Исследование эффекта Холла и магнетосопротивления на

_,
ТУРКМЕНИСТАН
ССР
"ФИЗИI(А-ТЕХНИI(И,
ИЗВЕСТИЯ
ЫЛЫМЛАР
ХИМИКИ
ВЕ
АI(АДЕМ 'ИИ
АКАДЕМИЯСЬIНЫI{
ГЕОЛОГИ!(
ХАБАРЛАРf -
ЬIЛЬIМЛАРЫН.
СЕРИЯСЫ
ТУР· I(МЕНСКОИ ,..,
HAY.I(
ССР
СЕРИЯ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСI(ИХ, ХИМИЧЕСКИХ И ГЕОЛОГИЧЕСКИХ НАУК
.N2 4
1968
УдК s:зg_ 238
' Р. Г. АН НАЕВ
Л.
В. I(ИРЕНСI(ИИ
Р. В. СУХАНОВА
Г. Ш. АХМЕДОВА
П.
3.
Н.
ЗАЯКИИ
М. ПЕРЖАНОВСКАЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ХОЛЛА
И МАГПЕТОСОПРОТИВЛЕНИЯ
НА ТОНКИХ МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕН ·КАХ НИКЕЛЯ
Тон~ие пленки наход~т все большее применевне в физике и тех­
нике. Изучению электрических и магнитных свойств цекоторых тсtнких
ферромагнитных
.пленок
посвящен
т_альных раб'от [1-7].
Влияние старения
ряд
теоретических
и
экспери : ~ ен-
·
,
(окисленИя} моi-rокристаллических тонких пле-.
нок никеля на эффект Холла и на изменение
- электросопротивления
'!Jленок под воздействием магнитного поля или намагничения (магне­
·тосопротивление) никем не _ изучалось.
Цель данной работы ·_ · исследование магнетасопротивления И · эф­
·феr}та Холла на тqнких монокристаллических пленках никеля толщи-
•
ной
n
480-1400
А при
291 о к
в магнитных полях до
5,6
кэ и через год
Jiювторить при прочих равных условиях опыта те же измерения
.выяснения влияния процесса окисления
Опыт показывает, что ЭДС Холла
·ставить
VУ
(старения) _
на эти
для
штенки.
в ферромагнетиках можно пред­
соотношением
(1)
где
Ro -
обыкновенная постоянная Холла;
ферромагнитная постоянная
Н
-
магнитное поле;
Первый член
риала, а
второй
(1)
-
ХолЛа; 1 -
iх
сила тока;
характеризуется
зависит
d -
Rt -
необыкновенная или
намагниченность
образца;
толщина образца.
,
прощ~ссом проводимости
мате~
от намагниченности его.
Мног11е авторы исследовали тонкие пленки
ферромагнетиков
и
nоказали, что постоянные Холла Ro и Rt и величины их зависят от
технологии изготовления пленок, от температуры подложки, от величи­
ны давления при
процессе напыления
или испарения, от
направЛения
И скорости напыления или юшарениЯ- и :Г· д. Кроме этого, с уменьшением
толщины пленок абсолютные величины постоянных Холла
Ro
и
R1. уве­
личиваются и знаки их сохраняются, как в случае массивных образцов. ·
Соотношение
(1)
можно представить .в иной форме:
Н
=He-NI,
(2)
где
iie -
внешнее магнитное поле;
размагничивающий фактор.
N
Q бразца.
Действительно, обозначая в
е.=
_,
.(1)
V-d
-lx/ -
и воспользовав.
.
(2), находим
ШЙСЬ
Кри·вую зависимости ех как
-функц ии Не схематически мож­
но и,зобразить (рис.
1)
анало­
гично [8), только мы здесь даем
e~=f(He),
а
не
=f
ех
(8).
частности в (3), когда (R!-RoN)I
.RoHe"
. имеем
ex 2 =RoHe
«
Рис.
.
.ех. .
или
В
Не~ tg ер= R о
lx
·
(Не ,< Hs\·
!.
Схематическая зависимость
как функции внешнего
поля Не.
магнитного
Тем самым можно из опыта определить в данном образце обыкно­
венну ю постоянную Холла. Пересечение продолжения прямолинейного
участка АВ при H~ > Hs с осью ординат дает отрезок ех 1 = (Rl-RoN)/5
и 1 За менена нами на 15
поскольку наклон прямолинейного участка
,
АВ в области больших Не >Hs (рис. 1). Намагниченность
можно считать равной намагниченности насыщения
образца
/5•
Та ким образом, если известно / 5 и размагничивающий фактор об­
разца N, то можем находить величину ферромагнитной константы Хол-
ла
R1-
·
Если ис~ледуемый образец имеет форму прямоугольного паралле­
.лепипеда длиной l и сечением ·s, то удельную намагниченность cr [9] и.тш
интенсивность намагничения
Cr!tl
(41t- N) 2mn
.(j =
1
можно вычислить по формулам
. а,
. 1=
Cr!t=t
2tms (41t-
N
)
где , Сф
баллистическая постоянная установки; а отброс гальванометра;
iln - разность числа витков в дифференциальной I)aтущке: т- масса образца.
Методы
и
измерения
эффекта
Холла
магпетосопротивления
Наи более распространенным ме:rодом измерения эффекта Холла и
яв.'lяется потеl!циометgический метод [9].
1\1 агю~тосопротивления
Н<Jм и при измерениц эффекта Холла использован неуравновешен­
ный потенциометр, теория конструкции которого разработана Р . Г. Ан­
наев ым
[10].
В схему включался зеркальный гальванометр типа М
с постоянной к напряжению Си
Маrнетосопротивление
мостам Томсона
новка
и
[Il]
=0,74·10- 7
измерялось
_.!!.._.
мм
17/6
м.
неуравновешенным
· двойньiм
10 - 6 ом. Собранная уста,­
с точностью до порядк а
правильиость
ее работы
провсрялась
по измерению эффекта
Xoл,zia на отожженой никелевой пластинке размера,ми 20X 10XO,l М:щ3 ,
результать1 которы х хорошо совпали с наблюдениями, приведеиными
27
•
в·
[12].
С целью выяснения роли окисления, на рис. ·
приведены ре­
2, 3
зультаты измерений точками, а повторные наблюдения через год на•
т1екоторых образцах обозначены крестиками. Из сопоставления - резуль­
татов
измерения
видно,
что некоторое
влияние
оки~ления
им~ет место.
Измерение магнетасопротивления проводилось в продольном и поj
перечном направлениях внешнеГо магнитного поля, а также в зависи­
мости от угла
rp (р - угол между [100] и направлением внешнего:
магнитного поля). При всех измерениях ток, пропускаемый через об­
разцы, оставался постоянным 5·1 О - 4 а. При измерениИ эффекта· Холла .
и
продольного,
нялось от О до
поперечнщо
5634
магнетосопротив.r~ения внешнее
изводилось
с
среднем до
(!~ I0
При
8g·(M
изме ­
точностью
1-:-50fo.
30
· СИМОСТИ
о
ОТ
угла
ла равна
25
Be,JIИ~
r,
о
и з мерения ·
электрический то к
внешнее
Не по
5/ОА
эрстедам.
5634
Направ.r~ение
·
в з ави­
rp
чина . поля насыще ни я бы­
ЧВОА
го
в,
.
измерении магне­
тосопротивления
1
а
поле
эрстед. Измерение эффекта в наших опытах про-
[1 00]
i,
магнитное
поле
отношению
оси
имели
следующие
ориентации: эффект Хол~
15
ла
. измеряЛся,
[100] 11 i IIJ_r _i_H;
!О
сопротивление
речноrо
{100]
5
~огда
магнето ­
.q.ля J]ОПе­
эфФекта,
\\i\lr j_
Н;
дольного {lOOJ
когда
для
про-.
Не. ,
llillr\1
~агнетосопротивление
в зависимости от
. 1
Рис.
внешнего
толщин
2.
Зависимость эффекта
магнитного
поля Не
монокристаллических
никеля в ГlOOl
(ххх
-
Холла ех от
для
различных
пленок
чистого
повторные измерения че-
рез год).
производилось
yr.тta <р
из ме рени­
А
ем, когда {100il \\i llгHe= rp_
Экспериментал ь Н' а
часть
выполнялась
тонких
я
на
монокристалли­
ческих пленках , полученных в вакууме · (l0- 4 мм рт. ст.) · при темпера­
туре подложки 180°С. Подложкой служил монокристалл NaCI в плос­
кости- [001].
На электронаграмме проверялась плоскость [001:]
тонких пленок
никеля.
Для обеспечения контактов проводящих проводов с пленкой, в след ­
ствие большой чувствительности никеля к деформации и темпер а туре,
были
напылены отводящие
контакты
из . красной меди.
Подводящие провода крепились специальным припоем, состояще111
из чистых элементов:
570foGa+23%In+200foSn
ют низкую температуру плавления
и
вес. частей, которые и.ме­
обеспечивают
надежность кон­
такта.
Состав был синтезирован в эвакуированных кварцевых за паенных
а·мцулах при температуре тугоплавкого компонента
с последующи м по-
степенным охлаждением.
·
· Полученный сплав
нщюсился
•
·
на месте контактов электро да с со.­
еди~ительнымИ проводами, затем - помещался в воДяную баню . и выдер- ·
живалея
28
там
до
расплавления.
Надежность
контакта
определяется
по
овалу
припоя на
границе
с эл е ктродом. Если не наблюдается растекания
припоя
на медном
электроде, то края получаются овал~ными. к;ак только медный элект­
род сма чивался
с припоем, пленка вынималась из
водяной бани и на
место контакта наносилась 1\апля БФ-2. Затем пленка с подложкой за­
жим алась
в
специальную
подставку.
Результаты
измерения
По.ТJученные результаты измерений эффекта Холла и продольного
nоп ереч ного
~ивления
магнетосоnротивления,
от
угла
~
для
а
также
зависимость
монокристаллических
ной толщины показаны на рис .
На рис.
2, 3, 4.
тонких
2
магнетосопро­
пленок
различ­
представлены зависи­
мость эффеюа Холла e.r от внешнего магнитного поля Не для тонких
монокристаллИческих пленок с толщинами: 1400, 1340, 1200, 1100, 530;
через год
при
15
()
(начиная с 530 А)
эффект Холла рез1<0
возрастает,
а
затем
уменьшается
в
висимости
увели­
Чения
от
за­
толщины плео
НОК ДО 1340 А.
· Величина
ЭДС
Холла
у
пленок .
о
А) боль -
(480-1100
. ше
по
сравнению
массивными
цами
с
образ­
монокриста.'1-
.ТJ,ического
никеля.
Продольное
1\Iаг­
~~~тосопротивлен
и е
9бкаруживает
на­
сыщение во
всех
сдедqванных
ках
и
уменьшается
почти
3).
ис­
плен­
до
нуля
уменьшением
щины
·
пленок
Но
с
тол­
(рис.
насыщение
nр,одольного
Рис.
3.
Зависимость продольного(~) и по­
р
перечного ( ~Р)
l. ,
магнетасопротивления от внеш­
него магнитного · поля
сталлических
11
Не
и толщины
пленок никеля (ххх измерения через год).
монокри­
повторные
эффек­
та наступает раньше, чем nоперечного.
.
.
Продольный
резко возрастает у всех nленок, а Затем у nленок
эффект вначале
о
530 и 510 А наблюда­
ется незначительное nонижение области насыщения.
Поnеречное магнетасопротивление при малых полях порядка~ 500
115~0 эрстед имеет . очень м~ленькую величину для пленок 530, 510,
480 А, но с дальнейшим увеличением поля резко возрастает. Величина
nоперечного
магнетосопротивления
значительно
больше продольного.
29
При
,·
-
IЧOQ
1JЧU~
IJ~~
измеренип
магнетосопро т
·и
в­
.ления в зависимости
от угла
NOOA
/ZOQA
ется
•IIODA
ер наблюда­
смещение
сторону
ного
· В.
отридателъ­
эффекта
с
уменьше~ием толщи­
ны пленки (рис.
4).
1400;.
1100,
У пленок
1340, 1-200,
530 А эффект дости•
о
гает
нуля
При ер
,.
р-авной 45 и 135°, ~
у
пленки
толщиной
с
510 А
при.
равной
·15
33
rp ,
и прибли­
зи~еhьно
150~
а
о
пленка
480
А и·меет
только
·20
отрица
..:
тельное значение 'эф.:.
фекта.
Рис. 4. Зависимость
(
~) от угла
'f
магпетосопротивлениЯ
= [010] 11 i/1; Н8
при
Постоянная Холла:
с
поле
увеличением
щины
Н =5634 э для различных то.Лщин пленок в
(100) (ххх - повторные измерения через год).
пленки
растает
с
и,
тол­
воз­
начиная
о
530 А, уменьшает-
ся по эквипотенциальному закону . до 1340 А.
Выводы
1.
Холловекая разность ~отенциалов увеличивается с уменьшение!'il!
толщины
2.
пленки.
Магнетасопротивление как в продольном, так и в поперечном,
магнитном
поле для
всех
исследуемых толщин
пленок
имеет
ный ход кривых: в первом случае с положительным, во
различ­
втором ..2.. с:
отрицательны.м значением величины эффекта.
3.
Величина магнетасопротивления
ния, равном
nри
поле магнитного
5634 э, в зависимости от угла ер между
осью
на сыще­
[100] .и:
магнитного поля Н смещается в сторону отрицательного эффекта при
уменьшении толщины пленки
и достигает
нуля при
rp,
равн'ой
145
и
О '
135~ для пленок толщиной
510
А.
о
На Пhенках толщиной 480 А
велиЧина магнетасопротивления
во всей области изменения угла имеет отрицательный знак величины/
4.
эффекта.
·~~
••• .J
30
iJ.
В-11ияние
окисления
монок р Исталлических
зывает на изменение величины э ф фекта Холла и
ния в наших измерениях (рис . 2-4).
- Туркменский г осударственный университет
им. А. М . Горького
Институт Физики Сибирского отделения
АН СССР
пленок никеля
ука­
магнетосоп.ротивле-­
1З
,.
ГТоступ ИJ;ю
\ ~~я 1967 г•.
Л И Т ЕРА ТУРА
1. Тонкие магнитные пленки. ~ Сб. статей под ред. А. С. Г лушкого и Л. В. ·ки-­
рен ского . Гостехиздат УССР, Киев , 1963.
2. Тонкие ферромагнитные пленки -
Изд. МИР, п од ред. Р. В. Т ел еснина .
3. По л и в а н о в К. М., Ф р у м к и н а А. Л. - Известия АН СССР,
сер.
физ ич . 25, N2 5, 1961 .
. _
"'
4 В у Д и н ь К ы - Изв естия АН СССР, 29, N2 4, 576-579, 196v.
5: С о 1 о т Ь а h i, А. А с а u r е а их G. - Holl effect of thin filтs of nilel
Structure апd Properties Thin Filтs, Ne\V Iork-Londoп, ! от Wiley · and Sons, Inc,
393-400 Discuss, 400-401, 1959.
6. V е 1 i о А . - , Magnetoresistance and На!! v·oltage тeasurements on Singlecrystal N~ 1 _and Ni-Fr thiп filтs, (9. Appl. Phys.), 35, N2 3, part 2, 774- 775, 1964.
7. С о l е т а n R. у., L а r s оn D. С. - «Magnetoresistance of sindl crystal
пickel film s». 'Physical Letter 19, N2 7, 554-556, 1965.
8. В у Д и н ь К ы и Е. Ф. Кур и ц ы н а - ФММ, 19, вып. 4, 501-505, 1965,
ДАН СССР, ·160, N2 "1, 77-86, 1965.
9. Ч е черни к о в В. И. Магнитные измерения.
Изд. Московского
уни. _
верситета, 1963.
10. А н н а е в Р . Г. - Тр. первой межвузовской конференции по современной
1ехнике ди электриков и полуn_роводников, стр. 388- 396, Л ., 1957.
11. А н н а е в Р. Г. - Магнито-электрические явления в ферромагнитных ме­
талла х . Из д. АН Туркм. ССР, Ашхабад, 1952 .
12. К о н д о р с к и й Е. И., . Г а л к и н а О. С. Ч е р н и к о в а и Ч ж е н К а й-Д а.
- ЖЭТФ, 41, N2 6, 1961 .