磁性薄膜及颗粒膜的霍耳效应研究

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近年来在电子的输运过程中操作和利用电子的另一内禀特性-“自旋”开始受到人们的重视并由此在凝聚态物理中产生了一门新的前沿学科-自旋电子学(spintronics)。自旋电子学由于其丰富的物理内容和巨大的应用前景,引起了物理学界和材料学界的广泛兴趣。由于霍耳效应与材料的磁状态和微结构密切相关并提供了载流子的类型、浓度等关键信息,因而在电子输运行为等基础研究中有着重要的意义并成为自旋电子学有力的研究工具。在磁性材料的霍耳效应中存在与M有关的反常项,称为反常霍耳效应。至今仍然没有很好的解释,仍是理论研究的热点。在众多的纳米材料中,纳米颗粒膜由于其易制备性,独特的微结构和内含丰富多彩的物理现象引起世人的广泛关注。在该体系中相继发现了巨磁电阻和巨霍耳效应。基于此研究背景,本文系统地研究了FexSn100-x合金薄膜的反常霍耳效应和Cu/Al2O3及Fe68Sn32/SiO2颗粒膜体系的巨霍耳效应。主要内容有: 1.在高真空中,采用离子束共溅射技术制备了一系列FexSn100-x合金薄膜和Cu/Al2O3颗粒膜样品。在溅射过程中采用复合靶,通过改变复合靶上两种材料的表面积比来调控各种元素的含量。薄膜沉积在玻璃基片上。部分样品经过退火处理,以观测样品的微观结构和电、磁性质随退火温度(TA)的变化。 2.样品的微结构采用透射电子显微术(TEM)、电子衍射和X射线衍射(XRD)方法进行分析。对于FexSn100-x合金膜,XRD显示随着铁成分的减小,样品由多晶薄膜向非晶薄膜转变。对于Fe68Sn32样品,相应的XRD和电子衍射表明已经是非晶样品。经过退火后,形成Fe1.3Sn相的多晶薄膜,相应的TEM分析表明其颗粒尺寸长大为70nm左右。随着样品厚度的减小也发现相同的规律。当薄膜厚度由1000nm减小到450nm后,颗粒尺寸由13nm减小到1.5nm,厚度为150nm时薄膜由Fe1.3Sn多晶薄膜转变为非晶。 3.通过改变Fe、Sn的原子比,我们发现F68Sn32样品对应霍耳电阻率最大,对于F68Sn32在厚度为100-300nm时ρxys=8.7μΩ·cm。并且随着厚度的减小,40nm时,霍耳电阻率增加到14.7μΩ.cm。是文献报道的铁磁金属体系最大的饱和霍耳电阻率。通过分析饱和霍耳电阻和电阻率的标度关系得到与反常霍耳理论中斜散射机制和边跳跃机制不同的关系,说明影响霍耳效应的因素很多。通过改变样品的微结构、厚度,我们发现霍耳效应都有明显的改变,说明来源于杂质、缺陷、颗粒界面和边界造成的散射在该体系中起着重要的作用。 4.研究了Cux(Al2O3)1-x颗粒膜当Cu的体积百分比x从0.1到0.9的时间颗粒膜不同区域的导电特性和霍耳效应。当Cu的体积百分比0.9~0.58之间时,Cu/Al2O3处于典型的金属导电区域,有着正的温度系数。随着x的减小,霍耳效应不断增加,当x=0.58时,我们测量到了最大的霍耳电压,室温下霍耳系数由x=0.9的R0=0.2×10-4cm3/C变化到R0=0.25×10-2cm3/C,有近两个数量级的增加。进一步减小x,霍耳效应小于噪音,已经无法测量。当x<0.47后体系进入颗粒膜的分离区域。logρ-1/T1/2曲线,有很好的线性关系。表明此时小颗粒之间的跳跃电导和隧穿在导电中起主导作用。霍耳效应两个数量级的增加,是经典渗流理论不能解释的。但是变化趋势同沈平的理论相一致,可以用其量子相关的理论来进行解释。 5.用磁控溅射共溅射的方法制备了渗流区域附近的Fe68Sn32/SiO2颗粒膜。研究了霍耳效应和磁电阻效应,得到的霍耳电阻率最大值约为150μΩcm。
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