 |
|
Туннельное магнетосопротивление
Магнитный туннельный переход происходит в структуре, состоящей из двух слоев ферромагнетика, разделенных изолятором (обычно это оксид алюминия Al2O3). Причем толщина изолятора так мала (менее 2 нм), что электрон может просачиваться через него - этот процесс называется туннелированием.
Если магнитные моменты смежных слоев направлены параллельно, проводимость магнитного туннельного перехода велика, а если намагниченности антипараллельны, то вероятность туннелирования мала, то есть электросопротивление большое.
Максимальная величина магниторезистивного эффекта, наблюдаемого в таких структурах при комнатной температуре, составляет около 220%.
Структуры с магнитным туннельным переходом применяются в качестве считывающих головок в жестких дисках, а также для создания элементарных ячеек магниторезистивной оперативной памяти (MRAM). MRAM-память выглядит весьма перспективной и многообещающей по сравнению с другими типами энергонезависимой памяти.
Туннельное магнитное сопротивление так же, как и гигантское, наблюдается в многослойных структурах ферромагнитных материалов, где в качестве прослойки между ними используется диэлектрик, через который происходит туннелирование электронов (туннели́рование — преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия (остающаяся при туннелировании неизменной) меньше высоты барьера. Туннельный эффект — явление исключительно квантовой природы, невозможное и даже полностью противоречащее классической механике.Аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды)при прохождении электрического тока через образец.
Эффект был открыт Мишелем Жюльером в 1975 году, однако в то время не привлек к себе внимания, так как проявлялся лишь при гелиевых температурах. В настоящее время, после открытия высокотемпературных материалов, позволяющих его наблюдать, датчики на его основе заменили приборы, использующие гигантское магнетосопротивление.
Контрольные вопросы:
1) Что такое магнетосопротивление?
Ответ: Изменение электрического сопротивления проводника под действием внешнего магнитного поля.
2) Виды магнетоспротивления по направлению магнитного поля.
Ответ: продольные (ток сонаправлен с маг. полем), поперечные (ток перпендикулярен плоскости магнитного поля)
3) Причина возникновения магнеторезистивного эффекта.
Ответ: Изменение траектории носителей заряда под действием силы Лоренца.
4) От чего зависит магнетосопротивление вещества?
Ответ: от свойств проводника (если полупроводник - от примесей) ,подвижности частиц, температуры, от величины магнитной индукции поля, ориентации проводника относительно магнитного поля.
5) Основное применение.
Ответ: магниторезисторы, измерения магнитных полей, промышленные применения (автоиндустрия) , MR датчик, Датчики измерения угловой координаты , датчики измерения частоты вращения…
6) Назовите основные виды магнетосопротивления, в чем главная сущность и применение каждого?
Ответ: Отрицательное магнетосопротивление -наблюдается увеличение проводимости при приложении магнитного поля
Анизотропное магнетосопротивление –зависимость у ферромагнетиков их электрического сопротивления от угла между направлением движения носителей тока и направлением намагниченности в образце вследствие спин-орбитального взаимодействия. Эффект является довольно слабым (изменение сопротивления не превышает нескольких процентов)
Гигантское магнетосопротивление - наблюдается в многослойных материалах с чередующимися тонкими слоями ферромагнитных и немагнитных металлов. Сопротивление таких образцов велико, если локальные магнитные поля в ферромагнетиках направлены в противоположные стороны, и минимально, когда спины носителей заряда параллельны. Явление получило название гигантского магнетосопротивления, поскольку его величина существенно превосходила таковую для известного магнетосопротивления. Явление используется в считывающих головках жестких дисков и сверхчувствительных магнитных сенсорах.
Колоссальное магнетосопротивление - характерно для манганитов, у которых наблюдается обычно отрицательное магнетосопротивление - существенное падение электросопротивления при повышении индукции магнитного поля.
Магнитное поле приводит к упорядочению спинов (собственные моменты движения ) носителей заряда, которые, соответственно, могут легче перемещаться по цепочкам связей внутри структуры или путем туннелирования между микроструктурными элементами. Материалы с КМС могут быть использованы в виде датчиков магнитного поля .
Туннельное магнетосопротивление -наблюдается в многослойных структурах ферромагнитных материалов, (прослойка между ними - диэлектрик, через который происходит туннелирование электронов при прохождении электрического тока через образец).
Задачи
Задача 1.В отсутствии магнитного поля медный проводник имеет удельное сопротивление 
=0.0171 Ом* 
/м. когда к нему подвели постоянный магнит, то сопротивление стало равно 0,0837 Ом* /м. Относительное изменение удельного сопротивления ∆p=0,0888* Ом* /м. Определить величину угла φ между током и магнитным полем.
Решение:
Используя известную формулу для удельного сопротивления
, выразим значение искомого угла 𝜑: 
;
Ответ: 𝜑=49,1⁰.
Задача 2. Проводник, имеющий R=100 Ом и площадь поперечного сечения S=0,02 
, поместили в магнитное поле под углом в 45⁰. При этом изменение удельного сопротивления составило 0,078 
Ом*м. Найти длину проводника, если известно, что в начальных условиях удельное сопротивление составляло 3,4 
Ом*м.
Решение :
Известно, что . Из формулы 
выразим ⍴ -> 
. Из общей фор-лы 
выразим 
: 
Подставив получим 
Ответ : =26,4 см.
Задача 3. По графику определить чувствительность магниторезистора, если ∆В составляет 1Тл.
Решение:
магнитная чувствительность резистора Sм=∆R/∆B. По графику определяем разницу. В итоге имеем: 
Ответ: 15
Задача 4. По графику опеределить относительное изменение сопротивления в диапазоне температур [-40;40]⁰С.
Определяем по графику ординаты относительных сопротивлений при нужных температурах: 
Ответ: 
Задача 5.Удельное сопротивление проводника в магнитном поле равно 16,075 
Ом*м, определить относительное изменение удельного магнетосопротивления ( 
), если магнит расположен к проводнику под углом в 60⁰, а ∆⍴=0,643 Ом*м . Решение :
Так как 
то в формуле « 
» перенесем влево и домножим уравнение на ( 
/ ) . получим 
→ 
При расчете получим 
Ответ : 