Анизотропное магнетосопротивление

Анизотро́пное магнетосопротивле́ние (анизотропный магниторезистивный эффект) — квантовомеханический эффект, заключающийся в изменении электрического сопротивления ферромагнитных проволок в зависимости от их ориентации относительно внешнего магнитного поля.

Математическая формулировка

Под величиной магнитосопротивления обычно понимают отношение

${\displaystyle \delta _{H}={\frac {\rho (H)-\rho (0)}{\rho (H)}},}$

где ${\displaystyle \rho (H)}$ — удельное сопротивление образца в магнитном поле напряженностью ${\displaystyle H}$[1][2]. На практике также применяются альтернативные формы записи, отличающиеся знаком выражения и использующие интегральное значение сопротивления[3].

Теория

В ферромагнитных материалах наподобие железа, кобальта, никеля и их сплавов электрическое сопротивление зависит от угла между направлением намагниченности образца и внешним магнитным полем. Данная зависимость обусловлена магнитной анизотропией, которая проявляется в неодинаковости магнитных свойств тела по различным направлениям. Причина магнитной анизотропии заключается в спин-орбитальном взаимодействии электронов, приводящем к спин-зависимому рассеянию электронов (коэффициент рассеяния для спинов сонаправленных и противонаправленных по отношению к намагниченности образца будет различный). Особенно велика магнитная анизотропия в монокристаллах ферромагнетиков, где она проявляется в наличии осей лёгкого намагничивания, вдоль которых направлены векторы самопроизвольной намагниченности ферромагнитных доменов.

На практике удельное сопротивление образца в нулевом поле ${\displaystyle \rho _{0}}$ достаточно точно аппроксимируется зависимостью

${\displaystyle \rho _{0}={\frac {1}{3}}\rho _{\parallel }+{\frac {2}{3}}\rho _{\perp },}$

где ${\displaystyle \rho _{\parallel }}$ — удельное сопротивление при ориентации образца параллельно магнитному полю, а ${\displaystyle \rho _{\perp }}$ — перпендикулярно ему[4].

Эффект достаточно слабый: в ферромагнитных материалах (например, плёнках пермаллоя) величина магнетосопротивления при комнатной температуре не превышает ${\displaystyle 2-3\%}$ [5].

Принципы использования

Анизотропный магниторезистивный эффект лучше всего проявляется при изготовлении чувствительного элемента в виде тонкой полоски с геометрическими размерами, которые удовлетворяют условию

${\displaystyle d<b\ll L,}$

где ${\displaystyle d}$ — высота, ${\displaystyle b}$ — ширина, ${\displaystyle L}$ — длина полоски.

При выполнении данного условия сопротивление полоски достаточно велико и она имеет одноосную анизотропию. Одноосная анизотропия проявляется в том, что ферромагнетик плёнки ведет себя подобно единственному домену, который под воздействием внешнего магнитного поворачивается вокруг своей оси. При этом однодоменность по толщине не означает однодоменности по всей площади плёнки, хотя в некоторых случаях и не исключает этого [6].

На схемотехническом уровне АМР датчики обычно представляют собой четыре эквивалентных магниторезистора, сформированных путём осаждения тонкого слоя пермаллоя на кремниевую пластину в форме квадрата и соединённых по схеме, представляющей из себя плечи измерительного моста Уинстона [7].

Ввиду того, что в мостовых схемах магниторезисторы расположены на одной общей подложке и имеют одинаковый температурный режим работы, несмотря на сильную зависимость сопротивления АМР-резистора от температуры, изменение температуры незначительно влияет на напряжение на выходе моста.

У АМР-резисторов от температуры изменяется не только сопротивление, но и чувствительность, т.е.

${\displaystyle (\vartriangle R/R)/\vartriangle H,}$

где ${\displaystyle \vartriangle R}$— изменение сопротивления в зависимости от изменения напряженности внешнего магнитного поля на величину${\displaystyle \vartriangle H}$, ${\displaystyle R}$ — номинальное значение магнетосопротивления.

С ростом температуры чувствительность уменьшается. Для уменьшения этой зависимости последовательно с двумя магниторезисторами разных плеч мостовой схемы включают терморезистор с отрицательным ТКС.

Применение

Использовался в магнитных сенсорах до открытия эффекта гигантского магнитного сопротивления.[5]

См. также

• Спинтроника
• Гигантское магнитное сопротивление
• Колоссальное магнитное сопротивление
• Туннельное магнитное сопротивление

Примечания

1. Никитин С. А. Гигантское магнитосопротивление // Соросовский обозревательный журнал. — 2004. — Т. 8, № 2. — С. 92—98. (недоступная ссылка)
2. Э. Л. Нагаев. Манганиты лантана и другие магнитные проводники с гигантским магнитосопротивлением (рус.) // Успехи физических наук. — Российская академия наук, 1996. — Т. 166, № 8. — С. 833—858. — doi:10.3367/UFNr.0166.199608b.0833. Архивировано 14 сентября 2013 года.
3. Я. М. Муковский. Получение и свойства материалов с колоссальным магнетосопротивлением // Рос. хим. ж. — 2001. — Т. XLV, № 5—6. — С. 32—41. Архивировано 18 октября 2012 года.
4. Hari Singh Nalwa. Handbook of thin film materials: Nanomaterials and magnetic thin films. — Academic Press, 2002. — Vol. 5. — P. 514. — 633 p. — ISBN 9780125129084.
5. Claude Chappert, Albert Fert and Frédéric Nguyen Van Dau. The emergence of spin electronics in data storage (англ.) // Nature Materials : journal. — 2007. — Vol. 6. — P. 813—823. — doi:10.1038/nmat2024. Архивировано 20 ноября 2016 года.
6. Воробьев А. В. Математическая модель анизотропного магниторезистивного датчика  для инженерных расчетов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. — 2012. — Т. 16, № 1. Архивировано 17 сентября 2016 года.
7. Howard Mason. Basic Introduction to the use of Magnetoresistive Sensors  (неопр.). Zetex (сентябрь 2003). Дата обращения: 9 сентября 2016. Архивировано из оригинала 17 июля 2016 года.