CN114034932B - 一种测量亚铁磁垂直各向异性薄膜的平面霍尔电阻的方法 - Google Patents
一种测量亚铁磁垂直各向异性薄膜的平面霍尔电阻的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及磁性材料及磁电输运测量技术领域,尤其涉及一种测量亚铁磁垂直各向异性薄膜的平面霍尔电阻的方法。相较于通过传统的电输运测量方法表征磁性材料的平面霍尔电阻,本发明去除反常霍尔电阻对亚铁磁垂直各向异性薄膜的平面霍尔电阻测量的影响。通过该方法可准确地获得亚铁磁垂直各向异性薄膜在磁矩补偿温度(或磁矩补偿点)附近的平面霍尔电阻,为研发基于亚铁磁平面霍尔效应的磁传感器和磁性随机存储器提供了技术支持。此外,该方法为研究亚铁磁材料复杂的电输运特性提供了丰富的探测和分析方法。
Description
技术领域
本发明属于磁性材料及磁电输运测量技术领域,具体涉及一种测量亚铁磁垂直各向异性薄膜的平面霍尔电阻的方法。
背景技术
平面霍尔效应是磁性材料的一种本征的自旋输运特性,具体表现为:沿着x方向通电流、磁矩在x-y面转角度时,在y方向可探测出一个电压(Vxy),并且Vxy与电流和外磁场之间的夹角满足三角函数关系。平面霍尔效应类似于各向异性磁电阻,它们具有相同的物理机制:磁性材料的自旋轨道耦合作用引起电子散射呈现出各向异性。
磁性材料的平面霍尔效应,可应用于设计磁传感器和磁性随机存储器等器件。平面霍尔效应磁传感器由于具有精度高、信噪比高等优点,被广泛应用于工业检测、航空航天、国防科技、智能汽车和医疗健康等领域。
磁性材料平面霍尔效应的大小一般通过平面霍尔电阻(RPHE)来衡量。目前表征RPHE的一种常见方法为:在x-y面内施加一定大小的外磁场,使得材料的磁矩躺在x-y面内;随后改变外磁场与电流之间的夹角让材料的磁矩在x-y面内旋转,同时测量RH,获得的变化关系,最终通过公式拟合求出RPHE。这种方法非常适合表征垂直磁各向异性较小的磁性材料的RPHE。然而,当表征垂直磁各向异性较大的亚铁磁材料,尤其是表征亚铁磁材料在磁矩补偿温度(或磁矩补偿点)附近的RPHE时,上述方法将不再适用。主要原因为:亚铁磁材料在磁矩补偿温度附近时,即使施加很大的外磁场(仪器可提供的最大磁场),磁矩也难以躺在x-y面内,其在z方向有投影。因此,发明出一种精确测量亚铁磁材料尤其是亚铁磁材料在磁矩补偿温度(或磁矩补偿点)附近的RPHE非常重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量亚铁磁垂直各向异性薄膜的平面霍尔电阻的方法,可准确地测量垂直各向异性较大的亚铁磁材料的平面霍尔电阻,尤其适合表征亚铁磁材料在磁矩补偿温度(或磁矩补偿点)附近的平面霍尔电阻。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
本申请公开了一种测量亚铁磁垂直各向异性薄膜平面霍尔电阻的方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
S1、将亚铁磁垂直各向异性薄膜制成霍尔棒器件,将该霍尔棒器件放入综合物性测量系统中,调节温度,并施加外磁场,让亚铁磁材料的净磁矩正向饱和;
S2、调节外磁场,使得过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为0°或180°,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入电流,在0~360°的范围内连续变化使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得霍尔电阻RH随的变化曲线
S3、调节外磁场,使得过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为0~180°,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入电流,在0~360°的范围内连续变化使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得霍尔电阻RH随的变化曲线
S4、调节外磁场,使得亚铁磁材料的净磁矩负向饱和;
S5、调节外磁场,使得过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为180°或0°,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入电流,在0~360°的范围内连续变化使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得霍尔电阻RH随的变化曲线
作为优选,所述步骤S2中当过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为0°时,所述的拟合公式为当过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为180°时,所述的拟合公式为其中θtilted为外磁场偏离x-y面的倾角。
作为优选,所述步骤S5中当过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为0°时,所述的拟合公式为当过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为180°时,所述的拟合公式为其中θtilted为外磁场偏离x-y面的倾角。
本发明的有益效果:
1、测量方法简单,测量过程与传统的电输运方法表征磁性材料平面霍尔电阻的步骤一致;
2、分析方法科学,对亚铁磁垂直各向异性薄膜的平面霍尔电阻的测量结果提出更为科学的分析;
3、适用范围广泛,尤其适合测量亚铁磁垂直各向异性薄膜在磁矩补偿温度(或磁矩补偿点)附近的平面霍尔电阻,也适合表征垂直各向异性场较大的铁磁材料的平面霍尔电阻;
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1磁性材料的平面霍尔电阻的测量示意图;
图2亚铁磁材料的平面霍尔电阻测量时的外磁场和磁化强度分布图,(a)垂直各向异性较小的情形,(b)垂直各向异性较大的情形;
图3本发明的方法测量Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜在T=20K时的平面霍尔电阻;
图4本发明的方法测量Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜在T=160K时的平面霍尔电;阻
图5本发明的方法测量Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜在T=300K时的平面霍尔电;阻
图6本发明的方法测量Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜的平面霍尔电阻随温度的变化;
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了,下面通过附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限制本发明的范围。此外,在以下说明中,省略了对公知结构和技术的描述,以避免不必要地混淆本发明的概念。
本实施例提供了一种测量亚铁磁垂直各向异性薄膜平面霍尔电阻的方法,并应用于测量Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜在不同温度下的平面霍尔电阻。
图1为测量磁性材料平面霍尔电阻的结构示意图,沿着霍尔棒器件的纵向(x方向)通电流、外磁场和磁矩在x-y面内转角度时,在霍尔棒器件的横向(y方向)可探测出一个电压(Vxy)。Vxy即为平面霍尔电压VPHE,并且VPHE与电流和外磁场之间的夹角满足三角函数关系。上述结构适用于所有磁性材料的平面霍尔电阻的测量。在本实施例中,发明人也采用该结构表征Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜的平面霍尔电阻。
对于Pt/[Co/Tb]2亚铁磁垂直各向异性多层膜,其垂直磁各向异性随测量温度显著变化。当测量温度远离Pt/[Co/Tb]2的磁矩补偿温度,且x-y面内的外磁场足够大时,Co、Tb的磁化强度(MCo、MTb)被外磁场完全拉到x-y面内,并且MCo和MTb随外磁场在x-y面内转角度,如图2(a)所示。在该情形下,Pt/[Co/Tb]2的霍尔电阻RH随的变化关系可表示为:公式右边的第一项为平面霍尔对RH的贡献,第二项为外磁场偏离x-y面时反常霍尔对RH产生的影响,其中θ为MCo与z轴之间的夹角、RAHE为Pt/[Co/Tb]2的反常霍尔电阻、θtilted为外磁场偏离x-y面的倾角(θtilted~3°)。
当测量温度接近Pt/[Co/Tb]2的磁矩补偿温度时,Pt/[Co/Tb]2的垂直各向异性非常大,PPMS可提供的最大磁场无法把MCo和MTb完全拉到x-y面内。此时MCo和MTb既在x-y面内有分量,又在z方向有分量,如图2(b)所示。在该情形下,Pt/[Co/Tb]2的霍尔电阻RH随的变化关系应表示为:公式右边的第一项为反常霍尔对RH的贡献,第二项为平面霍尔对RH的贡献,第三项为外磁场偏离x-y面时反常霍尔对RH产生的影响,其中θ为MCo与z轴之间的夹角、RAHE为Pt/[Co/Tb]2的反常霍尔电阻、θtilted为外磁场偏离x-y面的倾角(θtilted~3°)。因此,为了准确获得Pt/[Co/Tb]2在磁矩补偿温度附近的RPHE,须去除RAHE对Pt/[Co/Tb]2平面霍尔电阻测量的影响。
以下具体实施了测量温度为20K、160K和300K时Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜的平面霍尔电阻的测量。
实施例1
测量并分析Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜在T=20K时的平面霍尔电阻,步骤如下:
(1)将Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜的霍尔棒器件放入PPMS中,将温度降至20K,再施加足够大的磁场(外磁场偏离样品x-y面的倾角为θtilted~3°)、让净磁矩正向饱和(+Mz);
(2)施加大小为0.1T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,由于施加的外磁场很小,MCo与z轴的夹角θ=180°,因此曲线的拟合公式为:
(3)施加大小为8 T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1 mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,拟合公式为:
(4)施加足够大的磁场(外磁场偏离样品x-y面的倾角为θtilted~3°)、让净磁矩负向饱和(-Mz);
(5)施加大小为0.1 T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1 mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,由于施加的外磁场较小,MCo与z轴的夹角θ=0°,因此曲线的拟合公式为:
(6)根据步骤(2)和步骤(5)的结果计算出RAHE,把RAHE代入步骤(3)的结果中,根据RAHEcosθ和RAHE求出θ,再将θ带入步骤(3)的拟合公式中,拟合出RPHE,即RPHE=0.044Ω,θ=119.1°。
图3为T=20 K时Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜霍尔电阻的测量值与拟合曲线,外磁场为0.1 T(+Mz)和0.1 T(-Mz)时的霍尔电阻用于表征RAHE,外磁场为8 T(+Mz)时的霍尔电阻用于拟合RPHE。由图可知,通过上述方法可很好的拟合出亚铁磁多层膜在垂直各向异性场较大时的RPHE。
实施例2
测量并分析Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜在磁矩补偿温度附近,即T=160 K时的平面霍尔电阻,步骤如下:
(1)完成实施例1之后,在T=20 K时施加足够大的磁场(外磁场偏离样品x-y面的倾角为θtilted~3°)、让净磁矩正向饱和(+Mz),再将温度升至160 K;
(2)施加大小为0.1 T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1 mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,由于施加的外磁场很小,θ=180°,因此曲线拟合公式为:
(3)施加大小为8 T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1 mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,拟合公式为:
(4)降温至20 K,施加足够大的磁场(外磁场偏离样品x-y面的倾角为θtilted~3°)、让净磁矩负向饱和(-Mz),再将温度升至160K;
(5)施加大小为0.1T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,由于施加的外磁场较小,θ=0°,因此曲线的拟合公式为:
(6)根据步骤(2)和步骤(5)的结果计算出RAHE,把RAHE代入步骤(3)的结果中,根据RAHEcosθ和RAHE求出θ,再将θ带入步骤(3)的拟合公式中,拟合出RPHE,即RPHE=0.143Ω,θ=163.9°。
图4为T=160K时Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜霍尔电阻的测量值与拟合曲线,外磁场为0.1T(+Mz)和0.1T(-Mz)时的霍尔电阻用于表征RAHE,外磁场为8T(+Mz)时的霍尔电阻用于拟合RPHE。由图可知,通过上述方法可很好的拟合出亚铁磁多层膜在磁矩补偿温度附近(垂直磁各向异性场非常大)的RPHE。
实施例3
测量并分析Pt/[Co/Tb]2的垂直各向异性多层膜远离磁矩补偿温度,即T=300K时的平面霍尔电阻,步骤如下:
(1)完成实施例2之后,将温度升至300K,再施加足够大的磁场(外磁场偏离样品x-y面的倾角为θtilted~3°)、让净磁矩正向饱和(+Mz);
(2)施加大小为0.1T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,由于施加的外磁场很小,θ=0°,因此曲线的拟合公式为:
(3)施加大小为6T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,拟合公式为:
(4)施加足够大的磁场(外磁场偏离样品x-y面的倾角为θtilted~3°)、让净磁矩负向饱和(-Mz);
(5)施加大小为0.1T的外磁场,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入大小为1mA的电流,在0~360°的范围内连续变化(步长为10°),使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得曲线,由于施加的外磁场较小,θ=180°,因此曲线的拟合公式为:
(6)根据步骤(2)和步骤(5)的结果计算出RAHE,把RAHE代入步骤(3)的结果中,根据RAHEcosθ和RAHE求出θ,再将θ带入步骤(3)的拟合公式中,拟合出RPHE,即RPHE=0.137Ω,θ=90.3°。
图5为T=300K时Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜霍尔电阻的测量值与拟合曲线,外磁场为0.1T(+Mz)和0.1T(-Mz)时的霍尔电阻用于表征RAHE,外磁场为6T(+Mz)时的霍尔电阻用于拟合RPHE。
此外,发明人采用本发明方法系统地、精确地测量了Pt/[Co/Tb]2垂直各向异性多层膜在不同温度下的平面霍尔电阻。图6所示,为Pt/[Co/Tb]2的平面霍尔电阻随温度的变化。
由实施例的结果可知,本发明方法非常适合测量亚铁磁垂直各向异性多层膜的平面霍尔电阻,尤其适合测量垂直磁各向异性巨大(磁矩补偿温度或磁矩补偿点附近)时的平面霍尔电阻。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种测量亚铁磁垂直各向异性薄膜平面霍尔电阻的方法,其特征在于,具体包括如下步骤:
S1、将亚铁磁垂直各向异性薄膜制成霍尔棒器件,将该霍尔棒器件放入综合物性测量系统中,调节温度,并施加外磁场,让亚铁磁材料的净磁矩正向饱和;
S2、调节外磁场,使得过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为0°或180°,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入电流,在0~360°的范围内连续变化使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得霍尔电阻RH随的变化曲线
S3、调节外磁场,使得过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为0~180°,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入电流,在0~360°的范围内连续变化使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得霍尔电阻RH随的变化曲线
S4、调节外磁场,使得亚铁磁材料的净磁矩负向饱和;
S5、调节外磁场,使得过渡族磁性金属的磁化强度与z轴的夹角θ为180°或0°,并将外磁场与霍尔棒器件纵向之间的夹角的初始值调至0°,往霍尔棒器件的纵向通入电流,在0~360°的范围内连续变化使得外磁场在霍尔棒器件的x-y面转角度,并用电压表测量霍尔棒器件的横向电压,获得霍尔电阻RH随的变化曲线
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