. Подсчёт величины магнитосопротивления ведется в соответствии с выражением (1). Схема установки для измерения МС представлена на рисунке.
5
5
4
Схема установки для измерения магниторезистивного эффекта
Измерительная установка состоит из линии питания электромагнита (6), включающей в себя трансформатор (1), выпрямитель (2), фильтр (3), реостат (4), переключатель полярности магнита (5), которая позволяет плавно и равномерно менять магнитное поле. Напряженность поля в зазоре электромагнита определяется с помощью датчика Холла (7) и линией, обеспечивающей его функционирование и состоящей из амперметра (10), источника постоянного тока (11), вольтметра (12). Сопротивление образца (8) непосредственно измеряется с помощью омметра (9).
Порядок выполнения работы
1. Измерить изменение электросопротивления нескольких образцов ферромагнетиков и гранулированных композитов (с различным соотношением металлической и диэлектрической фаз) при приложении к ним поля Н = 1 кЭ.
2. Рассчитать величину МС для каждого исследованного образца. Для расчета определяется величина электрического сопротивления при нулевом поле и при поле равном 1 кЭ.
3. Построить концентрационную зависимость МС гранулированных композитов (состав каждого образца будет известен).
4. Определить при какой концентрации металлической фазы в исследованной системе реализуется порог протекания.
Контрольные вопросы
1. Как движется заряженная частица в электрическом и магнитном полях?
2. Как и вследствие чего изменяется сопротивление ферромагнетиков и гранулированных композитов в магнитном поле?
3. Чем отличается магниторезистивный эффект в диамагнетиках, ферромагнетиках и гранулированных композитах ?
4. Какой характер зависимости сопротивления полупроводникового кристалла от напряженности магнитного поля?
5. От чего зависит величина магниторезистивного эффекта в полупроводниках?
6. Почему величина магниторезистивного эффекта зависит от геометрических размеров образца?
7. Как правильно измерить коэффициент магниторезис-тивного эффекта?
8. От каких размеров и как зависит величина магнитосопротивления полупроводников и ферромагнетиков?
9. В чем состоит эффект гигантского магнитного сопротивления?
10. Где используется GMR?
11. Расскажите последовательность проведения измерений магнитосопротивления на описанной в инструкции экспериментальной установке.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вонсовский С.И. Магнетизм [Текст] / С.И. Вонсовский. - М.: Наука, 1971. – 1032 с.
2. Чеченин Н.Г. Основы квантовой физики металлов [Текст] / учеб. пособие / Н.Г. Чеченин. – Москва: Изд-во МГУ , 2004. - 246 с.
3. Ашкрофт Н. Физика твердого тела [Текст] / Н. Ашкрофт, Н. Мермин. - М.: Мир, 1975. – 458 с.
4. Павлов П.В. Физика твердого тела [Текст] / П.В. Павлов, А.Ф. Хохлов. - М: Высшая школа, 2000. – 494 с.
5. Анималу А. Квантовая теория кристаллических твердых тел [Текст] / А. Анималу - М.: Мир, 1981. - 576 с.
6. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений [Текст] / Г.С. Кринчик. – М.: Изд-во МГУ, 1985. - 336 с.
7. Бозорт Р. Ферромагнетизм [Текст] / Р. Бозорт. – М.: Изд-во ин. литературы, 1956. - 784 с.
8. Белов К.П. Магнитострикционные явления и их технические приложения [Текст] / К.П. Белов. - М.: Наука, 1987. - 160 с.
9. Тикадзуми С.. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические приложения [Текст] / С. Тикадзуми. - М.: Мир, 1987. – 419 с.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторным работам № 1-4 по курсу «Физика магнетизма»
для студентов направления 16.03.01 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника»)
очной формы обучения
Составители:
Бабкина Ирина Владиславовна
Калинин Юрий Егорович
Стогней Олег Владимирович
В авторской редакции
Подписано к изданию 13.10.2014.
Уч.-изд. л. 1,9.
ФГБОУ ВПО "Воронежский государственный технический
университет"