2022-11-08 09:06:24 由 yihong 发表
摘要-- 反常霍尔效应 (AHE) 已被公认为测量垂直磁记录介质 (PMRM) 的磁滞 M(H) 环的有用工具，并且在表征双层 PMRM 中显示出特别实用性，因为环 对于记录层 (RL) 和软垫层 (SUL) 可以同时测量，这是使用传统磁力计不容易完成的任务，因为很难单独提取 RL 和 SUL 的特性。
索引词——异常霍尔效应、垂直记录介质、磁力计、材料测试。
一、引言
传统的磁力测量方法（例如，VSM）不适合表征双层垂直磁记录介质（PMRM）的磁特性的任务。在传统的磁力计中，信号响应主要由柔软的底层控制，因此几乎不可能隔离记录层的磁性。反常霍尔效应 (AHE) 已被公认为测量 PMRM[1,2] 的磁滞 M(H) 回路的有用工具，并提供了对软底层和记录层的磁特性的独立测量。霍尔电压包含三个项。第一个与磁化的垂直分量成比例，称为反常霍尔效应 (AHE)。第二个与薄膜平面内磁化分量的平方成正比，并垂直于电流，称为平面霍尔效应（PHE）。第三个与 B 场的垂直分量成正比，称为普通霍尔效应 (OHE)。使用不同电流方向测量霍尔电压可以将平面内和垂直磁化分量分开。我们测量了双层 PMRM 中的 AHE 和 PHE，并将结果与使用 VSM 的测量结果进行了比较。为了从高电导率样品中获得最大灵敏度，使用了交流电流方法 [3]。该技术还消除了由热 EMF 电压引起的误差。为了消除霍尔测量中的残余电阻电压，使用了传统的半导体霍尔效应测量中常用的几何平均技术。然而，对于完整的 M(H) 环路测量，必须使用一种修改形式的场反转，其中下降曲线上正场的霍尔电压与上升曲线上负场的霍尔电压进行平均。我们证明了异常和平面霍尔效应提供了一种简单快速的方法来表征双层 PMRM 中硬记录层的磁性。
二、 方法
在霍尔效应测量中，有三个霍尔电压 (VH) 分量，
其中 t = 薄膜厚度，角度 α、θ 和 φ 在图 1 中定义。等式 (1) 中的第一项是普通霍尔效应 (OHE)，由作用于传导电子的洛伦兹力产生。 OHE 取决于 B 场的 z 分量，并产生垂直于 Bz 的电场和电流密度。第二项是异常霍尔效应 (AHE)，由自旋相关散射机制引起。 AHE 取决于 M 的垂直分量，并产生垂直于 Mz 的电场和电流密度。 (1) 中的最后一项是平面霍尔效应 (PHE)，或各向异性磁阻。 PHE 与 M 的平面分量的平方成正比，并产生平行和垂直于电流的电场。 (1) 中的第三项是垂直于电流的分量。 .请注意，（1）中的所有三个项都与膜厚度 t 成反比。在传统的磁力计（例如，VSM）中，信号幅度与 t 成正比，因此随着薄膜厚度的减小，提取感兴趣的信号变得更加困难。恰好相反的效果出现在 AHE 磁力计中，使其成为测量超薄磁性薄膜的理想选择。
图 1. AHE 测量的几何形状。 α 是施加场与样品法线之间的角度，θ 是磁化强度与法线之间的角度，φ 是电流与磁化的平面内分量之间的角度。
图 2 说明了与使用传统磁力测量方法（例如，VSM）来表征双层 PMRM 相关的问题。 请注意，VSM M(H) 回路由软磁底层控制，因此几乎不可能提取硬磁记录层的特性（例如，记录层的矫顽力）。 相比之下，请注意，AHE 结果清楚地显示了记录层的特性，因此证明了这种技术在测量双层 PMRM 中的磁化过程方面的能力。
Van der Pauw 样品几何形状用于测量垂直记录介质的 AHE 效应。在这种方法中，样品是矩形的，样品的角上有电触点。电流源连接到对角线上的两个触点，电压表连接到另一个对角线上的两个触点。如果电压触点不在同一等电位线上，则电压将与材料电阻以及霍尔电阻成正比 [4]。互换电流源和电压表并对两个读数中的电压进行平均可以消除电阻偏移 [4]。图 3 显示了 PMRM 样品测量的原始数据。线性背景是普通的霍尔效应，可以通过将一条直线拟合到高场数据并减去该线性背景来去除[5]。图 4 显示了一种配置的校正数据。由此产生的磁阻和异常霍尔电压信号清晰可见。图 5 显示了去除线性背景后的平均霍尔电压，显示了对应于硬记录层的预期磁滞回线。
AC AHE 与 VSM - PMRM 示例
图 2. 使用 VSM（显示 SUL 的效果）和 AHE 测量双层 PMRM 样品，仅显示记录层中的硬磁材料。 该样品是使用交流电流在 α = 35° 时测量的。
霍尔电阻与场
图 3. 垂直记录媒体的原始数据。 这显示了电流源和电压表（R42,13 和 R31,42）的两种不同配置。 前两个指标是指电流源的样本触点数，后两个指标是指电压表的样本触点数。
R42,13 线性校正后
图 4. 去除线性背景后的一种几何结构（由于普通霍尔效应）。 观察到 AHE 和 MR 信号。
线性校正后的 AHE
图 5. 去除线性普通霍尔效应后的几何平均 AHE 信号。
三、 讨论
反常霍尔效应磁力计可用于研究薄膜材料的磁化过程。 AHE 技术对那些传统磁力测量方法可能不适合或受限于其应用效用（例如，双层 PMRM）的磁计量应用显示出特别的前景。此外，由于 AHE 信号与薄膜厚度成反比，因此该技术对于研究传统磁力测量方法缺乏足够灵敏度的超薄磁性薄膜的磁性特别有用。例如，AHE 技术已被证明可用于研究构成自旋电子器件基础的铁磁/半导体异质结构和稀释磁半导体 (DMS) 的磁输运特性。由于 DMS 薄膜中的磁化强度很小，因此使用 AHE 技术的磁化强度测量在测量灵敏度方面优于传统的磁测量技术 [6]。
AHE 磁力计也可用于使用磁滞回线以外的测量来研究磁过程，其结果与使用传统磁力计方法（即 VSM）[3] 获得的结果具有很好的相关性。这种技术的进一步发展是有必要的，因为它可能会证明 成为表征下一代记录材料和自旋电子器件磁性的仪器计量工具。
