《磁阻效應(yīng)演示》課件

磁阻效應(yīng)演示磁阻效應(yīng)是材料在外加磁場作用下電阻發(fā)生變化的物理現(xiàn)象目錄基本概念磁阻效應(yīng)定義、歷史、原理實驗方法測量技術(shù)、實驗裝置、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用與發(fā)展什么是磁阻效應(yīng)？定義材料在外加磁場作用下電阻發(fā)生變化的物理現(xiàn)象物理本質(zhì)磁場影響載流子運(yùn)動軌跡和散射過程表現(xiàn)形式電阻隨磁場增加而增大或減小磁阻效應(yīng)的歷史11856年威廉·湯姆遜首次發(fā)現(xiàn)普通磁阻效應(yīng)21975年發(fā)現(xiàn)各向異性磁阻效應(yīng)31988年費(fèi)爾特和格林貝格發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)41995年首次發(fā)現(xiàn)隧道磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)的基本原理外加磁場建立磁場環(huán)境載流子運(yùn)動電子軌跡受洛倫茲力偏轉(zhuǎn)散射過程電子與晶格、雜質(zhì)碰撞概率改變電阻變化材料電阻值發(fā)生改變磁阻效應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)磁阻比定義MR=[R(B)-R(0)]/R(0)1材料參數(shù)關(guān)系與材料遷移率μ和磁場強(qiáng)度B相關(guān)2量子效應(yīng)表達(dá)高磁場下需考慮量子效應(yīng)3溫度依賴性需引入溫度T作為參數(shù)4磁阻效應(yīng)的類型1隧道磁阻效應(yīng)基于量子隧穿原理2巨磁阻效應(yīng)多層膜結(jié)構(gòu)中的自旋相關(guān)散射3各向異性磁阻效應(yīng)鐵磁材料中的自旋軌道耦合4普通磁阻效應(yīng)洛倫茲力引起的電子軌道彎曲普通磁阻效應(yīng)物理機(jī)制洛倫茲力使載流子軌道發(fā)生彎曲電子平均自由程減小散射概率增加特點電阻隨磁場增加而增大磁阻比較小，一般為幾個百分點在半導(dǎo)體和金屬中均可觀察到各向異性磁阻效應(yīng)物理機(jī)制自旋軌道耦合導(dǎo)致1特征表現(xiàn)電阻與電流和磁化方向夾角相關(guān)2典型材料鐵、鎳、鈷等鐵磁性材料3應(yīng)用領(lǐng)域磁傳感器、磁記錄頭4巨磁阻效應(yīng)多層膜結(jié)構(gòu)鐵磁/非磁性/鐵磁交替排列自旋依賴散射電子散射與自旋方向相關(guān)磁場調(diào)控改變磁層磁化方向隧道磁阻效應(yīng)結(jié)構(gòu)特點鐵磁/絕緣體/鐵磁三明治結(jié)構(gòu)物理機(jī)制量子隧穿效應(yīng)與自旋極化性能優(yōu)勢磁阻比可達(dá)數(shù)百至上千個百分點主要應(yīng)用MRAM、高靈敏度磁傳感器磁阻效應(yīng)的物理機(jī)制經(jīng)典機(jī)制洛倫茲力導(dǎo)致載流子軌道彎曲散射率變化影響電導(dǎo)率量子機(jī)制自旋極化影響電子輸運(yùn)量子干涉效應(yīng)熱力學(xué)機(jī)制磁場影響電子態(tài)密度能帶結(jié)構(gòu)變化洛倫茲力的作用洛倫茲力公式F=q(v×B)力的大小與速度和磁場強(qiáng)度成正比方向垂直于速度和磁場平面對載流子運(yùn)動的影響載流子運(yùn)動軌跡彎曲螺旋軌道形成有效平均自由程縮短電子散射機(jī)制晶格散射電子與晶格振動相互作用雜質(zhì)散射電子與雜質(zhì)原子碰撞界面散射電子在材料界面發(fā)生散射自旋散射電子自旋與磁矩相互作用自旋依賴散射1自旋極化電流鐵磁材料中電子自旋方向不均勻分布2散射概率差異平行自旋散射弱，反平行自旋散射強(qiáng)3電導(dǎo)通道形成自旋向上和自旋向下形成兩個電導(dǎo)通道4磁場調(diào)控外磁場改變材料磁化方向，影響散射過程磁阻材料半導(dǎo)體材料銻化銦、碲化汞、砷化鎵金屬材料鐵、鎳、鈷及其合金多層膜材料Fe/Cr、Co/Cu多層膜氧化物材料錳氧化物、鐵氧體半導(dǎo)體磁阻材料窄帶隙半導(dǎo)體InSb、HgTe等，遷移率高，磁阻效應(yīng)明顯磁性半導(dǎo)體摻雜稀磁半導(dǎo)體，如Ga(Mn)As半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)二維電子氣系統(tǒng)，量子阱、量子點金屬磁阻材料鐵鎳合金、鈷薄膜、鉍晶體、坡莫合金是常用金屬磁阻材料重金屬元素鉍在低溫下表現(xiàn)出較大磁阻效應(yīng)多層膜磁阻材料10-80%GMR效應(yīng)大小Fe/Cr、Co/Cu多層膜200%TMR效應(yīng)大小CoFeB/MgO/CoFeB結(jié)構(gòu)5-10nm典型層厚鐵磁層和非磁層厚度磁阻效應(yīng)的測量方法樣品制備標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀，電極連接磁場施加電磁鐵或超導(dǎo)磁體電流通入恒流源提供穩(wěn)定電流電壓測量高精度電壓表記錄四探針法原理外側(cè)兩個探針提供電流內(nèi)側(cè)兩個探針測量電壓消除接觸電阻影響適用情況體材料測量薄膜電阻測量高精度要求場合范德堡法樣品形狀任意形狀薄片，四個點接觸1測量步驟不同電極組合測量電阻2計算方法利用范德堡公式計算電阻率3應(yīng)用優(yōu)勢適用于霍爾效應(yīng)和磁阻同時測量4磁阻效應(yīng)的實驗裝置磁場系統(tǒng)電磁鐵或超導(dǎo)磁體磁場強(qiáng)度控制系統(tǒng)電學(xué)測量系統(tǒng)高精度電源納伏級電壓表樣品臺溫度控制系統(tǒng)樣品旋轉(zhuǎn)裝置亥姆霍茲線圈結(jié)構(gòu)特點兩個半徑相同的環(huán)形線圈間距設(shè)計線圈間距等于線圈半徑磁場特性中心區(qū)域具有高度均勻磁場控制方式通過調(diào)節(jié)電流控制磁場強(qiáng)度恒流源工作原理輸出恒定電流，不受負(fù)載變化影響常用運(yùn)算放大器構(gòu)建負(fù)反饋穩(wěn)定電流值技術(shù)參數(shù)電流穩(wěn)定度優(yōu)于0.01%噪聲水平低于1μA溫漂系數(shù)小于10ppm/°C高斯計霍爾探頭基于霍爾效應(yīng)測量磁場測量范圍0.1Gs至20kGs精度測量精度優(yōu)于0.1%方向測量可測三軸方向磁場分量數(shù)字萬用表電阻測量四線制測量，消除導(dǎo)線電阻電壓測量微伏級分辨率，測量霍爾電壓電流控制監(jiān)測電流穩(wěn)定性，確保測量準(zhǔn)確數(shù)據(jù)采集通過接口與計算機(jī)連接，自動記錄數(shù)據(jù)磁阻效應(yīng)的實驗步驟1實驗準(zhǔn)備樣品安裝，儀器連接系統(tǒng)校準(zhǔn)磁場標(biāo)定，電阻基準(zhǔn)測量測量過程改變磁場，記錄電阻變化4數(shù)據(jù)分析計算磁阻比，繪制磁阻曲線樣品準(zhǔn)備薄膜沉積、引線鍵合、樣品固定、電極連接是樣品準(zhǔn)備關(guān)鍵步驟磁場校準(zhǔn)電流(A)磁場(T)線圈電流與磁場強(qiáng)度呈線性關(guān)系，校準(zhǔn)曲線用于實驗中精確控制磁場電阻測量1零磁場測量記錄樣品初始電阻R?2施加磁場按步長逐漸增加磁場強(qiáng)度3多點采集每個磁場點記錄電阻值R(B)4重復(fù)驗證多次測量取平均值確保可靠性數(shù)據(jù)記錄磁場B(T)電阻R(Ω)磁阻比MR(%)0100.000.2105.25.20.4112.712.70.6122.522.50.8134.834.8磁阻效應(yīng)的數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)處理電阻數(shù)據(jù)歸一化磁阻比計算曲線擬合確定數(shù)學(xué)模型提取物理參數(shù)誤差分析系統(tǒng)誤差評估隨機(jī)誤差統(tǒng)計磁阻比計算不同類型材料的磁阻比差異顯著，隧道磁阻效應(yīng)具有最高磁阻比磁阻曲線繪制普通磁阻曲線電阻隨磁場單調(diào)增加各向異性磁阻曲線電阻隨磁場方向變化巨磁阻曲線電阻急劇下降，飽和特性明顯誤差分析系統(tǒng)誤差儀器精度限制1隨機(jī)誤差環(huán)境干擾、溫度波動2人為誤差操作不規(guī)范導(dǎo)致3校正方法統(tǒng)計分析、多次測量4磁阻效應(yīng)的應(yīng)用未來前沿量子計算、自旋電子學(xué)專業(yè)領(lǐng)域生物檢測、航空航天、科學(xué)儀器工業(yè)應(yīng)用自動控制、電機(jī)傳感、位置檢測消費(fèi)電子硬盤讀取頭、電子羅盤、智能設(shè)備磁傳感器工作原理利用磁阻效應(yīng)感知外部磁場變化將磁場信息轉(zhuǎn)換為電信號輸出信號調(diào)理電路放大處理應(yīng)用領(lǐng)域電子羅盤電流測量位置和速度傳感器生物磁場檢測磁記錄頭硬盤存儲GMR技術(shù)使存儲密度大幅提升讀取原理磁頭感知磁盤表面磁化狀態(tài)變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換磁信號轉(zhuǎn)換為電阻變化并放大磁隨機(jī)存取存儲器非易失特性斷電后數(shù)據(jù)不丟失高速讀寫接近DRAM速度無限耐久性寫入次數(shù)無限制低功耗靜態(tài)功耗幾乎為零磁阻效應(yīng)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用磁免疫分析檢測生物分子的新方法磁共振成像高靈敏度磁場傳感器芯片實驗室集成磁標(biāo)記檢測系統(tǒng)磁阻效應(yīng)在航空航天中的應(yīng)用導(dǎo)航系統(tǒng)磁場測量輔助定位姿態(tài)控制地磁場參考電流監(jiān)測非接觸式電流測量接近探測位置和距離傳感磁阻效應(yīng)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用車輪速度傳感器ABS系統(tǒng)核心組件位置傳感器檢測踏板、閥門位置轉(zhuǎn)向角度傳感器電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)電池電流監(jiān)測混合動力和電動汽車磁阻效應(yīng)的最新研究進(jìn)展1拓?fù)浯抛栊?yīng)拓?fù)浣^緣體中的新型磁阻現(xiàn)象2超巨磁阻效應(yīng)磁阻比高達(dá)1000%以上3自旋軌道磁阻基于自旋軌道耦合的新機(jī)制4二維材料磁阻石墨烯等二維材料中的磁阻研究自旋電子學(xué)基本概念利用電子自旋自由度超越傳統(tǒng)電子學(xué)關(guān)鍵技術(shù)自旋注入自旋傳輸和操控主要應(yīng)用自旋晶體管自旋邏輯器件拓?fù)浯判圆牧贤負(fù)浔Ｗo(hù)態(tài)邊緣態(tài)對缺陷不敏感量子化電導(dǎo)非平庸帶隙結(jié)構(gòu)磁性拓?fù)洳牧洗判酝負(fù)浣^緣體軸子磁性材料外爾半金屬二維磁性材料CrI?、Fe?GeTe?、VSe?、MnSe?是典型二維磁性材料單層原子厚度下仍保持磁性，展現(xiàn)獨(dú)特量子行為磁阻效應(yīng)的挑戰(zhàn)與機(jī)遇技術(shù)挑戰(zhàn)提高材料靈敏度降低噪聲水平擴(kuò)大工作溫度范圍提高穩(wěn)定性和可靠性發(fā)展機(jī)遇量子信息技術(shù)神經(jīng)形態(tài)計算可穿戴柔性設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)傳感節(jié)點提高靈敏度材料優(yōu)化新型高靈敏度磁阻材料開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計多層膜結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化信號處理低噪聲放大和數(shù)字濾波系統(tǒng)集成磁通聚集器引導(dǎo)磁場降低功耗自旋軌道力矩(SOT)技術(shù)可大幅降低功耗，未來技術(shù)有望再降低數(shù)倍提高工作溫度范圍-40°C低溫極限航空航天應(yīng)用需求150°C高溫極限汽車發(fā)動機(jī)環(huán)境200°C研發(fā)目標(biāo)工業(yè)極端環(huán)境400°C理論極限特種材料潛力磁阻效應(yīng)的未來發(fā)展方向1量子磁阻效應(yīng)量子相干效應(yīng)與磁阻的結(jié)合納米尺度器件尺寸效應(yīng)帶來的新物理現(xiàn)象3柔性可穿戴設(shè)備適應(yīng)復(fù)雜形狀的磁傳感器量子磁阻效應(yīng)量子隧穿電子波函數(shù)穿透勢壘量子干涉電子波相干疊加量子糾纏自旋狀態(tài)非局域關(guān)聯(lián)量子霍爾效應(yīng)電阻量子化的特殊現(xiàn)象人工智能與磁阻效應(yīng)智能材料設(shè)計AI預(yù)測最佳材料組合自動化實驗機(jī)器人系統(tǒng)高通量測試神經(jīng)形態(tài)計算磁阻器件模擬神經(jīng)元功能柔性磁阻器件柔性基底聚酰亞胺、PET薄膜1磁性薄膜納米尺度柔性磁性層2封裝保護(hù)防氧化、防濕氣層3應(yīng)用場景可穿戴設(shè)備、電子皮膚4磁阻效應(yīng)在教學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)價值綜合多學(xué)科知識點展示現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展培養(yǎng)實驗技能理論與實踐結(jié)合教學(xué)形式課堂講解演示實驗室實踐虛擬仿真實驗研究性學(xué)習(xí)項目磁阻效應(yīng)實驗設(shè)計1實驗?zāi)繕?biāo)測量材料磁阻效應(yīng)2實驗原理磁場中電阻變化規(guī)律3實驗器材電磁鐵、樣品、測量電路4實驗步驟按磁場強(qiáng)度記錄電阻變化5數(shù)據(jù)分析計算磁阻比，繪制關(guān)系曲線虛擬仿真實驗數(shù)值模擬磁場與電阻關(guān)系計算交互操作虛擬調(diào)節(jié)實驗參數(shù)