（理论物理专业论文）非磁性半导体的异常磁电阻效应研究.pdf

非磁性半导体的异常磁电阻效应研究中文摘要 中文摘要 近年来，磁电阻效应因其重要的学术意义和商业应用价值而受到广泛的关注。磁 电阻效应指的是在磁场下材料的电阻发生显著改变，该效应出现在一系列人工制备或 自然的材料中。目前被广泛研究的磁电阻材料主要有两大类：一类是人工制备的磁性 多层膜和颗粒复合体系，其磁电阻效应基于自旋极化输运机制，包括自旋极化散射机 制和自旋极化隧穿机制等。这种磁电阻效应通常被称为巨磁电阻( g m r ) 或隧穿磁 电阻( t m r ) 。另一类磁电阻材料为掺杂的钙钛矿锰氧化物，在一定的掺杂浓度下， 材料发生从低温金属态向高温绝缘态的相变，并伴随着铁磁到顺磁的磁性相变。在相 变区域，材料电阻对磁场显示出极高的敏感性，呈现出巨大的磁电阻效应，被称为庞 磁电阻( c m r ) 效应。上述磁电阻材料中，电阻均随外加磁场减小，即负磁电阻效 应，且在一定磁场下达到饱和。与负磁电阻效应不同，在非均匀的非磁性半导体材料 中发现了明显的正磁电阻效应，在一定的掺杂条件或复合结构下，电阻随磁场的增加 而显著上升。这种特殊的正磁电阻效应无法用传统的磁输运理论解释，且在行为上不 同于之前的任何磁电阻效应，被称为异常磁电阻效应。利用这种磁电阻效应制成的磁 感应器具有低噪声、小尺寸、制备技术成熟的优势。同时，在稳定性、精确度和低功 耗方面具有明显优势，并且可同时适用于直流和脉冲两种情况。因此，在非磁性半导 体中发现的这种异常磁电阻效应被认为会令磁电阻器件的尺寸、存储密度、及应用范 围等方面获得重要突破。 本文从理论上研究了不同非均匀结构下非磁性半导体材料的磁输运行为。在非磁 性半导体中发现的异常磁电阻效应由于组分本身不具有磁电阻效应，因此这种宏观磁 电阻完全由体系的非均匀性驱动，它取决于体系中由非均匀分布带来的电流通道结 构。在微观层次上，非磁性半导体异常磁电阻效应的基本机制是霍耳效应，即磁场通 过影响电导张量的非对角元产生对输运的作用。另一方面，相关的实验和理论研究都 表明此种异常磁电阻效应与体系的非均匀性密切相关。对于规则度高的非均匀体系， 我们可以采用严格求解电磁方程的方法来获得体系磁输运行为随均匀性的变化。而对 于具有无序非均匀分布的非磁性半导体，我们采用张量形式的有效介质理论处理体系 非磁性半导体的异常磁电阻效应研究中文撼要 的宏观磁电阻效应。有效介质理论是研究非均匀体系输运性质的重要方法，在磁输运 研究中，常被用来分析非均匀性对材料宏观输运性质的影响。在之前的研究中，采用 有效介质近似计算的磁输运理论工作大多局限于组分电导为标量、各向同性且不考虑 霍耳效应；或考虑到霍耳效应，但只局限于载流子迁移率无序( 即霍耳系数无序) 或 强场极限。我们的计算将其推广到同时考虑迁移率无序和零场电阻率无序分布的体系 中，得到了组分电导强烈失配下体系的特殊磁输运行为。 我们的主要工作与结果如下： 首先，我们针对具有规则非均匀性的半导体一金属复合结构，设定合理简化的边 界条件，采用电磁方程的解析解，得到电极电势差随磁场及体系非均匀分布的变化， 从而获得该结构的整体磁电阻效应。我们引入三个参数分别描述体系的几何非均匀 性、霍耳系数非均匀性及欧姆电阻的非均匀性，考察了它们对材料的磁输运行为的影 响。计算结果表明，这三种不同的非均匀性参数同时对半导体一金属复合结构的磁输运 行为产生明显影响。在高迁移率对比和高电导率对比同时存在的前提下，体系中的电 流行为随磁场发生明显改变。外加磁场足够大时，金属相的增加反而令电阻迅速上升， 仅当金属区域的比例接近一时电阻才开始下降。相应地，材料的磁电阻也随着金属相 的引入出现峰值，该峰值的位置与宽度均明显受到磁场的调控。这些结果与实验中观 察到的半导体一金属复合结构的磁输运特征相一致。进一步的计算表明，在适当的不 同迁移率比值和电导率比值下，复合结构的磁电阻效应发生符号翻转。这一现象在一 些半导体复合材料中也被观察到，但至今未得到合理的解释。我们的计算可以作为此 类材料的翻转磁电阻效应研究的出发点，为从理论上深入探讨不同材料复合而成的半 导体结构中的磁电阻翻转效应提供基本的图像。 其次，我们针对体系的迁移率非均匀分布和组分的电阻失配，建立二组分无序电 导体系，采用组分电导张量来计入霍耳效应，并应用自洽有效介质近似方程计算体系 在平行和垂直外加磁场方向上的磁电阻效应。结果表明，m r 效应不仅取决于载流子 迁移率的无序度，同时也受到组分零场电阻无序的影响。我们主要关注两种组分的零 场电阻具有较大差异时的情况。对于非均匀无序体系，当体系参量( 通常为组分浓度) 达到一定临界值时，某组分构形从不连通向连通渡越，即发生几何逾渗，对应临界值 称为“逾渗阈值 。当组分零场电阻具有显著差异时，电流趋向于集中在导电能力强 h 非磁性半导体的异常磁电阻效应研究中文摘要 的组分内，导致体系的宏观输运亦在特定的阈值处发生显著变化，极限条件下形成金 属绝缘体复合体系的电逾渗行为。对于非磁性半导体材料，电流通路在零磁场条件 下的分布状态直接影响整体的磁输运行为。我们的计算发现，在垂直外加磁场的方向 上，体系的总磁电阻从零场电阻接近时的单峰演化成双峰，并具有更复杂的磁场行为； 同时，在平行外加磁场的方向上，组分浓度处于一定范围时亦会涌现出纵向磁电阻( 电 流方向平行于外加磁场方向) 。这些特殊的磁电阻效应与组分的逾渗结构呈现出明显 关联。虽然在有效介质理论的框架中，还不能给出这些特殊磁输运行为的微观起源， 但计算结果显示出横向磁电阻( 电流方向垂直于外加磁场方向) 的行为与组分逾渗通 道的形成有明显关联。 在非磁性半导体的非均匀体系中的这些特殊磁电阻效应将拓宽磁电阻器件的应 用领域，如在掺杂非磁性半导体中出现线性不饱和的磁电阻，令制造基于磁电阻效应 的新型强磁场传感器成为可能。不仅如此，由于异常磁电阻主要取决于介观层次的非 均匀性分布，温度等外部因素对其的干扰相对较弱，从而更有利于设计出稳定性好且 可控性更强的磁输运器件。 关键词：磁电阻，非磁性半导体，异常磁电阻效应，非均匀体系 l l i 作者：宋亚舞 指导教师：孙华 非磁性半导体的异常磁电阻效应研究a b s t r a c t a b s t r a c t r e c e n t l y , m a g n e t o r e s i s t a n c e ( m r ) e f f e c t sh a v eb e e nw i d e l yc o n c e m e dd u et ot h e i r s i g n i f i c a n tv a l u e si nt h e o r e t i c a ls t u d i e sa n dp o t e n t i a lv a l u e si nc o m m e r c i a la p p l i c a t i o n s m re f f e c tr e f e r st or e m a r k a b l ev a r i a t i o no fr e s i s t i v i t yo fm a t e r i a l sa ta p p l i e dm a g n e t i c f i e l d sa n di te x i s t si nv a r i o u sa r t i f i c i a lo rn a t u r a lm a t e r i a l s ，s u c ha sa r t i f i c i a lm a g n e t i c m u l t i - l a y e rf i l m so rg r a n u l a rc o m p o s i t e s ，i nw h i c ht h em re f f e c t sa r eb a s e do i lt h e s p i n - p o l a r i z e ds c a t t e r i n go rs p i n p o l a r i z e dt u n n e l i n gm e c h a n i s m s c o n v e n t i o n a l l y , m r e f f e c t sm e n t i o n e da b o v ea r ec a l l e dg i a n tm ro rt u n n e l i n gm r t h ea l t e r n a t i v ea r ed o p e d p e r v o s k i t em a n g a n i t e si nw h i c hm r i so b s e r v e da c c o m p a n i e db yat r a n s i t i o nf r o mah i g h t e m p e r a t u r ep a r a m a g n e t i ci n s u l a t o rt oal o w - t e m p e r a t u r ef e r r o m a g n e t i cm e t a la tc e r t a i n d o p e dp r o p o r t i o n n e a rt h e c r i t i c a lp o i n to ft h ep h a s et r a n s i t i o n ，r e s i s t i v i t yo ft h e s e m a t e r i a l si ss e n s i t i v et ot h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d sa n dt h er e m a r k a b l em re f f e c t sa r e o b s e r v e dd u r i n gt h i sp r o c e s s ，w h i c hi st h es o c a l l e dc o l o s s a lm r t h er e s i s t i v i t yo ft h e m a t e r i a l sa sm e n t i o n e da b o v ed e c r e a s e s 、析mt h ei n c r e a s eo ft h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s a n dt h ee f f e c t si sc a l l e da s n e g a t i v e m re f f e c t sa n dt h em ri su s u a l l ys a t u r a t e da t c e r t a i nm a g n e t i cf i e l d s i nc o n t r a r y , t h e r ea r el a r g ep o s i t i v em re f f e c t so b s e r v e di n i n h o m o g e n e o u sn o n m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r sa n di tw a sf o u n dt h a tt h er e s i s t a n c eo ft h e m a t e r i a li n c r e a s e sn o t a b l yw i t l lt h ei n c r e a s e m e n to ft h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s t h i sm r e f f e c ti sc a l l e de x t r a o r d i n a r ye f f e c t ( e m r ) a n dt h i se f f e c ti sd i f f e r e n tf r o mt h e c o n v e n t i o n a lm re f f e c t sa n di ti sh a r d l ye x p l a i n e db yc o n v e n t i o n a lm a g n e t o t r a n s p o r t t h e o r i e s t h em a g n e t i cs e n s o r sb a s e do nt h i se f f e c th a v et h ea d v a n t a g e so fl o wn o i s e ，s m a l l s i z ea n dt h ed e v e l o p e dt e c h n i q u e s f u r t h e r m o r e ，t h e ya l s oh a v et h ea d v a n t a g e so fg o o d s t a b i l i t y , h i 曲一d e g r e ep r e c i s i o na n dl o w - p o w e re x p e n d i t u r e a n dt h e yc a nb eu t i l i z e db o t h i ns t e a d y c u r r e n ta n dp u l s es e n s o r s t h e r e f o r e ，t h ee m re f f e c tf o u n di nn o n m a g n e t i cf i e l d w o u l dl e a dt ob r e a k t h r o u g hi ns i z eo ft h ed e v i c e s ，t h er e s t o r ed e n s i t ya n dt h es c o p eo ft h e a p p l i c a t i o n t h e m a g n e t o t r a n s p o r tp r o p e r t i e s o fn o n m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r si nd i f f e r e n t i n h o m o g e n e o u ss t r u c t u r e s a r es t u d i e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i si n t h i sp a p e r t h e m a c r o s c o p i cm re f f e c t sa r ec a u s e db yt h ei n h o m o g e n e i t yo ft h em a t e r i a l sw h e r et h e c o m p o n e n t sa r en o n m a g n e t i ca n dt h e ya r ed e t e r m i n e db yt h es t r u c t u r e so f t h ec u r r e n tp a t h s i v 非磁性半导体的异常磁电阻效应研究a b s t r a c t c a u s e db yt h ei n h o m o g e n e i t y o no n eh a n d ，f r o mt h em i c r o s c o p i cl e v e l ，w ek n o wt h a tt h e b a s i cm e c h a n i s mi nn o n m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o ri st h eh a l le f f e c t ，i e t h ea p p l i e dm a g n e t i c f i e l d si n f l u e n c em a g n e t o r e s i t a n c et h r o u g ha c t i n go nn o n - d i a g o n me l e m e n t so ft h et e n s o ro f c o n d u c t a n c e o nt h eo t h e rh a n d ，t h er e l e v a n ts t u d i e so fe x p e r i m e n t sa n dt h e o r i e sh a v e a l r e a d ye x h i b i t e dt h a tt h e r ei sc l o s er e l a t i o n s h i pb e t w e e ne m ra n dt h ei n h o m o g e n e i t yo f t h em a t e r i a l s w i t ht h eh i g hd e g r e eo ft h er e g u l a r i t yo ft h ei r d a o m o g e n e o u sm a t e r i a l s ，w e c a no b t a i nt h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e nm a g n e t o t r a n s p o r ta n di n h o m o g e n e i t yt h r o u g h c m c u l a t i n gt h ee q u a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i s mr i g o r o u s l y f o rt h ed i s o r d e ri n h o m o g e n e o u s n o n m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s ，w e t r e a tt h e m b ya d o p t i n g t h ee f f e c t i v e - m e d i u m a p p r o x i m a t i o n ( e m a ) i nt e n s i o n a lf o r m s e m ai sa i li m p o r t a n tm e t h o df o rs t u d y i n gt h e m a g n e t o t a n s p o r tb e h a v i o ro ft h ei n h o m o g e n e o u ss y s t e m sa n di t i so f t e na d o p t e df o r a n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo nt h em a g n e t o t r a n s p o r to ft h ei n h o m o g e n e i t ym i c r o s c o p i c a l l y h o w e v e gt h ep r e v i o u ss t u d i e sa d o p t i n ge m af o c u s e dm a i n l yo nt h es i t u a t i o no fs t r o n g m a g n e t i cf i e l d so rt h ed i s o r d e ro ft h em o b i l i t yo fc a r r i e r s ，i e t h ed i s o r d e ro ft h eh a l l c o e f f i c i e n t ，o u rt h e o r e t i c a lw o r kf o c u so nt h es y s t e mt h a tn o to n l yh a st h ed i s o r d e ro ft h e m o b i l i t yo fc a r r i c r s ，b u ta l s ot h er e s i s t i v i t yo fc a r r i e r sw i t h o u t t h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s a n dw eo b t a i nt h ee x t r a o r d i n a r ym a g n e t o t r a n s p o r tb e h a v i o r si nt h es y s t e mi nw h i c ht h et h e c o n d u c t i v i t ym i s m a t c ha m o n gc o m p o n e n t si sm a r k a b l e o u rm a i nw o r ka n dr e s u l t sc a nb e s u m m a r i e da sf o l l o w s f i r s t ，t h r o u g hs e t t i n gt h ep r o p e rb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n da d o p t i n gt h ea n a l y t i c a lr e s u l t s o ft h ee l e c t r o m a g n e t i s me q u a t i o n ，w eo b t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nv o l t a g ea n dd i s o r d e r d i s t r i b u t i o no ft h es y s t e mi ns e m i c o n d u c t o r - m e t a lw i t hh y b r i ds t r u c t u r e a n dw eo b t a i nt h e g l o b a lm re f f e c t so ft h es y s t e mc o n s e q u e n t l y w ei n t r o d u c et h r e ep a r a m e t e r sw h i c h d e s c r i b ei n h o m o g e n e i t i e so fg e o m e t r y , h a l lc o e f f i c i e n ta n do h mr e s i s t a n c er e s p e c t i v e l y a n dw ea l s oc o n s i d e rt h e i ri n f l u e n c eo nt h em a g n e t o t r a n s p o r tb e h a v i o r s a sar e s u l t ，t h e s e p a r a m e t e r sh a v eg r e a ti m p a c to nm a g n e t o t r a n s p o r to ft h eh y b r i ds t r u c t u r es i m u l t a n e o u s l y w i t ht h ep r e r e q u i s i t ec o n d i t i o nt h a tt h ec o e x i s t e n c eo fs h a r pc o n t r a s to fm o b i l i t yo ft h e c o m p o n e n t sa n dt h ec o m p o n e n tc o n d u c t i v i t i e s ，t h ec u r r e n tp a t h si nt h es y s t e mv a r i e s o b v i o u s l yw i t ht h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s w h e nt h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l di ss t r o n g e n o u g h t h er e s i s t a n c ei n c r e a s es h a r p l yw i t l lt h ei n c r e a s eo ft h em e t a lp r o p o r t i o n a n dt h e r e s i s t a n c ew o u l dn o td e c r e a s eo n l yi ft h em e t a lp r o p o r t i o no ft h ed i f f e r e n tp h a s ei sn e a r l y 10 0 a c c o r d i n g l y , m ro ft h em a t e r i a lh a sm a x i m u m 、i t hi n t r o d u c i n gm e t a lp h a s ea n d v 非磁性半导体的异常磁电阻效应研究abstract t h ep o s i t i o na n dw i d t ho ft h ep e a ka r em e d i a t e db ym a g n e t i cf i e l d so b v i o u s l y t h e s er e s u l t s a r ec o n s i s t e n tw i t ht h et i l o s eo b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n t so nt h e h y b r i ds t r u c t u r e s m e n t i o n e da b o v e f u r t h e rc a l c u l a t i o ns h o w st h a tt h es i g n so fm r c h a n g e di nt h ep r o p e r r a n g eo ft h em o b i l i t yr a t i oa n dt h ec o n d u c t i v i t yr a t i o t h ep h e n o m e n o ni sa l s ob e e n o b s e r v e di no t h e rs e m i c o n d u c t o rc o m p o s i t e sb u ti th a sn e v e rb e e ne x p l a i n e de x q u i s i t e l y o u rc a l c u l a t i o nr e s u l t sc a l ls e r v ea sas t a r t i n gp o i n ti ns t u d i e so ft h e s ei n v e r s em r e f f e t c s a n dt h e ya l s oo f f e ra ni n s i g h ti n t ot h eb a s i cp i c t u r e so ft h em a g n e t o t r a n s p o r tp h e n o m e n o a i nt h eh y b r i ds t r u c t u r e sc o m p o s e db yd i f f e r e n tm a t e r i a l s s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h ed i s o r d e rd i s t r i b u t i o no ft h ec o m p o n e n tm o b i l i t ya n dt h e m i s m a t c h a m o n ge o n d u c t i v i t i e s ，w e c o n s t r u c tt w o c o m p o n e n td i s o r d e rc o n d u c t a n c e s y s t e ma n da d o p tc o n d u c t i v i t yt e n s o r sf o rd e s c r i b i n gt h eh a l le f f e c t t h e nw ec a l c u l a t e t r a n s v e r s em a g n e t o r e s i t a n c e ( t m r ) ( t h eo r i e n t a t i o no ft h ee l e c t r i cf i e l di sp e r p e n d i c u l a rt o a p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s ) a n dl o n g i t u d i n a lm a g n e t o r e s i s t a n c e ( l m r ) ( t h eo r i e n t a t i o no ft h e e l e c t r i c a lf i e l di sp a r a l l e lt ot h ea p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s ) t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em r e f f e c t sn o to n l yd e p e n do nt h ed i s o r d e rd e g r e eo fm o b i l i t yo fc a r r i e r sb u ta l s oo n r e s i s t i v i t y o ft h ec o m p o n e n t sw i t h o u ta p p l i e dm a g n e t i cf i e l d s w ef o c u sm a i n l yo nt h es i t u a t i o ni n w h i c ht h em i s m a t c ho ft h er e s i s t i v i t yu n d e rz e r o - m a g n e t i cf i e l di sr e m a r k a b l e f o rt h e i n h o m o g e n e o u sd i s o r d e rs y s t e m ，w h e nt h ep a r a m e t e r so fs y s t e m ( e g p r o p o r t i o no fe a c h c o m p o n e n t ) r e a c hac r i t i c a lv a l u e ，g e o m e t r i cp e r c o l a t i o nw i l le m e r g ei nt h es y s t e m ，i e o n eo ft h ec o m p o n e n tc o n f i g u r a t i o nc h a n g e sf r o md i s c o n n e c t i o nt oc o n n e c t i o n a n dt h e v e r yv a l u ei sc a l l e d p e r c o l a t i o nv a l u e c o r r e s p o n d e n t l y t h ec u r r e n tt e n d st oc o n g r e g a t ei n t h ec o m p o n e n tw h i c hh a sg o o dc o n d u c t a n c ea st h ed i s p a r i t ya m o n gt h ec o m p o n e n t si s l a r g ee n o u g h t h e r e f o r e ，t h em a c r o s c o p i cm a g n e t o t r a n s p o r tb e h a v i o r sw i l l c h a n g e o b v i o u s l ya tc e r t a i nv a l u eo ft h ec o m p o n e n td e n s i t ya n de l e c t r i c a lp e r c o l a t i o nw i l lt a k e p l a c ei nm e t a l i n s u l a t o rc o m p o s i t e s t h ed i s t r i b u t i o no fc u r r e n tp a t h sw i t h o u tt h em a g n e t i c f i e l d si n f l u e n c et h e m a g n e t o t r a n s p o r td i r e c t l yi nt h em a t e r i a l so f n o n m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s f r o mo u rc a l c u l a t i o n s ，i ti sf o u n dt h a tt h en u m b e ro ft h em r p e a k s e v o l v e sf r o mo n et ot w oa n dt h eb e h a v i o r o ft h e m a g n e t o t r a n s p o r tb e c o m e sm o r e c o m p l i c a t e d s i m u l t a n e o u s l y , a tt h eo r i e n t a t i o np a r a l l e lt ot h em a g n e t i cf i e l d s ，t h el m r e m e r g e si nac e r t a i nv a r i a t i o nr a n g eo ft h ec o m p o n e n tp r o p o r t i o n a n dt h e s ee x t r a o r d i n a r y m re f f e c t sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h ep e r c o l a t i o nc o n f i g u r a t i o n a l t h o u g ht h em i c r o s c o p i c m e c h a n i s mo ft h ep h e n o m e n o nc a n n o tb eo b t a i n e db yt h ee m a ，i ti sc l e a rt h a tt h e v l 非磁性半导体的异常磁屯阻效应研究 a b s t r a f f b e h a v i o ro ft m ri sr e l a t e dt ot h ef o r m a t i o no ft h ep e r c o l a t i o np a t h t h ea b o v ee x t r a o r d i n a r ym re f f e c t so b s e r v e di n i n h o m o g e n e o u sn o n m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o sw i l le x t e n dt h es c o p e so ft h ea p p l i c a t i o no ft h em a g n e t o r e s i s t a n c ed e v i c e s f o ri n s t a n c e ，t h en o n s a t u r a t i n gl i n e a rm ro b s e r v e di nd o p e dn o n m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r s m a k e sm a g n e t i cf i e l ds e n s o r sb a s e do ne m re f f e c t sw o r ki ne x t r e m e l ys t r o n gm a g n e t i c f i e l d s w h a t m o r e ，b e c a u s ee m ri sd e t e r m i n e dm a i n l yb yt h ed i s o r d e rd i s t r i b u t i o ni n m e s c o p i cr a n g e ，t h en e g a t i v ei n f l u e n c ef r o me n v i r o n m e n t ss u c ha st e m p e r a t u r ei sw e a k e r t h e r e f o r e i ti sh e l p f u lt od e s i g nt h ed e v i c e sw i t l lm o r ec o n t r o l l a b l eq u a l i t i e sa n db e n e r s t a b i l i t y k e y w o r d s ：m a g n e t o r e s i s t a n c e ，n o n m a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r s ， e x t r a o r d i n a r y m a g n e t o r e s i s t a n c e , i n h o m o g e n e o u ss y s t e m s v i l w r i t t e nb y s o n gy a w u s u p e r v i s e db y s u nh u a 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学或 其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 研究生签名：窒垩鱼日期：兰：! 鱼：z 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保存期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：窒垩亟日期： 导师签名： 艺8 5 、7 菲磁性半导体的异常磁电阻效应研究第一章绪论 第一章绪论 1 磁电阻效应及其意义 近年来，磁电阻效应因其重要的学术意义与应用价值受到广泛的关注。在一系列 人工或自然材料中发现的载流子输运行为随外加磁场的显著变化，既反映了材料内部 复杂的微观电子结构，同时也为新一代磁输运电子器件的开发奠定了理论基础。目前， 基于磁电阻效应的传感器已被广泛应用于计算机存储技术及其他工业技术，在推动相 关领域学术发展的同时带来巨大的商业效益【1 3 】。伴随着磁记录工业的迅猛发展，磁 存储器件在容量、速度、稳定性等各方面的技术指标日益提高。为了满足技术发展的 迫切要求，如何在室温条件下获得稳定而显著的磁电阻效应成为目前磁输运研究领域 的核心问题之一。这一明确的研究目标推动人们深入研究各种材料的内在磁输运机 制，探索物质输运性质与外加磁场、温度等因素的相互作用，寻找良好的磁电阻效应 和相应的优化条件。最具代表性的成果是磁性多层膜等人工复合结构中呈现的巨磁电 阻效应( g m r ) 4 和掺杂钙钛矿锰氧化物中庞磁电阻( c m r ) 【5 , 6 1 的发现。前者被 迅速应用于器件开发，大大推动了新一代磁存储器、磁读头等领域的发展，并在学术 领域中带来磁电子学和自旋电子学的兴起。后者因其超乎寻常的磁电阻幅度而倍受瞩 目，并在对其深入研究的过程中促成研究者对关联电子体系复杂性质的新认识，成为 凝聚态领域中又一个具有深刻学术意义的热点问题。 磁电阻效应( m a g n e t o r e s i s t a n c ee f f e c t ) 是指在磁场作用下材料的电阻的相对改 变，通常定义为一个无量纲的比值： m r ：r ( h ) - r ( o ) ( 1 1 ) r ( 0 ) 其中，灭( 日) 为外场日下材料的电阻，r ( o ) 为零磁场( h = 0 ) 下的材料的电阻。因 而将电阻随磁场的增加而减小的磁电阻效应称为负磁电阻效应，反之为正磁电阻效 应。 非磁性半导体的异常磁电阻效应研究第一章绪论 1 1 负磁电阻效应 目前，被发现能够获得显著负磁电阻效应的材料主要有两大类：一类是人工制备 的磁性多层膜和颗粒复合体系 4 ，7 9 】。它们的磁电阻效应基于自旋极化输运机制( 包 括自旋极